酚醛改性丙烯酸树脂饰面型防火涂料

  0·引言
    饰面型防火涂料涂覆于可燃基材表面,平时可起到一定的装饰作用,一旦火灾发生,则能够阻止火势蔓延,达到保护基材、使人们有足够的时间离开火场和组织抢救的目的[1]。自20世纪60年代以来,饰面型防火涂料在国外已经得到广泛应用,我国自70年代开始研发,目前也已得到广泛应用和推广[2]。目前,饰面型防火涂料大多为膨胀型防火涂料,其研发基本还是建立在对P-C-N阻燃体系的改性研究上,通过添加不同配比的聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺等来优化防火涂料性能。酚醛树脂具有优异的机械性、耐热性、耐烧蚀性、电绝缘性、尺寸稳定性、成型加工性以及阻燃性,在飞机和航空领域、军事装备领域、汽车及运输业、建筑业等方面得到了广泛的应用。但是酚醛改性丙烯酸树脂在防火涂料领域的应用很少,相关研究未见文献报道。本工作以酚醛树脂为主要防火改性剂,制备了改性丙烯酸树脂防火涂料,基于正交试验对涂料配方进行了优化,并依据GB12441—2005[3]对涂料的理化性能和防火性能进行了测试,为酚醛改性丙烯酸树脂在防火涂料领域的应用奠定了一定的基础。
    1·实验部分
    1.1原料及仪器
    丙烯酸树脂:工业品,辽宁三环树脂有限公司生产;氨酚醛树脂、钡酚醛树脂:工业品,北京玻璃钢复合材料有限公司提供;硼酚醛树脂[4]:自制,B含量4%,凝胶速度70～100 s(200℃);阻燃协效剂[5-6]:自制;硅酸铝:市售工业品,廊坊市长海化工有限公司;乙酸乙酯、乙酸丁酯、无水乙醇、正丁醇:分析纯。QFZ型漆膜附着力实验仪、QCJ型漆膜冲击实验仪:天津市伟达实验机厂;模拟大板燃烧法实验装置[7]:自制。
    1.2试样的制备
    用溶剂将酚醛树脂、丙烯酸树脂分别制成50%溶液;按比例共混后加入阻燃协效剂和硅酸铝等添加剂,研磨制成浆液;将浆料涂于150 mm×150 mm×3 mm的胶合板上,涂覆量为500 g/m 2,室温干燥固化,得到防火性能待测样板;将浆料按照国标要求分别涂于一定规格的马口铁板上,室温干燥固化,得到待测样板。
    1.3性能测试
    理化性能测试:参照GB12441—2005及其他相关国家标准,分别进行了涂料在容器中的状态、干燥时间、附着力、耐冲击性及耐水性5项实验。防火性能测试:参照GB12441—2005附录A,采用模拟大板燃烧法测试,以耐燃时间评价防火性能。具体操作是将涂有改性树脂的待测样板树脂面向下水平放置,调整高度使酒精灯外焰恰好直接接触涂层,待测试件背火面出现穿火时终止试验,记录火焰接触涂层到背面穿火的时间即为耐燃时间,同时可以观察涂料发烟情况和膨胀炭化层高度。
    2·结果与讨论
    2.1酚醛树脂种类对涂料性能的影响
    分别考察了氨酚醛、钡酚醛及硼酚醛树脂3种常用酚醛树脂与丙烯酸树脂共混涂料的防火性能和理化性能,实验结果见表1。
          
    注:m(丙烯酸树脂)∶m(酚醛树脂)=50∶50。
    从表1看出,3种酚醛树脂中,以硼酚醛树脂与丙烯酸树脂的拼用效果最好,其耐燃时间明显长于其他2种共混涂料,且成膜性能良好,发烟量少,炭层膨胀明显,是防火涂料树脂基料的理想选择。 
    2.2正交试验设计及结果
    本试验选择涂料的耐燃时间作为评价指标,指标值越大防火性能越好。同时,正确选择因素和水平是试验成功的关键,根据前期预备实验的结果,分别以硼酚醛树脂、阻燃协效剂和填料在防火涂料体系中的添加量作为3个因素,每个因素取3个水平,得到因素与水平表(表2)。根据实验需要,选择用L 9(3 4)正交表来安排实验,L 9(3 4)正交试验表及其结果分析见表3。表2正交试验因素与水平表
        
    注:表中各组分的添加量按照固含量计算。
         
    表3中,T 1、T 2、T 3表示各因素在每一水平下的平均耐燃时间,据此可以从理论上计算出涂料最优配方为A 1 B 1 C 2,也就是用各因素平均耐燃时间最长的水平组合的配方。R是各列数据的极差,从表中看到,A因素的极差R A=7.666最小,说明在该实验用量范围内,A因素对耐燃时间影响不大;B因素的极差R B=8.334大小居中,说明B因素对耐燃时间有一定的影响,但其影响程度也不太大;C因素的极差R C=14.334最大,表明C因素对耐燃时间的影响程度最大。即各因素对耐燃时间的影响程度依次为C>B>A。A 1 B 1 C 2是依据正交试验结果得到的理论最优配方,还可以通过补充实验对配方进行进一步优化,比较将硼酚醛树脂和阻燃协效剂在防火涂料体系中的添加量减小后的实验效果。但是由于按照现有实验结果得到的涂料耐燃时间已经大大优于国家标准的要求,防火效果理想,考虑到降低实验成本和缩短实验周期,故未做进一步探讨。
    2.3防火涂料最优配方
    在前期预备试验的基础上,根据正交试验结果,确定了酚醛改性丙烯酸树脂饰面防火涂料的最优配方,见表4。
           
    涂料平均耐燃时间为43 min,远远超过了国家标准中耐燃15 min的要求。同时,通过与其他防火涂料耐燃时间的比较实验表明,该酚醛改性丙烯酸树脂饰面防火涂料的防火性能明显优越,说明该配方是确实可行的。
    2.4涂料理化性能和防火性能评价
    根据GB 12441—2005规定的方法检测了防火涂料的理化性能,通过模拟大板燃烧法检测了涂料的防火性能,并与国家标准所规定的指标进行了比较,实验结果见表5。

    从表5可知,酚醛改性丙烯酸树脂饰面防火涂料的各项理化性能和防火性能指标均已达到或超过国家标准的要求,附着力能够达到1级,耐冲击性40 cm,耐燃时间43 min,明显优于市场上的同类产品。该涂料施工简便,涂层粘结强度大,对底材的处理要求不高;涂层实干后,漆膜光滑透明,呈浅黄色,色泽饱满,光泽好,对木质基底具有很好的装饰效果;涂层附着力强,耐水性好,是一种综合性能优越的防火涂料,而且其原料充足,价格低廉,具有很好的开发前景。
    3·结语
    (1)几种常用酚醛树脂中,以硼酚醛树脂改性丙烯酸树脂的防火性能最佳,耐燃时间20 min。(2)各因素对耐燃时间的影响程度为:硅酸铝>阻燃协效剂>酚醛树脂。(3)涂料各组分最佳用量为:硼酚醛树脂34%、丙烯酸树脂42%、阻燃协效剂10%、硅酸铝14%。(4)涂料的各项理化性能指标均已达到或超过国家标准的要求,附着力达到1级,耐冲击性40 cm,耐燃时间43 min。