一种环保钢结构防火涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种建筑材料技术领域，尤其涉及一种环保钢结构防火涂料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着经济和社会的快速发展，建筑用材不断升级和换代。各种大型建筑接踵而来，而这些大型建筑的主要承重构件大多依赖于坚固而又轻便的钢结构，这些钢结构赋予了建筑物宽阔、轻盈、简洁流畅而又不失稳固的风格，是未来大型建筑的主要形式。钢结构作为一种建筑类型，以其自重轻、强度高、塑性好、施工周期短、灵活性和抗震等级高、节能环保等优点而被广泛采用，尤其在大跨度结构和高层建筑中发挥了不可替代的作用。然而，钢结构耐火性差，当温度达到600℃时，钢结构几乎会丧失全部的强度，一旦发生火灾，钢结构就会失去承载能力，将严重危害人们的生命和财产安全。因此，必须要对钢结构进行防火保护。

目前广泛使用的对钢结构进行保护的方法是用钢结构防火涂料涂覆在钢结构表面。钢结构防火涂料是用于钢结构表面，能降低钢结构表面的可燃性、阻滞火灾的迅速蔓延，用以提高钢结构耐火极限的一种特种涂料。然而，现有的钢结构防火涂料往往只注重防火性能指标，而环保性能、耐候性等存在不足。市面上的钢结构防火涂料还或多或少存在阻燃性、耐火性欠佳，不耐潮，耐候性差，涂层容易出现开裂、脱粉等不良现象，与钢材基体附着力差，存在烟气安全问题的缺陷。

专利文献CN1986715A公开了一种隧道钢结构防火涂料，是由丙乳液、582树脂、AEC膨胀水泥、耐火水泥为粘结剂，海泡石、膨胀珍珠岩、粉煤灰、轻质碳酸钙、硅酸铝纤维为无机隔热填料，蛭石、重铬酸铵、三聚氰胺、季戊四醇、聚磷酸铵为发泡材料，氧化铝、氢氧化镁、氧化锡、硼酸铵为助剂组成，该隧道钢结构防火涂料具有较好的粘结性和耐湿热，但是这种隧道钢结构防火涂料组分复杂，且搅拌过程中会散发出氨气，不利于环保和施工人员的身体健康。

因此，开发一种阻燃防火效果显著，耐候性和环保性能佳，与钢材基体附着力强，耐湿热性好的环保钢结构防火涂料符合市场需求，具有较高的市场价值和推广应用前景。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供一种阻燃防火效果显著，耐候性和环保性能佳，与钢材基体附着力强，耐湿热性好的环保钢结构防火涂料；同时，本发明还提供了一种所述环保钢结构防火涂料的制备方法，该制备方法工艺简单，施工方便，制备效率高，适合连续规模化生产。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种环保钢结构防火涂料，其特征在于，是由如下按重量份计的各组分制成：基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物20-30份、端羧基超支化聚酯10-15份、磺化苯氧基环磷腈8-10份、聚芳恶二唑纤维粉3-5份、白色水泥8-12份、凹凸棒土3-5份、五氧化二磷2-4份、消泡剂1-2份、流平剂1-3份、分散剂0.5-1.5份。

优选的，所述分散剂为六偏磷酸钠和/或聚羧酸钠盐。

优选的，所述消泡剂为磷酸三丁酯、消泡剂德谦3100、消泡剂BYK088中的一种或几种。

优选的，所述流平剂为聚丙烯酸酯流平剂、醋丁纤维素流平剂、聚乙烯醇缩丁醛流平剂中的一种或几种。

优选的，所述白色水泥选自牌号为

优选的，所述凹凸棒土的粒径为1000-1200目。

优选的，所述聚芳恶二唑纤维粉为宝德纶短纤维粉；其平均直径为1-4μm，长径比为25-45。

优选的，所述磺化苯氧基环磷腈的制备方法，包括如下步骤：采用50％发烟硫酸与苯氧基环磷腈放入装三口瓶中，三口瓶内装有机械搅拌装置、温度计和球形冷凝管，在搅拌的状态下，加热到110-120℃，反应6-8h后，降温至35-45℃，将反应混合物缓慢倒入冰水中，用氢氧化钠溶液中和至中性，再加入氯化钠盐析，得到固体粗产物，后用乙醇和水重结晶，得到磺化苯氧基环磷腈。

优选的，所述发烟硫酸与苯氧基环磷腈的比例为40mL:(1-3)g。

优选的，所述端羧基超支化聚酯选自HyPer C10、HyPer C20、HyPer C30或HyPerC40中的一种或几种。

优选的，所述基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物的制备方法，包括如下步骤：将2,5-双(二乙基氨基)苯基-1,3,4-二唑、双二氯甲基二甲基硅烷加入到有机溶剂中，在40-60℃下搅拌反应5-8小时，后旋蒸除去溶剂，接着用乙醚洗涤产物3-6次，旋蒸除去残留的乙醚，最后置于真空干燥箱85-95℃下干燥至恒重，得到基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物。

优选的，所述2,5-双(二乙基氨基)苯基-1,3,4-二唑、双二氯甲基二甲基硅烷、有机溶剂的摩尔比为1:1:(6-10)。

优选的，所述有机溶剂为二甲亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。

本发明的另一个目的，在于提供一种所述环保钢结构防火涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：先将各组分按重量份混合均匀，得到混合料，随后将混合料加入双螺杆挤出机中挤压挤出，后依次经冷却、粉碎、旋风分离后，用粉末筛分离出产品，粉末筛为100-200目，熟化1-3天，得到环保钢结构防火涂料。

优选的，所述挤压挤出温度为120-150℃。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

(1)本发明提供的环保钢结构防火涂料的制备方法，该制备方法工艺简单，施工方便，制备效率高，适合连续规模化生产。

(2)本发明提供的环保钢结构防火涂料，克服了现有的钢结构防火涂料往往只注重防火性能指标，而环保性能、耐候性等存在不足；市面上的钢结构防火涂料还或多或少存在阻燃性、耐火性欠佳，不耐潮，耐候性差，涂层容易出现开裂、脱粉等不良现象，与钢材基体附着力差，存在烟气安全问题的缺陷；通过各组分协同作用，使得制成的环保钢结构防火涂料阻燃防火效果显著，耐候性和环保性能佳，与钢材基体附着力强，耐湿热性好。

(3)本发明提供的环保钢结构防火涂料，添加基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物，分子主链上引入恶二唑和硅烷结构，二者协同作用，使得制成的聚合物成膜性能好，综合性能和性能稳定性佳；分子链上引入的离子结构，能增强其与钢材的结合力，且也为后续交联固化提供反应位点，同时，这些结构的成膜物质本身就具有较好的阻燃防火性能。其上的恶二唑结构与聚芳恶二唑纤维粉含有相似结构，增强了它们之间相容性。

(4)本发明提供的环保钢结构防火涂料，添加磺化苯氧基环磷腈作为阻燃成分，其结合了磷系、氮系和磺酸系有机阻燃剂的优点，协同作用，使得阻燃防火效果更佳；这种物质不像传统防火材料那样直接添加，而是通过其分子结构中的磺酸基与成膜聚合物中的季铵盐阳离子通过离子键连接，同时这些磺酸基还能在五氧化二磷的催化作用下，与基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物分子链上的苯环、聚芳恶二唑纤维粉上的苯环发生交联固化反应，使得固化后的涂料综合性能更佳，耐湿热更好，耐候性、耐老化性、防火阻燃性和性能稳定性更显著。同时端羧基超支化聚酯也能促进成膜，其端羧基能与基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物上的阳离子以离子键连接，减少了游离离子，通过架桥作用在钢材表面形成涂膜，起到防腐蚀作用。

(5)本发明提供的环保钢结构防火涂料，聚芳恶二唑纤维粉的添加能改善涂膜的机械力学性能和耐温性能，同时也能提高涂膜的综合性能，白色水泥和凹凸棒土配合添加，能增强涂料与基材的粘附性能。该涂料以空气作为分散介质，不含挥发性有机溶剂，相对较环保。

具体实施方式

为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的以及优点更加清晰易懂，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

一种环保钢结构防火涂料，其特征在于，是由如下按重量份计的各组分制成：基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物20份、端羧基超支化聚酯10份、磺化苯氧基环磷腈8份、聚芳恶二唑纤维粉3份、白色水泥8份、凹凸棒土3份、五氧化二磷2份、消泡剂1份、流平剂1份、分散剂0.5份；所述分散剂为六偏磷酸钠；所述消泡剂为磷酸三丁酯；所述流平剂为聚丙烯酸酯流平剂；所述白色水泥是牌号为

所述凹凸棒土的粒径为1000目；所述聚芳恶二唑纤维粉为宝德纶短纤维粉；其平均直径为1μm，长径比为25；所述端羧基超支化聚酯为HyPer C10。

所述磺化苯氧基环磷腈的制备方法，包括如下步骤：采用50％发烟硫酸与苯氧基环磷腈放入装三口瓶中，三口瓶内装有机械搅拌装置、温度计和球形冷凝管，在搅拌的状态下，加热到110℃，反应6h后，降温至35℃，将反应混合物缓慢倒入冰水中，用氢氧化钠溶液中和至中性，再加入氯化钠盐析，得到固体粗产物，后用乙醇和水重结晶，得到磺化苯氧基环磷腈；所述发烟硫酸与苯氧基环磷腈的比例为40mL:1g。

所述基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物的制备方法，包括如下步骤：将2,5-双(二乙基氨基)苯基-1,3,4-二唑、双二氯甲基二甲基硅烷加入到有机溶剂中，在40℃下搅拌反应5小时，后旋蒸除去溶剂，接着用乙醚洗涤产物3次，旋蒸除去残留的乙醚，最后置于真空干燥箱85℃下干燥至恒重，得到基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物；所述2,5-双(二乙基氨基)苯基-1,3,4-二唑、双二氯甲基二甲基硅烷、有机溶剂的摩尔比为1:1:6；所述有机溶剂为二甲亚砜。

一种所述环保钢结构防火涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：先将各组分按重量份混合均匀，得到混合料，随后将混合料加入双螺杆挤出机中挤压挤出，后依次经冷却、粉碎、旋风分离后，用粉末筛分离出产品，粉末筛为100目，熟化1天，得到环保钢结构防火涂料；所述挤压挤出温度为120℃。

实施例2

一种环保钢结构防火涂料，其特征在于，是由如下按重量份计的各组分制成：基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物23份、端羧基超支化聚酯11份、磺化苯氧基环磷腈8.5份、聚芳恶二唑纤维粉3.5份、白色水泥9份、凹凸棒土3.5份、五氧化二磷2.5份、消泡剂1.2份、流平剂1.3份、分散剂0.7份；所述分散剂为聚羧酸钠盐；所述消泡剂为消泡剂德谦3100；所述流平剂为醋丁纤维素流平剂；所述白色水泥为标号为625的白色硅酸盐水泥；所述凹凸棒土的粒径为1050目；所述聚芳恶二唑纤维粉为宝德纶短纤维粉；其平均直径为2μm，长径比为30；所述端羧基超支化聚酯为HyPer C20。

所述磺化苯氧基环磷腈的制备方法，包括如下步骤：采用50％发烟硫酸与苯氧基环磷腈放入装三口瓶中，三口瓶内装有机械搅拌装置、温度计和球形冷凝管，在搅拌的状态下，加热到113℃，反应6.5h后，降温至37℃，将反应混合物缓慢倒入冰水中，用氢氧化钠溶液中和至中性，再加入氯化钠盐析，得到固体粗产物，后用乙醇和水重结晶，得到磺化苯氧基环磷腈；所述发烟硫酸与苯氧基环磷腈的比例为40mL:1.5g。

所述基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物的制备方法，包括如下步骤：将2,5-双(二乙基氨基)苯基-1,3,4-二唑、双二氯甲基二甲基硅烷加入到有机溶剂中，在45℃下搅拌反应6小时，后旋蒸除去溶剂，接着用乙醚洗涤产物3-6次，旋蒸除去残留的乙醚，最后置于真空干燥箱88℃下干燥至恒重，得到基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物；所述2,5-双(二乙基氨基)苯基-1,3,4-二唑、双二氯甲基二甲基硅烷、有机溶剂的摩尔比为1:1:7；所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。

一种所述环保钢结构防火涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：先将各组分按重量份混合均匀，得到混合料，随后将混合料加入双螺杆挤出机中挤压挤出，后依次经冷却、粉碎、旋风分离后，用粉末筛分离出产品，粉末筛为130目，熟化1.5天，得到环保钢结构防火涂料；所述挤压挤出温度为130℃。

实施例3

一种环保钢结构防火涂料，其特征在于，是由如下按重量份计的各组分制成：基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物25份、端羧基超支化聚酯13份、磺化苯氧基环磷腈9份、聚芳恶二唑纤维粉4份、白色水泥10份、凹凸棒土4份、五氧化二磷3份、消泡剂1.5份、流平剂2份、分散剂1份；所述分散剂为六偏磷酸钠；所述消泡剂为消泡剂BYK088；所述流平剂为聚乙烯醇缩丁醛流平剂；所述白色水泥是标号为525的白色硅酸盐水泥；所述凹凸棒土的粒径为1100目；所述聚芳恶二唑纤维粉为宝德纶短纤维粉；其平均直径为2.5μm，长径比为35。

所述磺化苯氧基环磷腈的制备方法，包括如下步骤：采用50％发烟硫酸与苯氧基环磷腈放入装三口瓶中，三口瓶内装有机械搅拌装置、温度计和球形冷凝管，在搅拌的状态下，加热到115℃，反应7h后，降温至40℃，将反应混合物缓慢倒入冰水中，用氢氧化钠溶液中和至中性，再加入氯化钠盐析，得到固体粗产物，后用乙醇和水重结晶，得到磺化苯氧基环磷腈；所述发烟硫酸与苯氧基环磷腈的比例为40mL:2g；所述端羧基超支化聚酯为HyPerC30。

所述基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物的制备方法，包括如下步骤：将2,5-双(二乙基氨基)苯基-1,3,4-二唑、双二氯甲基二甲基硅烷加入到有机溶剂中，在50℃下搅拌反应6.5小时，后旋蒸除去溶剂，接着用乙醚洗涤产物5次，旋蒸除去残留的乙醚，最后置于真空干燥箱90℃下干燥至恒重，得到基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物；所述2,5-双(二乙基氨基)苯基-1,3,4-二唑、双二氯甲基二甲基硅烷、有机溶剂的摩尔比为1:1:8；所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮。

一种所述环保钢结构防火涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：先将各组分按重量份混合均匀，得到混合料，随后将混合料加入双螺杆挤出机中挤压挤出，后依次经冷却、粉碎、旋风分离后，用粉末筛分离出产品，粉末筛为150目，熟化2天，得到环保钢结构防火涂料；所述挤压挤出温度为135℃。

实施例4

一种环保钢结构防火涂料，其特征在于，是由如下按重量份计的各组分制成：基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物28份、端羧基超支化聚酯14份、磺化苯氧基环磷腈9.5份、聚芳恶二唑纤维粉4.5份、白色水泥11份、凹凸棒土4.5份、五氧化二磷3.5份、消泡剂1.9份、流平剂2.8份、分散剂1.3份；所述分散剂为六偏磷酸钠、聚羧酸钠盐按质量比3:5混合而成；所述消泡剂为磷酸三丁酯、消泡剂德谦3100、消泡剂BYK088按质量比2:1:3混合而成；所述流平剂为聚丙烯酸酯流平剂、醋丁纤维素流平剂、聚乙烯醇缩丁醛流平剂按质量比2:2:3混合而成；所述白色水泥是牌号为

所述凹凸棒土的粒径为1150目；所述聚芳恶二唑纤维粉为宝德纶短纤维粉；其平均直径为3.5μm，长径比为42。所述端羧基超支化聚酯为HyPer C10、HyPer C20、HyPer C30、HyPer C40按质量比1:1:2:3混合而成。

所述磺化苯氧基环磷腈的制备方法，包括如下步骤：采用50％发烟硫酸与苯氧基环磷腈放入装三口瓶中，三口瓶内装有机械搅拌装置、温度计和球形冷凝管，在搅拌的状态下，加热到118℃，反应7.8h后，降温至43℃，将反应混合物缓慢倒入冰水中，用氢氧化钠溶液中和至中性，再加入氯化钠盐析，得到固体粗产物，后用乙醇和水重结晶，得到磺化苯氧基环磷腈；所述发烟硫酸与苯氧基环磷腈的比例为40mL:2.7g。

所述基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物的制备方法，包括如下步骤：将2,5-双(二乙基氨基)苯基-1,3,4-二唑、双二氯甲基二甲基硅烷加入到有机溶剂中，在58℃下搅拌反应7.5小时，后旋蒸除去溶剂，接着用乙醚洗涤产物3-6次，旋蒸除去残留的乙醚，最后置于真空干燥箱93℃下干燥至恒重，得到基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物；所述2,5-双(二乙基氨基)苯基-1,3,4-二唑、双二氯甲基二甲基硅烷、有机溶剂的摩尔比为1:1:9.5；所述有机溶剂为二甲亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮按质量比1:3:5混合而成。

一种所述环保钢结构防火涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：先将各组分按重量份混合均匀，得到混合料，随后将混合料加入双螺杆挤出机中挤压挤出，后依次经冷却、粉碎、旋风分离后，用粉末筛分离出产品，粉末筛为180目，熟化2.8天，得到环保钢结构防火涂料；所述挤压挤出温度为145℃。

实施例5

一种环保钢结构防火涂料，其特征在于，是由如下按重量份计的各组分制成：基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物30份、端羧基超支化聚酯15份、磺化苯氧基环磷腈10份、聚芳恶二唑纤维粉5份、白色水泥12份、凹凸棒土5份、五氧化二磷4份、消泡剂2份、流平剂3份、分散剂1.5份；所述分散剂为六偏磷酸钠；所述消泡剂为消泡剂BYK088；所述流平剂为聚丙烯酸酯流平剂；所述白色水泥是标号为525的白色硅酸盐水泥；所述凹凸棒土的粒径为1200目；所述聚芳恶二唑纤维粉为宝德纶短纤维粉；其平均直径为4μm，长径比为45。所述端羧基超支化聚酯为HyPer C40。

所述磺化苯氧基环磷腈的制备方法，包括如下步骤：采用50％发烟硫酸与苯氧基环磷腈放入装三口瓶中，三口瓶内装有机械搅拌装置、温度计和球形冷凝管，在搅拌的状态下，加热到120℃，反应8h后，降温至45℃，将反应混合物缓慢倒入冰水中，用氢氧化钠溶液中和至中性，再加入氯化钠盐析，得到固体粗产物，后用乙醇和水重结晶，得到磺化苯氧基环磷腈；所述发烟硫酸与苯氧基环磷腈的比例为40mL:3g。

所述基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物的制备方法，包括如下步骤：将2,5-双(二乙基氨基)苯基-1,3,4-二唑、双二氯甲基二甲基硅烷加入到有机溶剂中，在60℃下搅拌反应8小时，后旋蒸除去溶剂，接着用乙醚洗涤产物6次，旋蒸除去残留的乙醚，最后置于真空干燥箱85-95℃下干燥至恒重，得到基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物；所述2,5-双(二乙基氨基)苯基-1,3,4-二唑、双二氯甲基二甲基硅烷、有机溶剂的摩尔比为1:1:10；所述有机溶剂为二甲亚砜。

一种所述环保钢结构防火涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：先将各组分按重量份混合均匀，得到混合料，随后将混合料加入双螺杆挤出机中挤压挤出，后依次经冷却、粉碎、旋风分离后，用粉末筛分离出产品，粉末筛为200目，熟化3天，得到环保钢结构防火涂料；所述挤压挤出温度为150℃。

对比例1

本例提供一种环保钢结构防火涂料，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是没有添加基于恶二唑硅烷基离子型成膜聚合物。

对比例2

本例提供一种环保钢结构防火涂料，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是没有添加端羧基超支化聚酯。

对比例3

本例提供一种环保钢结构防火涂料，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是用磺化苯氧基环磷腈代替苯氧基环磷腈。

对比例4

本例提供一种环保钢结构防火涂料，其配方和制备方法与实施例1基本相同，不同的是没有添加聚芳恶二唑纤维粉。

对上述实施例1-5以及对比例1-4所得环保钢结构防火涂料进行相关性能测试，测试结果见表1，测试方法参见GB14907-2002。

表1实施例及对比例环保钢结构防火涂料性能

从表1可以看出，本发明实施例公开的环保钢结构防火涂料较对比例产品具有更好的耐火、耐湿热和耐盐雾腐蚀性能，且其粘结强度和抗压强度更高，这是各组分协同作用的结果。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。