膨胀涂料:日益重要的领域| 2017-10-11 | PCI杂志

今天，大多数多层高层建筑和公共设施(体育场馆、机场等)都有钢骨架。虽然钢不会燃烧，但仍然需要防火保护，因为如果没有足够的保护，钢结构可以在五分钟内达到500°C的临界温度;超过这个温度，钢开始失去承重能力，可能会弯曲或倒塌，对它所支撑的建筑物的稳定性造成灾难性的后果。因此，承重钢结构的持续完整性是建筑当局关注的关键问题。

可以采取一些措施来保护钢材免受火灾。这些通常属于被动类别，涉及绝缘技术，包括在混凝土中包裹，或在耐火板中包装。然而，如今许多设计师更喜欢展示建筑的钢骨架——为此，被动式膨胀涂料是理想的。

通常情况下，膨胀涂料是溶剂型的，然而近年来，水性膨胀涂料取得了重大进展，特别是在纤维素型防火方面。水性涂料提供更快的干燥时间，允许更快的涂层和/或更多的涂层保护。它们通常适用于室内环境，尽管可以使用合适的面漆或“密封剂”用于外部保护。

膨胀可以分为两类:由碳氢化合物来源(包括所谓的“喷射火”)和由纤维素来源(木材、纸张、家具等)提供燃料的膨胀。水基膨胀涂料根据所需防火长度进一步分为名义类别。表1概述了根据英国商业/住宅建筑的楼层数所需的耐火时间。

表1:耐火要求(分钟)-例如英国建筑法规200(文件B)。

工作原理

膨胀涂层的基本原理包括涂层通过膨胀(膨胀或膨胀)对上升的热量做出反应，以产生隔热焦，减缓甚至潜在地阻止钢的温度达到500°C的临界温度。

水性膨胀涂料有四个关键成分:

酸供体(通常是聚磷酸铵);
碳源(通常是多元醇，如季戊四醇);
发泡剂(主要是三聚氰胺);
结合聚合物(通常为醋酸乙烯共聚物)。

膨胀反应在大约275°C的高温下被激活。这是一种吸热反应，吸收热量，释放惰性气体，并形成有效的保温层。根据成分的不同，这种膨胀涂层可以膨胀到原来厚度的10到100倍，以建立一个泡沫炭屏障，隔离底层材料。

这个膨胀过程可以分为不同的步骤，这取决于所使用的专业原材料:

在超过250°C的温度下，热塑性粘结剂“融化”形成液体/粘性基体，在其中可以发生进一步的热化学反应。
在275°C左右，膨胀涂层的主要成分聚磷酸铵(酸供体)开始分解，生成聚磷酸。
这种聚磷酸与碳供体(通常是季戊四醇或双季戊四醇)反应形成无机/有机酯。
发泡剂(例如三聚氰胺)分解并释放气体，使熔融的树脂和酯形成泡沫，形成绝缘屏障。
随着温度的不断升高，酯分解形成坚硬的炭炭(图1)。

图1:随着温度的不断升高，酯分解成坚硬的炭。

所产生的焦炭使基材隔热。因此，钢结构的保护时间取决于焦炭的质量(密度、附着力、完整性、形成速度)以及焦炭的厚度。对于30- 60分钟的保护，通常需要大量的，轻/细腻的焦炭。对于较长的保护时间，炭通常更紧凑和更坚韧，但是，由于干膜厚度/涂层数量较高，整体绝缘效果更大。

已知其他功能性原料也可改善性能:可使用阻燃剂以降低火焰速率的蔓延，并赋予涂层自熄性。此外，三聚氰胺主要用作发泡剂，也是一种氮基阻燃剂，可以表现出优异的阻燃性能。

添加增强材料(如纤维)可以改善涂料的干燥性能(如较少的泥浆开裂，更高的低剪切粘度)，也可以提高焦的稳定性。纤维增强炭将更好地承受火灾中产生的湍流热电流，增加膨胀涂层的整体性能。

粘结剂是一种关键成分，它有许多作用。在湿式配方中，粘合剂直接(有时是单独)有助于整体配方的应用性能和稳定性。在干膜中，聚合物将涂料与底漆/基材结合，并提供诸如抗刮擦等机械性能。当涂层膨胀时，聚合物必须首先软化，然后在适当的温度下熔化，以便在整个过程中为其他反应的发生提供基质。因此，正确选择粘合剂是至关重要的;虽然许多类型的乳液聚合物可以执行一些所需的功能，但最有效地满足膨胀涂料广泛需求的粘合剂是那些基于醋酸乙烯酯共聚物的粘合剂。广泛论述了醋酸乙烯酯共聚物良好的热分解性能。¹

膨胀涂料配方

委托进行了统计设计实验，以更详细地探讨不同参数(原材料、PVC、钢类型等)在生产膨胀涂料中的作用和有效性。本研究集中于根据EN 13381标准体系配制“适合用途”的30-60保护涂层。

原材料和基本参数的初步筛选是通过0.5 m内的多个200x150x5 mm钢板完成的^3.炉。所有的基板都经过喷砂处理，并使用2K环氧基工业标准金属底漆进行预底漆处理。所有涂层都涂到相同的干膜厚度。在所有测试中，采用了市场领先的60分钟膨胀涂料作为内部标准，以评估可能的性能。

第一阶段-关键原材料的选择

本阶段只研究了基本的关键原料，重点研究了合成炭相对于平板的膨胀性能和基本评价。关键原料(聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺、粘合剂)的近似起始比率是众所周知的，并构成初步评价的基础。在所有情况下，水只添加到可以很好应用的水平;所有评估都是在相同的干膜厚度下进行的。

聚磷酸铵水平的评价

表2给出了基本配方和修改，以及配方的物理特性和耐火时间。两种不同等级的聚磷酸铵(APP)进行了评价(来自不同供应商)。

表2:聚磷酸铵水平的评价。

从结果可以看出，该推测配方中APP的最佳用量约为26.2份(配方1c和1d)。在这项基本调查中，APP1的表现明显优于APP2。

三聚氰胺含量评估

从结果(表3)可以看出，推测配方中三聚氰胺的最佳含量约为9.4或11.1份(配方1a、1h和1d)。然而，这里的结果略有不同，在较高的三聚氰胺水平下，APP2比APP1表现得更好。

表3:三聚氰胺水平评估。

季戊四醇水平评价

由表4可知，推测配方中季戊四醇与APP1的最佳含量约为9.5份(配方1a)。然而，不同原料组成的影响再次变得更加明显，因为较高水平的季戊四醇对APP2更有效。权衡结果后，决定继续使用APP1，因为这是一种市场领先的聚磷酸铵，而且广泛可用。

表4:季戊四醇水平评估。

辅助原材料的评估

增强纤维

增强纤维通常添加以改善焦炭的结构和坚固性。表5详细列出了单个增强纤维的两级比较。所开发的配方适用于30- 60分钟的应用，其中通常炭是轻的，体积大。在这种配方中，使用这种化合物减少了火灾时间，并且所得到的炭，特别是在较高水平时，被发现是致密和坚韧的-特征更适合较长的防火应用(90-120分钟)。因此，对于这种特殊的应用，使用这种化合物没有观察到任何优势。

表5:比较了两种水平的单一增强纤维和两种不同的阻燃增塑剂。

阻燃增塑剂

阻燃增塑剂具有许多功能，包括改性初始液体/粘性基质和生成的焦炭，以及抑制初始火灾。表5还显示了两种不同阻燃增塑剂的比较。增塑剂1焦化较差，结构不明显，已经塌陷收缩;然而增塑剂2给出了一个轻，更均匀和蓬松/细腻的炭，这是更适合于预期的应用。

粘合剂含量/PVC的评估

通常膨胀涂料的配方是尽可能高的固体体积(同时保持稳定性)，以提供高的干膜厚度;较高的颜料体积浓度(PVC)通常会导致在焦炭中形成不必要的空气空洞的减少。相反，乳液聚合物也有望稳定整个体系，因此较低的粘结剂水平也意味着较低的表面活性剂水平，较差的稳定性，在应用过程中可能会出现更多问题，并且可能会限制膨胀反应发生的粘性基质。

表6详述了聚氯乙烯在显影配方中的阶梯。初步试验是在平板钢板上进行的，但进一步在“半h”微型钢板上进行了评估。在潮湿状态下或700微米(dft)的应用过程中，没有发现任何问题。在使用凹陷棒进行的单独应用测试中，当应用范围从100微米到2000微米(湿)时，没有出现滑塌等问题，这表明该配方在测试的pvc上的应用和稳定性方面表现良好。

表6:显影配方中的聚氯乙烯阶梯。

对应的耐火结果(在“半h”截面上)见图2。可以看出，趋势有一定的非线性;随着聚氯乙烯的初步增加，防火时间略有下降;然而，基本上没有什么变化。在较高的PVC(78-80%)时，保护时间显著增加-对所得到的炭的检查表明，与较低的PVC炭相比，结构变得更轻，更均匀，体积更大，并且空气空隙显著减少(图3)。尽管PVC可以提高，但需要考虑产品的长期稳定性和应用特性。因此，80%被认为是“全方位”的最佳PVC，适用于这种特殊的原材料平衡。