一种含有气凝胶的膨胀型防火涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及消防技术领域，尤其涉及一种含有气凝胶的膨胀型防火涂料及其制备方法。

背景技术

建筑行业的发展，高大空间钢结构建筑(如大型会展中心、机场航站楼、高铁站点、体育馆等建筑)是高大空间建筑中最为常见的建筑形式，一般多为单层大型公共建筑。建筑内火灾荷载较为集中，一旦发生火灾，火灾将产生大量的热和有毒气体，热辐射、烟气毒性以及减光度等都将直接危害建筑内的人员生命安全。与此同时，火源产生的热烟气以及火源火焰体的直接热作用也将加热屋面钢构件，钢构件升温，钢材的材料性能以及力学性能逐渐降低，当钢结构温度升高到(通常为540℃)时，屈服应力仅为常温的40％，钢材在高温火焰直接灼烧下，只有15分钟的耐火极限，因此，对钢结构进行防火保护势在必行，其中使用防火涂料是一种比较理想的方法。

二氧化硅气凝胶是一种以空气为主要组成成分、无定形态的二氧化硅为基本骨架，具有复杂三维网络结构的纳米轻质多孔材料，其基本物理性能：表观密度0.003～0.35g/cm3，比表面积800～1000m2/g，孔隙率80.0％～99.8％，孔洞平均尺寸20nm，导热系数0.008～0.043W/(m·K)。它同时囊括了低热导率、低密度、高孔隙率、高光透过性、高比表面积、低折射率以及低声速性等性质。二氧化硅涂料应用在市面较少出现，因此，市面上的涂料均缺少二氧化硅材料组分。现有的涂料在导热、防火方面性能不佳，因此，亟待一种含有气凝胶的膨胀型防火涂料解决上述问题。

发明内容

本发明目的旨在提供一种含有气凝胶的膨胀型防火涂料及其制备方法，通过气凝胶增强阻燃碳层，降低了涂料的导热系数和延缓了涂料的燃点起燃速度，防火性能大幅提升,从而提升其防火效果。

有鉴于此，本发明一方面提供一种含有气凝胶的膨胀型防火涂料，其特征在于，

包括以下组成材料：增强性二氧化硅气凝胶、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺、过氧化甲乙酮、苯乙烯、环烷酸钴、可膨胀石墨、钛白粉、三乙烯四胺和丁酸丁酯。

可选地，所述组成材料百分含量为：

可选地，所述增强性二氧化硅气凝胶制备方法如下：

(1)将硅酸乙酯、无水乙醇和去离子混合搅拌均匀成混合溶液，在混合溶液滴加稀盐酸将PH值调节至4～5；

(2)在80℃温度条件下，持续搅拌混合溶液，使硅酸乙酯充分水解；

(3)将氨水加入混合溶液中，使PH值调节至7～8；

(4)进行混合溶液的搅拌，持续3分钟，再将混合溶液静置，制得硅溶胶；

(5)将硅溶胶倒入硅酸铝纤维毡平铺于模具中，通过真空浸渍和超声分散将硅溶胶均匀分散在硅酸铝纤维毡中；

(6)将模具进行烘烤使其老化速度加快，等湿硅溶胶冷却后变硬后将模具浸泡在乙醇溶液中老化脱模；

(7)将硅溶胶浸泡在正己烷与三甲基氯硅烷混合液中进行硅溶胶的表面改性，接着用正己烷继续浸泡，最后将湿的硅溶胶进行烘烤、干燥，制得增强性二氧化硅气凝胶。

可选地，所述聚磷酸铵、所述季戊四醇和所述三聚氰胺的质量比为：0.9～1.1：0.53～0.73：0.57～0.77。

可选地，硅酸铝纤维、硅酸乙酯、无水乙醇和去离子水。

可选地，所述增强性二氧化硅气凝胶包括：硅酸铝纤维、硅酸乙酯、无水乙醇和去离子水。

可选地，所述可膨胀石墨制备步骤如下：

(1)将浓硫酸溶液与天然石墨混合并在58℃温度下反应180分钟，制得低膨胀石墨；

(2)将低膨胀石墨与磷酸溶液在60℃的温度下反应18个小时，制得可膨胀石墨。

本发明一方面提供一种含有气凝胶的膨胀型防火涂料的制备方法，其特征在于，生产步骤如下：

(1)将增强性二氧化硅气凝胶粉末和聚酯树脂加入容器中，快速搅拌混合，得到增强性二氧化硅气凝胶水性基料；

(2)将步骤(1)所得到的水性基料加入苯乙烯、过氧化甲乙酮、环烷酸钴混合搅拌均匀；

(3)将环氧树脂和三乙烯四胺混合搅拌均匀；

(4)将聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺研磨至细度25-30μm，加入钛白粉研磨混合均匀；

(5)将步骤(1)-(4)得到的物料加入可膨胀石墨和丁酸丁酯搅拌均匀，制成含有气凝胶的膨胀型防火涂料。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

(1)本发明人通过多次实验研究确定了该防火涂料的各组分及相应的含量，该防火涂料具有成膜性及封闭性好，无裂纹、能常温固化、防火阻燃、防水防潮、使用寿命长、成本低、安全环保，能在1100度高温下使用，可以工业化大规模生产。

(2)在真空浸泡和超声处理下，硅溶胶均匀分布于硅酸铝纤维结构上，且在常压干燥法下，制成了增强性二氧化硅气凝胶，该气凝胶内部的相互作用均有一定的牵制作用，使得增强性二氧化硅气凝胶内部结构增强；同时，增强性二氧化硅气凝胶有较小的孔隙结构，具备很强的抗压能力，在火烧隔热性能上，具有较低的导热率。

(3)可膨胀石墨内含碳原子结构，在新的插入层原子牵制下，具有高度的体积膨胀率新型结构。可膨胀石墨的新型结构可在高温情况下膨胀爆炸，使大火能被瞬间熄灭。该可膨胀石墨具备无毒、低烟、燃烧速率低、热释放速率低等优点。

附图说明

图1是本发明一种含有气凝胶的膨胀型防火涂料的制备流程图。

具体实施方式

实施例1

本发明提供的一种含有气凝胶的膨胀型防火涂料及其制备方法，包括以下组成材料：增强性二氧化硅气凝胶、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺、过氧化甲乙酮、苯乙烯、环烷酸钴、可膨胀石墨、钛白粉、三乙烯四胺和丁酸丁酯。

按表1中配方份数计算，制备步骤如下：

(1)将增强性二氧化硅气凝胶粉末和聚酯树脂加入容器中，快速搅拌混合，得到增强性二氧化硅气凝胶水性基料；

(2)将步骤(1)所得到的水性基料加入苯乙烯、过氧化甲乙酮、环烷酸钴混合搅拌均匀；

(3)将环氧树脂和三乙烯四胺混合搅拌均匀；

(4)将聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺研磨至细度25-30μm，加入钛白粉研磨混合均匀；

(5)将步骤(1)-(4)得到的物料加入可膨胀石墨和丁酸丁酯搅拌均匀，即得含有气凝胶的膨胀型防火涂料。

增强性二氧化硅气凝胶制备方法如下：

(1)首先将硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水以摩尔比1∶4∶5混合；

(2)缓慢滴加加稀盐酸将混合溶液的pH值调为2～3，然后在80℃条件下持续搅拌2小时使硅酸乙酯充分水解；

(3)滴加氨水将水解液pH调到6～7，并持续搅拌1～2分钟，接着将溶液倒入模具内密封静置凝胶；

(4)将硅酸铝纤维毡平铺于模具中，然后倒入一定质量的硅溶胶；

(5)通过真空浸渍和超声分散将硅溶均匀分散在硅酸铝纤维毡中，接着放入40℃的烘箱中加快复合醇凝胶的老化；

(6)用乙醇浸泡步骤(5)所得复合醇凝胶老化24h使其脱模：

(7)将复合醇凝胶浸泡在正己烷与三甲基氯硅烷体积比为10∶1的混合溶液中进行表面改性24h，用正己烷浸泡24h；

(8)将湿凝胶放入烘箱中，分别在60、80、120℃下干燥6、4、2小时得增强二氧化硅气凝胶。

通过实验分析增强二氧化硅气凝胶比表面积及孔径、导热率。

一、比表面积及孔径

研究了增强二氧化硅气凝胶样品孔隙结构和物理性质的差异，根据IUPAC分类，增强二氧化硅气凝胶样品得出：增强二氧化硅气凝胶的比表面积为522.4m

二、隔热性能

增强性二氧化硅气凝胶的保温隔热性能，用瞬态热线法分别测量了：增强性二氧化硅气凝胶在室温下的导热系数。结果表明：增强性二氧化硅气凝胶具有较低的导热系数。增强性二氧化硅气凝胶在室温下的导热系数为0.037 8W/(m·K)。由于硅酸铝纤维较为致密，为热量的传输提供了更多路径，且硅酸铝纤维具有较好的导热性能，即使其表面被二氧化硅气凝胶颗粒均匀包裹着，通过硅酸铝纤维增强的增强二氧化硅气凝胶的导热率变低。

实施例2

按表1中配方份数计算，改变聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺的含量，其他份数与实施例1相同，按照以下步骤制备：

(1)将增强性二氧化硅气凝胶粉末和聚酯树脂加入容器中，快速搅拌混合，得到增强性二氧化硅气凝胶水性基料；

(2)将步骤(1)所得到的水性基料加入苯乙烯、过氧化甲乙酮、环烷酸钴混合搅拌均匀；

(3)将环氧树脂和三乙烯四胺混合搅拌均匀。

(4)将聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺研磨至细度25-30μm，加入钛白粉研磨混合均匀；

(5)将步骤(1)-(4)得到的物料加入可膨胀石墨和丁酸丁酯搅拌均匀，即得含有气凝胶的膨胀型防火涂料。

实施例3：

按表1中配方份数计算，改变聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺的含量，其他份数与实施例1相同，按照以下步骤制备：

(1)将增强性二氧化硅气凝胶粉末和聚酯树脂加入容器中，快速搅拌混合，得到增强性二氧化硅气凝胶水性基料；

(2)将步骤(1)所得到的水性基料加入苯乙烯、过氧化甲乙酮、环烷酸钴混合搅拌均匀；

(3)将环氧树脂和三乙烯四胺混合搅拌均匀。

(4)将聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺研磨至细度25-30μm，加入钛白粉研磨混合均匀；

(5)将步骤(1)-(4)得到的物料加入可膨胀石墨和丁酸丁酯搅拌均匀，即得含有气凝胶的膨胀型防火涂料。

实施例4

可膨胀石墨制备步骤如下：

(1)将浓硫酸溶液与天然石墨混合并在58℃温度下反应180分钟，制得低膨胀石墨；

(2)将低膨胀石墨与磷酸溶液为插层剂在60℃的温度下反应18个小时，制得可膨胀石墨。

对比例1

与实施例基本相同，区别于，该对比例1中未加入增强性二氧化硅气凝胶，按表1中对比例1配方百分含量计，按照以下步骤制备：

(1)将苯乙烯、过氧化甲乙酮、环烷酸钴混合搅拌均匀；

(2)将环氧树脂和三乙烯四胺混合搅拌均匀；

(3)将聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺研磨至细度25-30μm，加入钛白粉研磨混合均匀；

(4)将步骤(1)-(3)得到的物料加入可膨胀石墨和丁酸丁酯搅拌均匀，即得到对比例1涂料。

对比例2

该对比例为常规可膨胀石墨的制备方法，按照以下步骤制备：

(1)将石墨和硝酸铵放入容器中混合均匀，之后倒入硫酸，搅拌20min，再加热至50℃，静置反应50min，进行抽滤，石墨、硝酸铵、硫酸三者的重量比为10:1:25；

(2)将抽滤所得的石墨水洗至中性，在60℃的温度条件下烘干，即得可膨胀石墨。

对比例2具有反应温和，操作简便、安全，与工业上传统的方法相比较，生产成本低，无污染，水洗液用氨水中和，可作农田灌溉使用等优点，但在防火性能方面差，而实施例2具有高度的体积膨胀率新型结构。可膨胀石墨的新型结构可在高温情况下膨胀爆炸，使大火能被瞬间熄灭。

试验例1

为了验证本发明耐火时间和发泡层的技术效果，将实施例1-3和对比例1的涂料按照施工工艺涂于100mmx100mmx3mm的模板上，各版涂料厚度约0.9mm,涂料干后，用酒精喷灯灼烧，酒精喷灯火焰温度约1100℃，测试结果如表2所示。

表1为实施例1-3和对比例1的质量份数

表2实施例1-3和对比例1防火涂料性能数据

由表2可知实施例1-3的耐火极限和发泡层均比对比例1好，实施例2和实施例3在聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺份数改变的情况下，耐火时间和发泡层导热、成膜性方面较差；对比例1由于没有加入气凝胶，耐火时间明显比本发明配方差，耐火时间大幅下降且发泡层出现龟裂、脱落现象。由此，说明本发明的防火涂料具有优异的防火性能。

试验例2

为了验证本发明可膨胀石墨的防火效果，将实施例4和对比例2按照实施例的份数涂料按照施工工艺涂于100mmx100mmx3mm的模板上，各版涂料厚度约0.9mm,涂料干后，用酒精喷灯灼烧。其中，实施例4带有本发明制备的可膨胀石墨，对比例2带有常规配置的可膨胀石墨，测试结果如表3所示：

表3可膨胀石墨实验数据对比

由表3得出，实施例4可膨胀石墨相对于对比例2可膨胀石墨，在防火和灭火方面有很大的差距。因此，本发明的可膨胀石墨的新型结构可在高温情况下膨胀爆炸，使大火能被瞬间熄灭。