一种室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及技术领域，尤其涉及一种室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料及其制备方法和应用。

背景技术

钢结构建筑是现代工业化建筑的重要组成部分，具有强度高、稳定性好、施工速度快等特点，因此在大型厂房、商场、体育馆、桥梁等建筑中广泛应用。然而，钢结构的材质使其在火灾发生时面临着极大的危险，因为钢在高温下很容易失去承重能力，造成建筑倒塌的风险。因此，为了防止钢结构在火灾中失去承重能力，各国一直在研究开发防火涂料，这种涂料可以在火灾发生时保护钢结构免受破坏。防火涂料是一种含有特殊材料的涂料，能够将钢结构包裹在一层难燃材料之中，使其在火灾发生时不易受到高温侵袭，从而保护建筑物的安全。

气凝胶(aerogel)是一种具有纳米多孔网格结构的新型材料、并在孔隙中充满气态分散介质、超低密度的固体材料，有时也称为“固体烟雾”或“冻烟”。它的空隙率可以达到99.9％以上，其特殊的物理结构使其具有许多惊人的属性，如极低的热导率、非常低的密度、高比表面积和优异的声学和光学性质。气凝胶广泛应用于隔热、吸油、电子、建筑材料、热稳定剂等领域。气凝胶的种类很多，有硅系，碳系，硫系，金属氧化物系，金属系等，一般常见的气凝胶为硅气凝胶。现阶段二氧化硅气凝胶的生产技术最为成熟，产业化程度最高，既具有实用价值的纳米孔超级绝热材料，同时还兼有良好的隔热和力学性能，主要应用于航空航天、军事、电子、建筑、家电和工业管道等领域的保温隔热。与SiO

室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料涂覆在钢结构表面上，涂层本身具有良好的耐腐蚀性、安全环保、无污染、施工方便，是一种理想的钢结构防火装饰材料。在遇火时，会发生化学反应，涂层迅速膨胀形成一层致密的碳层，厚度达到原来的30-100倍，隔热阻燃效果显著，从而有效的阻止高温火焰对建筑物的燃烧，起到很好的保护作用，为人员逃生和消灭火情赢得宝贵的时间。

CN113150671A公开了一种非离子型水性聚氨酯基膨胀型钢结构防火涂料，包括以下重量份的组分：去离子水10～40份，消泡剂0.1～0.5份，分散剂0.5～2份，pH值调节剂0.1～0.5份，金红石型钛白粉5～15份，季戊四醇5～15份，三聚氰胺5～15份，聚磷酸铵20～30份，气凝胶浆料0.5～5份，非离子型水性聚氨酯乳液15～40份，醋叔乳液1～10份，三乙醇胺乙酸盐的水溶液0.5～5份，增稠剂0.3～1份。该发明提供了防火涂料，仅仅是具有单一发泡功能的非离子型水性聚氨酯基膨胀型钢结构防火涂料，且制备工艺复杂。

因此，针对以上不足，需要提供一种新型的防火涂料进而应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于现有的气凝胶防火涂料的难燃性、隔热性、高温稳定性，针对现有技术中的缺陷，提供一种室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料及其制备方法和应用。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料，所述室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料按重量份计包括如下组分：

白色颜料5～15份，成炭剂8～15份，增强剂0.25～1份，粘结剂12～35份，增稠剂0.1～0.3份，杀菌剂0.3～0.5份，pH值调节剂0.1～0.3份，消泡剂0.2～0.5份，分散剂0.3～1份，气凝胶材料0.5～5份，水15～35份。

本发明提供的室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料，相比于现有的其他防火涂料，不仅具有高发泡功能，还有气凝胶材料隔热效果优异、密度极低且不燃，可以很好的分布在碳层中，从而使碳层更加致密，以及出色的隔热性能，有效阻隔火焰热量传递到钢结构表面，大大延缓钢结构材料的形变时间，为火灾救援提供宝贵时间。

本发明所述白色颜料的重量份为5～15份，例如可以是5份、8份、9份、12份或15份等。本发明中，白色颜料为本领域常规使用的白色颜料均可。白色颜料主要提供遮盖力，例如可以是锐钛型或金红石型钛白粉、锌白、铅白、氧化锌、锌钡白等材料。

本发明所述成炭剂的重量份为8～15份，例如可以是8份、9份、10份、11份、12份、13份、14份或15份等。

优选地，所述成炭剂为双季戊四醇、淀粉或季戊四醇中的任意一种或至少两种的组合，优选为双季戊四醇。

成炭剂优先金盛泰化工的双季戊四醇，对比季戊四醇、淀粉等，其分解温度与所选脱水剂更为相近，耐水性耐碱性更好，不会出现结晶或从涂料中析出问题。双季成碳效率高，成碳效果好，发泡倍数更高，防火性能更好，分散性更优、更加细腻。

本发明所述增强剂为0.25～1份，例如可以是0.25份、0.3份、0.5份、0.7份、0.75份或1份等。

优选地，所述增强剂为膨胀石墨。膨胀石墨是由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的片状或颗粒状物质，除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等优良性能以外，还具有天然石墨所没有的柔软韧性、压缩回弹性、吸附性、生态环境协调性、生物相容性等特性。膨胀石墨遇高温可瞬间体积膨胀150～300倍，由颗粒状变为蠕虫状，从而结构松散，多孔而弯曲，表面积扩大、表面能提高、吸附力增强，蠕虫状石墨之间可自行嵌合，这样增加了体系碳层的强度、韧性、回弹性和可塑性，从而起到增加碳层的牢度和强度、不易松散、开裂、脱落。

本发明所述粘结剂的重量份为12～35份，例如可以是12份、15份、20份、25份或35份等。

优选地，所述粘结剂为瓦克的EZ3006乳液、巴德富RS-166乳液、保立佳BLJ-3359乳液、科莱恩DM230乳液或北京有机化工BJ-707纯丙乳液中的任意一种，优选为科莱恩DM230乳液。在本发明中，粘结剂最优选使用科莱恩DM230乳液，相比于其他乳液，其对于气凝胶防火涂料相容性、耐水性、发泡倍数和碳层致密性、隔热性、附着力等综合性能相对更优。

本发明所述增稠剂的重量份为0.1～0.3份，例如可以是0.1份、0.2份或0.3份等。优选地，所述增稠剂为羟乙基纤维素。本发明所使用的羟乙基纤维素，对比本领域常规使用的碱溶胀增稠剂、聚氨酯增稠剂和羟甲基纤维素等，其粘度稳定性最优、增稠效率高。

本发明所述杀菌剂的重量份为0.3～0.5份，例如可以是0.3份、0.4份或0.5份等。

优选地，所述杀菌剂为氯甲基异噻唑啉酮、甲基异噻唑啉酮、辛基异噻唑啉酮或苯并异噻唑酮中的任意一种或至少两种的组合。

本发明所述pH值调节剂的重量份为0.1～0.3份，例如可以是0.1份、0.2份或0.3份等。

优选地，所述pH值调节剂为2-氨基-2-甲基-1-丙醇、氢氧化钠或氨水中的任意一种或至少两种的组合。

本发明所述消泡剂的重量份为0.2～0.5份，例如可以是0.2份、0.3份、0.4份或0.5份等。

优选地，所述消泡剂为SN-NXZ。

本发明所述分散剂的重量份为0.3～1份，例如可以是0.3份、0.5份、0.8份或1份等。

优选地，所述分散剂为P90、GA40、OROTAN 1124中的任意一种或至少两种的组合，优选为P90。在本发明中，分散剂优选使用高泰P90，相比于其他的分散剂，陶氏OROTAN1124、巴斯夫GA40等，分散性和储存稳定性更优，分散效率更高，耐水性更好，配色宽容度更广。

本发明所述气凝胶材料的重量份为0.5～5份，例如可以是0.5份、1份、3份或5份等。

优选地，所述气凝胶材料为ZrO

优选地，气凝胶材料优选使用埃力生公司的ZrO

优选地，所述室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料还包括发泡剂10～20份，例如可以是10份、11份、12份、13份、14份、15份、17.5份、20份等。

优选地，所述发泡剂为三聚氰胺。

优选地，所述室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料还包括脱水剂15～45份，例如可以是15份、20份、25份、30份、35份或45份等。

优选地，所述脱水剂为改性聚磷酸铵EPFR-APP262。

本发明所述脱水剂优选普塞呋的改性聚磷酸铵EPFR-APP262，该材料是一种以PreniphorTM EPFR-APP222H为基材的三聚氰胺甲醛树脂包裹的高聚合度结晶Ⅱ型聚磷酸铵产品。对比现有的市面上其他产品，杭州捷尔思、山东辉安、山东多聚化学的聚磷酸铵，其在常温具有更低的水溶性，甚至在高温也具有低的水溶性，同时完全不溶有机溶剂中。该产品P、N阻燃元素含量高，热稳定性好，近乎中性，无毒低烟，配合其它气源、碳源，以膨胀成炭起到更好阻燃防火作用。

在本发明中，成炭剂配合发泡剂、脱水剂形成三体系的膨胀型防火涂料，缺少一个成分会导致无法发泡；成炭剂用量优选12.5％，配合发泡剂用量优选17.5％，过低发泡倍数低，阻燃效果差，过高对提高发泡倍数提升不明显，反而增加成本，且会降低发泡碳层的隔热性能。

优选地，所述室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料还包括润湿剂0.1～0.5份，例如可以是0.1份、0.2份、0.3份、0.4份或0.5份等。

优选地，所述润湿剂为BD-109、NS-2125、E9289、LCN070、NS-2599中的任意一种或至少两种的组合；优选为BD-109和NS-2125的组合。其中，BD-109为陶氏品牌，NS-2125为海润化工品牌。

在本发明中，润湿剂优选陶氏BD-109和NS-2125，质量比为1：1，相比于巴斯夫E9289、科莱恩LCN070等单独使用或复合使用，其润湿效果最优，对气凝胶粉体的加入均匀分散效果最优，在体系中粘度稳定，无粘度增长现象，配色宽容度更高。

第二方面，本发明提供了一种第一方面所述的室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料的制备方法，所述制备方法为：将白色颜料、成炭剂、增强剂、粘结剂、增稠剂、杀菌剂、pH值调节剂、消泡剂、分散剂、气凝胶材料、以及任选的脱水剂、发泡剂和润湿剂分散混合均匀，得到所述室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料。

第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述的室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料在室内钢结构装饰中的应用。

实施本发明，具有以下有益效果：

(1)难燃性：膨胀型钢结构防火涂料是由多种高性能化学材料混合制成，火灾发生时易发泡，发泡碳层高度高强度大，ZrO

(2)耐腐蚀性：膨胀型钢结构防火涂料是在钢结构表面形成一层致密的保护层，有效地保护了钢结构不受腐蚀。同时，其具有良好的耐酸碱和耐盐雾性能，不易受到环境的影响，配合防锈底漆，可满足高级别的防腐蚀要求。

(3)是一种全水性体系，无人为添加甲醛、苯系物等有毒有害物质，有害物质限量符合现行国家标准GB 18582《建筑用墙面涂料中有害物质限量》的规定，对环境人体友好，符合环保要求。同时它是一种与普通内外墙涂料基本一致的液体状态，可直接施工使用，无需现场兑水加工搅拌，从而不会对施工人员及周边环境造成影响。

(4)施工方便：膨胀型钢结构防火涂料的施工方式简单、方便，可喷涂、滚涂或者刷涂，不会对钢结构产生破坏。

在建筑物的火灾安全保护方面具有如下有益效果：

(1)提高建筑物的防火等级：膨胀型钢结构防火涂料是能够有效阻止和延缓火势发展的，它能够为建筑物提供更高的难燃等级。可以提高建筑物的抗火性能，并减少火灾造成的人员和财产损失。

(2)保护钢结构不变形、不熔化：钢结构是建筑物中的重要构件，一旦发生火灾，一般情况下钢结构很容易产生变形和熔化，严重破坏建筑物的结构安全。而膨胀型钢结构防火涂料能够在火灾发生时迅速膨胀，形成一层厚实的泡沫保护层，该保护层具有良好的隔热效果，可有效地保护钢结构不被高温侵蚀，从而保证了钢结构不发生变形和熔化。

(3)增加钢结构的承载力：膨胀型钢结构防火涂料能够粘附在钢结构表面形成坚固的难燃保护层，可以有效地减少火灾产生的高温对钢结构的腐蚀，从而增加了钢结构的承载力。

(4)抑制烟气与有毒气体产生：膨胀型钢结构防火涂料能够抑制烟气和有毒气体的产生，减少火灾对室内环境的污染，从而保护人们的生命安全。

本发明的膨胀型钢结构防火涂料在建筑物的防火安全方面具有重要的作用，其应用不仅可以保护建筑物的安全，还可以防止火灾扩散，并减少火灾的损失。遇火时涂层会发生化学反应，迅速膨胀，发泡厚度高、碳层致密强度高且隔热效果好，厚度达到原来的30-100倍，从而有效的阻止火焰对钢结构的燃烧，使钢结构被很好的保护起来，延长钢结构的承载力(结构安全)时间，为逃生和灭火救援赢得宝贵的时间。

附图说明

图1是本发明实施例1制备得到的室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料燃烧实验后部分发泡的截面图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料

白色颜料10份，双季戊四醇12.5份，膨胀石墨0.5份，科莱恩的DM230乳液18份，羟乙基纤维素0.2份，杀菌剂0.5份，2-氨基-2-甲基-1-丙醇0.2份，SN-NXZ为0.3份，高泰P90为0.75份，ZrO

实施例2

本实施例提供一种室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料

白色颜料10份，双季戊四醇8份，膨胀石墨0.5份，科莱恩的DM230乳液18份，羟乙基纤维素0.2份，杀菌剂0.5份，2-氨基-2-甲基-1-丙醇0.2份，SN-NXZ为0.3份，高泰P90为0.75份，ZrO

实施例3

本实施例提供一种室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料

白色颜料10份，双季戊四醇15份，膨胀石墨0.5份，科莱恩的DM230乳液18份，羟乙基纤维素0.2份，杀菌剂0.5份，2-氨基-2-甲基-1-丙醇0.2份，SN-NXZ为0.3份，高泰P90为0.75份，ZrO

实施例4

本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例不包括润湿剂BD-109和NS-2125的组合。

实施例5

本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例不包括脱水剂改性聚磷酸铵EPFR-APP262。

实施例6

本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例不包括发泡剂三聚氰胺。

实施例7

本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例将脱水剂改性聚磷酸铵EPFR-APP262替换为山东多聚化学的聚磷酸铵。

实施例8

本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例将ZrO

实施例9

本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例将双季戊四醇替换为淀粉。

实施例10

本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例将三聚氰胺的重量份为10份。

实施例11

本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例将三聚氰胺的重量份为20份。

实施例12

本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例将粘结剂替换为EZ 3066。

对比例1

本对比例与实施例1的区别仅在于，本对比例不包括气凝胶材料。

对比例2

本对比例与实施例1的区别仅在于，本对比例不包括增稠剂羟乙基纤维素。

对比例3

本对比例与实施例1的区别仅在于，本对比例不包括增强剂膨胀石墨。

对比例4

本对比例与实施例1的区别仅在于，本对比例不包括粘结剂科莱恩的DM230乳液。

对比例5

本对比例与实施例1的区别仅在于，本对比例不包括分散剂高泰P90。

对比例6

本对比例与实施例1的区别仅在于，本对比例不包括双季戊四醇。

将以上实施例1-12与对比例1-6提供的样品，进行性能测试。

测试标准：GBT 14907-2018

发泡情况实验室简易测试方法：取2mm钢板，打磨处理，施工1mm厚度的膨胀型钢结构防火涂料，干燥后，正面用烃类喷火器燃烧，在背部贴温度传感器，记录背温，燃烧后对比观察其发泡情况。

得到的实验数据具体如下表1、表2和表3所示：

表1

表2

表3

由以上表格中数据可知，本发明提供的室内膨胀型钢结构气凝胶防火涂料效果相对较好，尤其是在优选范围内的配方效果最佳，而一旦产品中的气凝胶、润湿分散剂、成炭剂、发泡剂、脱水剂等组成、组分配比发生变化，产品会出现不同程度的漆膜初期干燥开裂，碳层发泡效果差、空鼓、开裂、发白和与基板附着差等情况，以及钢结构的背温数据，即碳层的对火焰温度到达钢结构的隔热效果变差。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。