一种环保水性发光防火涂料的研究

刘惠平，朱　鹏，刘章蕊，周　波
（上海应用技术学院城市建设与安全工程学院，上海　２０１４１８）

防火涂料是指涂敷于建筑物及构筑物表面以降低被涂材料的可燃性、阻滞火灾迅速蔓延、提高被涂材料耐火极限的一种特种涂料。根据使用溶剂的不同，防火涂料可分为溶剂型防火涂料和水性防火涂料。溶剂型防火涂料涂膜质量较好，具有优异的耐候性及耐化学性、高光泽和耐磨性，但其价格高、制备和使用过程中大量的溶剂挥发对人体和环境均有害［１－２］。水性防火涂料则克服了溶剂型防火涂料的缺点，有利于环保和施工人员的健康与安全，在国内外涂料领域中越来越受重视，已成为防火涂料发展的一个重要方向［３－６］。如今，在水性涂料基础上发展起来的水性蓄能发光涂料以其安全环保、吸光发光、节能无耗、循环长效而倍受欢迎，其涂膜在太阳光或灯光的照射下，能将光能吸收并贮存起来，在黑暗处，又将贮存的能量以光能的形式缓慢地释放出来。虽然其余辉亮度随时间的延长而递减，但在一定条件下其可视亮度能持续十多个小时，且无放射性物质，并具有低（或零）ＶＯＣ排放量［７－１０］。该涂料可广泛应用于建筑物、人造景观、安全通道标志、特殊领域发光标志、文化艺术品的涂饰、交通及军事设施等，既有装饰美化功能又有安全警示作用，还有低度照明作用，既美化环境、方便生活，又节省电能，且无能耗。
虽然目前国内外对水性防火涂料和水性储能发光涂料有一定的研究，但将涂料的防火阻燃性能和发光性能同时进行的研究还鲜见报道。本文以自制的水性乳液为成膜物质，研制了一种具有光致发光功能的新型发光防火涂料，该涂料既具有较好的防火性能，又具有一定的光致发光功能，使用前景十分广阔。

１　实验部分
１．１　实验试剂
甲基丙烯酸甲酯（ＭＭＡ），丙烯酸丁酯（ＢＡ），甲基丙烯酸（ＭＡＡ），苯乙烯（Ｓｔ），十二烷基硫酸钠（ＳＤＳ），非离子型乳化剂ＯＰ－１０，过硫酸钾（ＫＰＳ），异丙醇，聚磷酸铵（ＡＰＰ），三聚氰胺（ＭＥＬ），季戊四醇（ＰＥＲ），钛白粉，氧化锌，市售发光粉。
１．２　乳液的合成
采用梯度乳液聚合法制备具有核／壳结构的水性丙烯酸酯乳液［１１］，实验配方见表１。
表１　乳液合成配方

乳液合成步骤为：（１）先将乳化剂、表面活性剂和水在机械搅拌状态下搅拌３０　ｍｉｎ至充分乳化，分成３份，然后将单体在搅拌条件下滴加到１份乳化液中，继续搅拌乳化１　ｈ，得到单体预乳化液１＃。单体乳化液２＃ 以相同步骤制备。（２）在装有温度计、加热控温仪、恒压滴液漏斗、搅拌器、冷凝管的５００　ｍＬ四口烧瓶中于高速搅拌状态下（５００　ｒ／ｍｉｎ）依次加入剩余１份含有ｐＨ缓冲剂的乳化液３＃、１／２核单体预乳化液１＃和１／３引发剂水溶液４＃，此过程温度控制在４０℃。混合均匀后，将转速调到中速（２５０　ｒ／ｍｉｎ），然后升温至７０℃左右使之聚合。当出现蓝色荧光（意味着种子的产生）后，用两个滴液漏斗分别同步、缓慢滴加剩余的核单体预乳化液１＃ 及１／３引发剂水溶液４＃，滴加完毕后升温到８０℃，继续反应３０　ｍｉｎ，得到种子乳液。（３）向上述所得种子乳液中同时缓慢滴加壳单体预乳化液２＃ 及剩余１／３引发剂水溶液４＃（控温在８０℃），滴加完毕后升温至９０℃继续反应１　ｈ；（４）反应结束，降温至４０℃以下，测乳液的ｐＨ，并用氨水调节ｐＨ至７～８，过滤，得到丙烯酸酯乳液。
１．３　防火涂料的配制
将脱水催化剂、炭化剂、发泡剂、填料、助剂、水及合成的乳液按一定比例混合制备得到相应的水性防火涂料，再引入发光材料即可配制得到水性发光防火涂料。
１．４　涂料试板的制作
采用一级松木五层胶合板（长×宽×厚，３００ｍｍ×１５０ｍｍ×（５±０．２）ｍｍ），将涂料分三次涂刷在试板上（涂料总量达５００ｇ／ｍ２，涂层厚度为０．２～０．４ｍｍ），室温干燥２４ｈ，得到防火涂料试板，待测。
１．５　防火性能测试
１．５．１　小室燃烧法
参照ＧＢ　１５４４２．１－１９９５饰面型防火涂料防火性能分级及试验方法，利用ＸＳＦ－０１型４５度燃烧仪测定防火涂料的防火阻燃效果。
１．５．２　模拟大板燃烧法
参照ＧＢ／Ｔ　１５４４２．２－１９９５饰面型防火涂料防火性能分级及试验方法（即模拟大板燃烧法），采用酒精喷灯燃烧法对防火涂料的防火性能进行考察。将试板固定在铁架台上，用酒精喷灯对试板涂有防火涂料的一面进行灼烧（喷灯喷嘴距离试板５ｃｍ），当试板背面变黑出现裂痕时停止灼烧，记录时间（即耐燃时间）。
１．６　发光性能测试
以普通日光灯为照射光源，利用ＭＳ　６６１０数字式照度计测试发光涂料的光照度。
２　结果与分析
２．１　不同配方对合成乳液成膜性能的影响
单体的比例差异对乳胶膜的硬度和乳液的低成膜温度有显著影响［１２］。如何使乳胶膜具有一定的硬度和足够的成膜温度，是乳液配方设计的关键问题。本文以ＭＭＡ 和ＢＡ 为主要单体，
ＭＡＡ和Ｓｔ为功能性单体，在单体总用量相同的条件下，用不同种类及不同比例的单体为核（壳）单体合成水性丙烯酸酯乳液，所得结果列于表２。由表２结果可见，核（壳）单体及功能性单体的选择对合成乳液的成膜性能有较大的影响。以４０ｇＭＭＡ（硬单体）为壳单体，６０ｇ　ＢＡ（软单体）为核单体，合成的乳液具有良好的成膜性能，所成的膜具有一定的硬度，但黏性不强。反之，若以４０ｇＭＭＡ（硬单体）为核单体，６０ｇ　ＢＡ（软单体）为壳单体，合成乳液也具有良好的成膜性能，所成的膜黏性较强，但硬度较差。当在４０ｇ　ＭＭＡ（壳单体）＋５０ｇ　ＢＡ（核单体）体系中添加１０ｇ　ＭＡＡ作为核单体时，在乳液的合成过程中得不到种子乳液，终也不能合成丙烯酸酯乳液，所得的混合物静置后产生大量的沉淀。在４０ｇ　ＢＡ（壳单体）＋５０ｇ　ＭＭＡ（核单体）体系中添加１０ｇ　Ｓｔ作为功能性单体时，后能合成得到乳白偏蓝相的乳液，但该乳液成膜很硬，且易开裂。而在６０ｇ　ＢＡ（壳单体）＋３５ｇ　ＭＭＡ（核单体）体系中添加５ｇＭＡＡ作为功能性单体时，能合成乳白偏蓝相的乳液，该乳液成膜性能良好，在玻璃片上所成的膜光滑平整，具有一定的黏性和硬度。
表２　不同核／壳单体对合成乳液的影响