一种水性膨胀型钢结构防火涂料及其制备工艺

技术领域

本发明涉及钢结构防火涂料生产工艺技术领域，具体涉及一种水性膨胀型钢结构防火涂料及其制备工艺。

背景技术

由于钢结构具有强度高、自重轻、延伸性好、抗震性强、施工周期短和建筑成本低等特点，在公共娱乐场所、体育馆、候机厅、展览馆、电视塔、商贸大厦、大型工业厂房等大跨度建筑物和超高层建筑物、电缆桥架等工程中广泛采用。但是普通钢材在大气和水环境中很快锈蚀，在火灾中受热15min便达到耐火极限，就会弯曲变形坍塌，失去承载能力。因此，在工程上钢结构都应采取必要的防护处理，不发生火灾时能抗拒大气和水环境的侵蚀，受火时能发挥防火作用，以避免金属腐蚀和火灾带来的经济损失以及人员伤亡事故的发生。

目前，市售的钢结构防火涂料品种很多但同时兼具防火和防腐双重功能的不多，因此，研究开发涂层薄、耐火极限高，同时具有长期耐候性、耐磨性、耐冲击性、重防腐蚀性等高性能，并且无毒、无环境污染的膨胀型钢结构防火防腐涂料，将是钢结构防火涂料研究领域的一个重大突破，对创建节约型社会具有十分重要的经济价值和社会意义。

发明内容

解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种水性膨胀型钢结构防火涂料及其制备工艺，旨在能够通过防火涂料来提高钢结构的耐火、耐磨和防腐蚀性能。

技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种水性膨胀型钢结构防火涂料，所述水性膨胀型钢结构防火涂料按重量份计包括：45-50份改性环氧丙烯酸酯乳液、60-65份无机辅助溶液、15-18份醋酸丁酯、38-40份膨胀阻燃组分、15-18份阻锈组分、8-9份二氧化钛、2-3份空心玻璃微珠、2-3份可膨胀石墨、1-2份氢氧化铝和15-18份纯水。

更进一步地，所述改性环氧丙烯酸酯乳液的制备方法包括以下步骤：

步骤1、称取22-25重量份烷基酚聚氧乙烯醚和10-13重量份十二烷基硫酸钠倒入烧杯内，接着加入质量为其总量9倍的纯水，并加热至完全溶解，所得即为复合乳化剂溶液；

步骤2、称取8-10重量份过硫酸钠与30重量份纯水混合，搅拌至溶解，所得即为引发剂溶液；

步骤3、称取28-30重量份丙烯酸类单体、62-68重量份环氧树脂和45-50重量份三甲氧基硅烷进行混合，所得即为混合单体；

步骤4、将1/2复合乳化剂溶液倒入配有搅拌器及回流冷凝管的四口烧瓶内，边搅拌边缓慢滴加混合单体，滴加结束后维持搅拌30min制得预乳液，倒出备用；

步骤5、将1/10预乳液、剩余的1/2复合乳化剂溶液和7-9重量份碳酸氢钠倒入配有电动搅拌器、温度计、回流冷凝管和恒压滴液漏斗的四口烧瓶内，然后将四口烧瓶置于恒温水浴锅中缓慢加热并持续搅拌，当温度升高至50℃时，通过恒压滴液漏斗匀速滴加1/2引发剂溶液，接着继续升温至80℃，待体系反应有蓝相出现；

步骤6、将步骤5中出现蓝相的状态维持30min，在2-3h内通过恒压滴液漏斗将剩余9/10的预乳液缓慢滴加于反应体系中，在这期间同时将剩余的1/2引发剂溶液以10min/次的频次加入至反应体系中，全部滴加完毕后维持状态1h，接着冷却降温至40℃，并且加入氨水调节pH值至7-8之间；

步骤7、用100目筛子对步骤6中的体系进行过滤，所得即为改性环氧丙烯酸酯乳液。

更进一步地，所述步骤2中的加热温度为35-40℃，且步骤1和步骤2中的搅拌速度为400-600r/min。

更进一步地，所述步骤4和步骤6中的滴速为1滴/s。

更进一步地，所述无机辅助溶液的制备方法包括以下步骤：

步骤a、称取10-12重量份乳胶粉、6-7重量份玻璃粉、15-16重量份氢氧化镁、5-6重量份碳酸镁、5-6重量份碳酸钙和40-45重量份硅酸钠备用；

步骤b、将步骤a中的固相组分倒入球磨仪中研磨干混5min，然后将步骤a中的液相组分、1-2重量份磷酸三丁酯和适量纯水倒入球磨仪中研磨湿混10min；

步骤c、将步骤b中干混和湿混的组分进行混合后，加入纯水定量至100重量份后，在22-30KHz的频率下超声分散10min，所得即为无机辅助溶液。

更进一步地，所述步骤a中的乳胶粉为可再分散乳胶粉，且步骤a中的玻璃粉为低熔点玻璃粉。

更进一步地，所述步骤a中的硅酸钠为等质量比的固体硅酸钠和液体硅酸钠。

一种水性膨胀型钢结构防火涂料的制备工艺，所述工艺包括以下步骤；

Step1、称取上述重量份的改性环氧丙烯酸酯乳液和无机辅助溶液进行混合，混合均匀后倒入三口烧瓶内，并加入醋酸丁酯，在搅拌的条件下不断加热蒸发，直至体积降至原来的一半，所得即为杂化混合物；

Step2、称取上述重量份的膨胀阻燃组分、阻锈组分、二氧化钛、空心玻璃微珠、可膨胀石墨、氢氧化铝和纯水备用；

Step3、将Step2中的固体组分倒入球磨仪中研磨干混30min，接着将研磨干混后的粉末与Step1和Step2中的液体组分进行混合，混合后以1500-2000r/min的转速搅拌均匀，所得即为水性膨胀型钢结构防火涂料。

更进一步地，所述Step2中的膨胀阻燃组分的制备方法为：按照9：13：22的质量比称取季戊四醇、三聚氰胺和聚磷酸铵倒入球磨仪中研磨，研磨后搅拌混合，混合均匀后所得即为膨胀阻燃组分。

更进一步地，所述Step2中的阻锈组分为亚硝酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和三聚磷酸铝中的一种或多种。

有益效果

本发明提供了一种水性膨胀型钢结构防火涂料及其制备工艺，与现有公知技术相比，本发明的具有如下有益效果：

本发明以丙烯酸类单体、环氧树脂和三甲氧基硅烷为原料制得有机硅改性的环氧丙烯酸酯溶液，能够使其三甲氧基硅烷的双键与丙烯酸类单体中碳碳双键发生共聚合反应，从而使丙烯酸类单体、环氧树脂和三甲氧基硅烷进行接枝共聚，使制得的环氧丙烯酸酯溶液的阻燃性能更加稳定；其次，通过使有机的环氧丙烯酸酯溶液与无机辅助溶液进行杂化，能够通过无机辅助溶液中的乳胶粉和玻璃粉改善环氧丙烯酸酯溶液易老化的性能，而且通过杂化的方式能够降低基料乳液中有机物质的含量，从而降低防火时产生的烟雾和有毒气体量，进而提高水性膨胀型钢结构防火涂料的理化性能和耐火性能；最后，通过阻锈组分的加入能够提高水性膨胀型钢结构防火涂料的耐腐蚀性能。

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作出创造性劳动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：

本实施例的一种水性膨胀型钢结构防火涂料，水性膨胀型钢结构防火涂料按重量份计包括：45份改性环氧丙烯酸酯乳液、60份无机辅助溶液、15份醋酸丁酯、38份膨胀阻燃组分、15份阻锈组分、8份二氧化钛、2份空心玻璃微珠、2份可膨胀石墨、1份氢氧化铝和15份纯水。

改性环氧丙烯酸酯乳液的制备方法包括以下步骤：

步骤1、称取22重量份烷基酚聚氧乙烯醚和10重量份十二烷基硫酸钠倒入烧杯内，接着加入质量为其总量9倍的纯水，并加热至完全溶解，所得即为复合乳化剂溶液；

步骤2、称取8重量份过硫酸钠与30重量份纯水混合，搅拌至溶解，所得即为引发剂溶液；

步骤3、称取28重量份丙烯酸类单体、62重量份环氧树脂和45重量份三甲氧基硅烷进行混合，所得即为混合单体；

步骤4、将1/2复合乳化剂溶液倒入配有搅拌器及回流冷凝管的四口烧瓶内，边搅拌边缓慢滴加混合单体，滴加结束后维持搅拌30min制得预乳液，倒出备用；

步骤5、将1/10预乳液、剩余的1/2复合乳化剂溶液和7重量份碳酸氢钠倒入配有电动搅拌器、温度计、回流冷凝管和恒压滴液漏斗的四口烧瓶内，然后将四口烧瓶置于恒温水浴锅中缓慢加热并持续搅拌，当温度升高至50℃时，通过恒压滴液漏斗匀速滴加1/2引发剂溶液，接着继续升温至80℃，待体系反应有蓝相出现；

步骤6、将步骤5中出现蓝相的状态维持30min，在2h内通过恒压滴液漏斗将剩余9/10的预乳液缓慢滴加于反应体系中，在这期间同时将剩余的1/2引发剂溶液以10min/次的频次加入至反应体系中，全部滴加完毕后维持状态1h，接着冷却降温至40℃，并且加入氨水调节pH值至7之间；

步骤7、用100目筛子对步骤6中的体系进行过滤，所得即为改性环氧丙烯酸酯乳液。

步骤2中的加热温度为35℃，且步骤1和步骤2中的搅拌速度为400r/min。

步骤4和步骤6中的滴速为1滴/s。

无机辅助溶液的制备方法包括以下步骤：

步骤a、称取10重量份乳胶粉、6重量份玻璃粉、15重量份氢氧化镁、5重量份碳酸镁、5重量份碳酸钙和40重量份硅酸钠备用；

步骤b、将步骤a中的固相组分倒入球磨仪中研磨干混5min，然后将步骤a中的液相组分、1重量份磷酸三丁酯和适量纯水倒入球磨仪中研磨湿混10min；

步骤c、将步骤b中干混和湿混的组分进行混合后，加入纯水定量至100重量份后，在22KHz的频率下超声分散10min，所得即为无机辅助溶液。

步骤a中的乳胶粉为可再分散乳胶粉，且步骤a中的玻璃粉为低熔点玻璃粉。

步骤a中的硅酸钠为等质量比的固体硅酸钠和液体硅酸钠。

一种水性膨胀型钢结构防火涂料的制备工艺，工艺包括以下步骤；

Step1、称取上述重量份的改性环氧丙烯酸酯乳液和无机辅助溶液进行混合，混合均匀后倒入三口烧瓶内，并加入醋酸丁酯，在搅拌的条件下不断加热蒸发，直至体积降至原来的一半，所得即为杂化混合物；

Step2、称取上述重量份的膨胀阻燃组分、阻锈组分、二氧化钛、空心玻璃微珠、可膨胀石墨、氢氧化铝和纯水备用；

Step3、将Step2中的固体组分倒入球磨仪中研磨干混30min，接着将研磨干混后的粉末与Step1和Step2中的液体组分进行混合，混合后以1500r/min的转速搅拌均匀，所得即为水性膨胀型钢结构防火涂料。

Step2中的膨胀阻燃组分的制备方法为：按照9：13：22的质量比称取季戊四醇、三聚氰胺和聚磷酸铵倒入球磨仪中研磨，研磨后搅拌混合，混合均匀后所得即为膨胀阻燃组分。

Step2中的阻锈组分为亚硝酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和三聚磷酸铝中的一种或多种。

实施例2：

本实施例的一种水性膨胀型钢结构防火涂料，水性膨胀型钢结构防火涂料按重量份计包括：50份改性环氧丙烯酸酯乳液、65份无机辅助溶液、18份醋酸丁酯、40份膨胀阻燃组分、18份阻锈组分、9份二氧化钛、3份空心玻璃微珠、3份可膨胀石墨、2份氢氧化铝和18份纯水。

改性环氧丙烯酸酯乳液的制备方法包括以下步骤：

步骤1、称取25重量份烷基酚聚氧乙烯醚和13重量份十二烷基硫酸钠倒入烧杯内，接着加入质量为其总量9倍的纯水，并加热至完全溶解，所得即为复合乳化剂溶液；

步骤2、称取10重量份过硫酸钠与30重量份纯水混合，搅拌至溶解，所得即为引发剂溶液；

步骤3、称取30重量份丙烯酸类单体、68重量份环氧树脂和50重量份三甲氧基硅烷进行混合，所得即为混合单体；

步骤4、将1/2复合乳化剂溶液倒入配有搅拌器及回流冷凝管的四口烧瓶内，边搅拌边缓慢滴加混合单体，滴加结束后维持搅拌30min制得预乳液，倒出备用；

步骤5、将1/10预乳液、剩余的1/2复合乳化剂溶液和9重量份碳酸氢钠倒入配有电动搅拌器、温度计、回流冷凝管和恒压滴液漏斗的四口烧瓶内，然后将四口烧瓶置于恒温水浴锅中缓慢加热并持续搅拌，当温度升高至50℃时，通过恒压滴液漏斗匀速滴加1/2引发剂溶液，接着继续升温至80℃，待体系反应有蓝相出现；

步骤6、将步骤5中出现蓝相的状态维持30min，在3h内通过恒压滴液漏斗将剩余9/10的预乳液缓慢滴加于反应体系中，在这期间同时将剩余的1/2引发剂溶液以10min/次的频次加入至反应体系中，全部滴加完毕后维持状态1h，接着冷却降温至40℃，并且加入氨水调节pH值至8之间；

步骤7、用100目筛子对步骤6中的体系进行过滤，所得即为改性环氧丙烯酸酯乳液。

步骤2中的加热温度为40℃，且步骤1和步骤2中的搅拌速度为600r/min。

步骤4和步骤6中的滴速为1滴/s。

无机辅助溶液的制备方法包括以下步骤：

步骤a、称取12重量份乳胶粉、7重量份玻璃粉、16重量份氢氧化镁、6重量份碳酸镁、6重量份碳酸钙和45重量份硅酸钠备用；

步骤b、将步骤a中的固相组分倒入球磨仪中研磨干混5min，然后将步骤a中的液相组分、2重量份磷酸三丁酯和适量纯水倒入球磨仪中研磨湿混10min；

步骤c、将步骤b中干混和湿混的组分进行混合后，加入纯水定量至100重量份后，在30KHz的频率下超声分散10min，所得即为无机辅助溶液。

步骤a中的乳胶粉为可再分散乳胶粉，且步骤a中的玻璃粉为低熔点玻璃粉。

步骤a中的硅酸钠为等质量比的固体硅酸钠和液体硅酸钠。

一种水性膨胀型钢结构防火涂料的制备工艺，工艺包括以下步骤；

Step1、称取上述重量份的改性环氧丙烯酸酯乳液和无机辅助溶液进行混合，混合均匀后倒入三口烧瓶内，并加入醋酸丁酯，在搅拌的条件下不断加热蒸发，直至体积降至原来的一半，所得即为杂化混合物；

Step2、称取上述重量份的膨胀阻燃组分、阻锈组分、二氧化钛、空心玻璃微珠、可膨胀石墨、氢氧化铝和纯水备用；

Step3、将Step2中的固体组分倒入球磨仪中研磨干混30min，接着将研磨干混后的粉末与Step1和Step2中的液体组分进行混合，混合后以2000r/min的转速搅拌均匀，所得即为水性膨胀型钢结构防火涂料。

Step2中的膨胀阻燃组分的制备方法为：按照9：13：22的质量比称取季戊四醇、三聚氰胺和聚磷酸铵倒入球磨仪中研磨，研磨后搅拌混合，混合均匀后所得即为膨胀阻燃组分。

Step2中的阻锈组分为亚硝酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和三聚磷酸铝中的一种或多种。

实施例3：

本实施例的一种水性膨胀型钢结构防火涂料，水性膨胀型钢结构防火涂料按重量份计包括：48份改性环氧丙烯酸酯乳液、63份无机辅助溶液、17份醋酸丁酯、39份膨胀阻燃组分、16份阻锈组分、9份二氧化钛、2份空心玻璃微珠、2份可膨胀石墨、2份氢氧化铝和17份纯水。

改性环氧丙烯酸酯乳液的制备方法包括以下步骤：

步骤1、称取24重量份烷基酚聚氧乙烯醚和12重量份十二烷基硫酸钠倒入烧杯内，接着加入质量为其总量9倍的纯水，并加热至完全溶解，所得即为复合乳化剂溶液；

步骤2、称取9重量份过硫酸钠与30重量份纯水混合，搅拌至溶解，所得即为引发剂溶液；

步骤3、称取29重量份丙烯酸类单体、65重量份环氧树脂和48重量份三甲氧基硅烷进行混合，所得即为混合单体；

步骤4、将1/2复合乳化剂溶液倒入配有搅拌器及回流冷凝管的四口烧瓶内，边搅拌边缓慢滴加混合单体，滴加结束后维持搅拌30min制得预乳液，倒出备用；

步骤5、将1/10预乳液、剩余的1/2复合乳化剂溶液和8重量份碳酸氢钠倒入配有电动搅拌器、温度计、回流冷凝管和恒压滴液漏斗的四口烧瓶内，然后将四口烧瓶置于恒温水浴锅中缓慢加热并持续搅拌，当温度升高至50℃时，通过恒压滴液漏斗匀速滴加1/2引发剂溶液，接着继续升温至80℃，待体系反应有蓝相出现；

步骤6、将步骤5中出现蓝相的状态维持30min，在3h内通过恒压滴液漏斗将剩余9/10的预乳液缓慢滴加于反应体系中，在这期间同时将剩余的1/2引发剂溶液以10min/次的频次加入至反应体系中，全部滴加完毕后维持状态1h，接着冷却降温至40℃，并且加入氨水调节pH值至8之间；

步骤7、用100目筛子对步骤6中的体系进行过滤，所得即为改性环氧丙烯酸酯乳液。

步骤2中的加热温度为37℃，且步骤1和步骤2中的搅拌速度为500r/min。

步骤4和步骤6中的滴速为1滴/s。

无机辅助溶液的制备方法包括以下步骤：

步骤a、称取11重量份乳胶粉、7重量份玻璃粉、16重量份氢氧化镁、6重量份碳酸镁、5重量份碳酸钙和43重量份硅酸钠备用；

步骤b、将步骤a中的固相组分倒入球磨仪中研磨干混5min，然后将步骤a中的液相组分、2重量份磷酸三丁酯和适量纯水倒入球磨仪中研磨湿混10min；

步骤c、将步骤b中干混和湿混的组分进行混合后，加入纯水定量至100重量份后，在25KHz的频率下超声分散10min，所得即为无机辅助溶液。

步骤a中的乳胶粉为可再分散乳胶粉，且步骤a中的玻璃粉为低熔点玻璃粉。

步骤a中的硅酸钠为等质量比的固体硅酸钠和液体硅酸钠。

一种水性膨胀型钢结构防火涂料的制备工艺，工艺包括以下步骤；

Step1、称取上述重量份的改性环氧丙烯酸酯乳液和无机辅助溶液进行混合，混合均匀后倒入三口烧瓶内，并加入醋酸丁酯，在搅拌的条件下不断加热蒸发，直至体积降至原来的一半，所得即为杂化混合物；

Step2、称取上述重量份的膨胀阻燃组分、阻锈组分、二氧化钛、空心玻璃微珠、可膨胀石墨、氢氧化铝和纯水备用；

Step3、将Step2中的固体组分倒入球磨仪中研磨干混30min，接着将研磨干混后的粉末与Step1和Step2中的液体组分进行混合，混合后以1800r/min的转速搅拌均匀，所得即为水性膨胀型钢结构防火涂料。

Step2中的膨胀阻燃组分的制备方法为：按照9：13：22的质量比称取季戊四醇、三聚氰胺和聚磷酸铵倒入球磨仪中研磨，研磨后搅拌混合，混合均匀后所得即为膨胀阻燃组分。

Step2中的阻锈组分为亚硝酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和三聚磷酸铝中的一种或多种。

性能测试

将实施例1-3所得的水性膨胀型钢结构防火涂料标记为实施例1、实施例2、实施例3，将市面上普通的膨胀型防火涂料为对比例，分别对其多项性能进行检测，检测结果记录如下表：

通过上表的数据显示可知，本实施例1-3制得的水性膨胀型钢结构防火涂料粘结强度和拉伸强度明显高于市面上普通的膨胀型防火涂料，而且耐火时间更长，在500℃、90min的条件下烧蚀后质量残留率更高，本发明制得的水性膨胀型钢结构防火涂料性能明显高于市面上普通的膨胀型防火涂料，具有更好的阻燃性能，因此具有极佳的市场推广价值。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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。