0引言
在建筑装饰装修过程中大量采用易燃和可燃材料容易引
发火灾事故。防火涂料是指涂覆在物体表面，阻止或延缓火焰在材料中蔓延的一类涂料[1]。按分散介质可将其分为溶剂型和水性2类，水性防火涂料是以水作为分散介质，用水性树脂
或乳液聚合物做基料，具有无毒、环保的优势[2]。丙烯酸乳液
是最常用的水性涂料基料，研究发现，添加5%脲醛树脂可使丙烯酸乳液涂料的耐火时间延长45%[3]。添加适量的可膨胀石墨，当涂层厚度为3.0mm 时，丙烯酸乳液防火涂料的耐火极限可达1.0h [4]。空心玻璃微珠是近年来发展起来的一种新型粉体材料，粒度介于10～250μm ，堆积密度为0.1～0.3g/cm 3，具有轻质和隔热等优点。本文利用机械搅拌法制备空心玻璃微珠丙烯酸乳液防火涂料，研究了空心玻璃微珠用量、空心玻璃微珠粒径和聚磷酸铵等因素对涂料表面火焰传播特性的影响。
1实验
1.1原材料
收稿日期：2009-11-12
作者简介：陈伟红，男，1974年生，河南渑池人，硕士，副教授，主要从事消防燃烧学的教学和科研工作。
空心玻璃微珠改性丙烯酸乳液
防火涂料防火性能研究
陈伟红，周亮，杨迎，伍建荣
（中国人民武装警察部队学院消防工程系，河北廊坊065000）
摘要：用机械搅拌法制备了空心玻璃微珠丙烯酸乳液防火涂料，利用隧道燃烧法测试了防火性能，对比了空心玻璃微珠用量对
膨胀型和非膨胀型丙烯酸乳液涂料防火性能和火焰传播特性的影响。结果表明，
随空心玻璃微珠用量增加，非膨胀型丙烯酸乳液涂料的防火性能呈先增强后降低的趋势，当用量为6%时，火焰传播长度和背火面温度较未添加的涂料分别下降约30%和15%。对膨胀型丙烯酸乳液防火涂料而言，空心玻璃微珠会抑制涂料中阻燃膨胀元素发挥作用，当空心玻璃微珠用量超过4%时，由于膨胀阻燃体系的发泡作用受限，涂层开裂脱落，致使涂料的防火性能有所降低。
关键词：
空心玻璃微珠；丙烯酸乳液；防火涂料；膨胀型；非膨胀型；火焰传播特性中图分类号：TU545文献标识码：A 文章编号：1001-702X （2010）04-0062-03
Study on fireproof performance of acrylic emulsion fireproof coating modified by hollow glass microspheres
CHEN Weihong ，ZHOU Liang ，YANG Ying ，WU Jianrong
（Department of Fire Protection Engineering ，Chinese People's Armed Police Academy ，Langfang 065000，Hebei ，China ）Abstract ：
The acrylic emulsion fireproof coatings modified by hollow glass microspheres were prepared by the method of me －chanical stirring ，and the waterproof property was tested by tunnel burning method.The influences of concentration of hollow glass microspheres on the fireproof performance and the flame propagation of the intumescent type and non -intumescent type acrylic emulsion fireproof coatings were compared.The results showed that ，with the increasing of hollow glass microspheres concentration ，the fireproof performance of non-intumescent acrylic emulsion increase
d firstly ，and then decreased.The flame propagation length and the unexposed surface temperature decreased by 30%and 15%respectively with 6%hollow glass microspheres.For the intu －mescent acrylic emulsion coating ，the addition of hollow glass microspheres will suppress the function of the flame-retarded ele －ment ，and when the content of the hollow glass microspheres exceeds 4%，the fireproof performance of the coating is deteriorated ，because the expansion of coating was restrained and cracks emerged on the coating surface.
Key words ：hollow glass microspheres ；acrylic emulsion ；fireproof coating ；intumescent ；non-intumescent ；flame propagation
property
全国中文核心期刊
丙烯酸乳液、氟碳流平剂FC-54、增稠剂AT-07（丙烯酸乙酯甲基丙烯酸共聚物）、消泡剂，北京东联化
工有限公司；聚磷酸铵、三聚氰胺、，工业品，市售；空心玻璃微珠，河北省秦皇岛奥格集团，其主要性能指标及主要化学成分分别见表1和表2。
表1空心玻璃微珠的主要性能指标
表2空心玻璃微珠的主要化学成分%
基板：标准石棉板、橡树标准木、一级5层胶合板。
1.2主要仪器设备
电子天平，ES1000E－25型，沈阳电子天平有限公司；防火涂料测试仪，SDF－2型，南京市江宁区分析仪器厂。
1.3实验方法
将一定比例的空心玻璃微珠与丙烯酸乳液混合，加入一定量增稠剂、分散剂、消泡剂和氟碳流平剂，分别制得非膨胀型和膨胀型空心玻璃微珠丙烯酸乳液防火涂料（其配方分别见表3和表4，质量比）。按GB12441—2005，将涂料均匀涂覆于基材表面，在温度为（23±2）℃、相对湿度为（50±5）%条件下干燥24h，保证质量恒定（相隔24h前后2次称量的质量变化不大于0.5%）。在SDF-2型防火涂料测试仪上测试试件表面火焰长度，计算火焰传播比值（FSR），并记录背火面温度随时间的变化。
表3空心玻璃微珠非膨胀型丙烯酸乳液防火涂料配方
表4空心玻璃微珠膨胀型丙烯酸乳液防火涂料配方
2结果与讨论
2.1空心玻璃微珠用量对非膨胀型丙烯酸乳液
防火涂料防火性能的影响
2.1.1对FSR和试件背火面最高温度的影响
为考察对非膨胀型丙烯酸乳液防火涂料防火性能的影响，测试了不同空心玻璃微珠用量时，火焰传播比值FSR和试件的背火面最高温度，结果见图1。
图1空心玻璃微珠用量对火焰传播比值FSR和
背火面最高温度的影响
由图1可知，随空心玻璃微珠用量增加，FSR和背火面温度均呈先降低后升高的趋势。当用量为6%时，火焰传播长度和背火面温度较未添加之前分别下降约30%和15%，此后再增加空心玻璃微珠用量，涂料
的FSR和背火面温度反呈逐渐增大的趋势。
2.1.2对试件表面火焰传播特性的影响
为了研究试件表面的火焰传播特性，考察了空心玻璃微珠不同用量时火焰传播长度随时间的变化，结果见图2，不同用量时试件表面烧损情况见图3。
图2空心玻璃微珠用量对试件表面火焰传播特性的影响
图3空心玻璃微珠不同用量时非膨胀型丙烯酸乳液
防火涂料试件表面火焰烧损情况对比
粒度范围/μm堆积密度/（g/cm3）抗碎强度/MPa含水率/%pH值
10~1000.18~0.203~5≤0.57~9
SiO2Al2O3CaO MgO Na2O
67～72  2.0～2.56～83～413～15
丙烯酸乳液空心玻璃微珠助剂水
15~482~105~10适量xposed
丙烯酸乳液空心玻璃微珠三聚氰胺聚磷酸铵助剂水
10~450.5~4.02~85~105~105~10适量
陈伟红，等：空心玻璃微珠改性丙烯酸乳液防火涂料防火性能研究
由图2可知，空心玻璃微珠用量对试件表面火焰传播特性有显著影响。当用量为2%和10%时，火焰传播长度增长迅速，在受火105s后即达到37.5cm，之后又逐步增长到45.0 cm；而用量为6%时火焰传播长度增长缓慢，前135s基本稳定在17.5～20.0cm，之后逐步增长到最大值32.5cm。这主要是当用量过低时，防火涂料中空心玻璃微珠不能在基材表面形成完整覆盖层，隔热性能有限，受热分解速度快，表面火焰烧损严重[如图3中（b）、（c）所示]；而当微珠用量过大时，由于涂层受火后出现开裂脱落，防火隔热性能降低[如图3中（e）所示]。2.2空心玻璃微珠对膨胀型丙烯酸乳液防火涂料
防火性能的影响
文献[5]报道，当聚磷酸铵（APP）、三聚氰胺（MEL）和（PER）的质量比为10∶4∶7时，涂料受火后膨胀性能最好。为研究空心玻璃微珠对丙烯酸乳液膨胀型防火涂料防火性能的影响，固定APP、MEL和PER的质量比为10∶4∶7。表5为空心玻璃微珠不同用量时，火焰传播比值FSR和背火面最高温度。
图4和图5分别为空心玻璃微珠不同用量时，试件背火面温度和表面火焰传播长度随时间的变化曲线，图6为空心玻璃微珠不同用量时试件表面烧损情况。
表5空心玻璃微珠用量对膨胀型丙烯酸乳液涂料
防火性能的影响
图4空心玻璃微珠用量对试件背火面温度的影响
图5空心玻璃微珠用量对试件表面火焰传播特性的影响
图6空心玻璃微珠不同用量时膨胀型丙烯酸乳液
防火涂料试件表面火焰烧损情况对比
由表5、图4、图5和图6可知，对膨胀型丙烯酸乳液涂料而言，随着空心玻璃微珠用量增大，火焰传播速度、传播比值和试件背火面温度逐步升高，涂料防火性能逐渐下降。这主要是因为添加空心玻璃微珠后涂料的膨胀性能受到抑制。空心玻璃微珠的加入影响了涂层的膨胀效果，致使涂层的发泡厚度降低，且导致涂层在受火后出现开裂脱落的现象，用量越大，影响效果越显著，防火性能下降越明显。未添加空心玻璃微珠时，涂料受火后体积迅速膨胀，阻止热量向内部传递，基材热分解速度较慢，前135s内火焰
长度一直稳定在12.5cm，最大值仅为17.5cm[见图5、图6（a）]；当用量为2%时，涂料膨胀作用受限，涂层出现轻微裂纹[见图6（b）]，150s火焰长度即达25cm，防火性能下降；而当用量增至4%时，涂料几乎失去膨胀性能，涂层开裂严重[见图6（c）]，致使基材受热分解速度加快，表面火焰长度明显增加，背火面温度显著升高。
3结语
（1）添加空心玻璃微珠可改变非膨胀型丙烯酸乳液涂料的防火性能。随着空心玻璃微珠用量增加，火焰传播比值FSR 和背火面温度均呈先降低后升高的趋势。当用量为6%时，火焰传播长度和背火面温度较未添加之前分别下降约30%和15%，此后再增加空心玻璃微珠用量，涂料的火焰传播比值和背火面温度反呈逐渐增大的趋势，防火性能下降。
（2）空心玻璃微珠属于无机材料，其防火性能主要源于其物理隔热作用。当用量适宜时，空心玻璃微珠可在材料表面形成完整的覆盖层，其优异的中空隔热结构可提高涂料的防火性能。
（3）对膨胀型丙烯酸乳液涂料而言，空心玻璃微珠不但抑
（下转第71页）
玻璃微珠用量/%0  1.5  2.0  3.0  4.0
FSR54818196101
背火面最高温度/℃106110116137179
陈伟红，等：空心玻璃微珠改性丙烯酸乳液防火涂料防火性能研究
改善试样冲击性能看，4种ACR改性剂的选择顺序依次为：d，c，a，b。
在拉伸强度方面，2#试样的抗拉伸性能较差，断裂伸长率最低，低于30%，说明该加工改性剂在促进树脂熔融，赋予树脂弹性能力方面效果较差；而4#和3#试样的拉伸性能最好，说明加工改性剂作用效果突出；1#则相对差些。从改善试样拉伸性能看，4种ACR改性剂的选择顺序依次为：d，c，a，b。2.5PVC试件的耐紫外光黄变性能
加工改性剂能改善树脂熔融状态，并且有助于促进树脂熔融均匀，进而能够帮助各组分充分发挥各自的作用效果。配方中的钛白粉能够抑制光、热、氧等因素对聚氯乙烯产生老化，延长其使用寿命，而同样的配料在不同加工改性剂作用下的耐紫外光黄变性能却有很大差异。表9为分别采用4种ACR改性剂制备的PVC试件经紫外光辐照前后的白度。
表9PVC试件的耐紫外光黄变性能
由表9可以看出，各试样原始白度顺序为4#>2#>3#>1#，紫外光辐照24h后白度顺序为4#>3#>1#>2#，辐照前后白度变化率由大到小依次为2#>1#>3#>4#。4#紫外光辐照前后的白度变化率为9.05%，耐紫外光黄变性能相对最好；而1#、2#和3#试样的白度变化率接近30%，说明不同加工改性剂在树脂耐紫外光黄变性能方面所发挥的作用差异很大。从耐紫外光黄变性能来看，4种ACR改性剂的选择顺序依次为：d，c，a，b。
3结语
（1）不同厂家的加工改性剂使用效果不同。从物理性能、挤出性能、塑炼性能、力学性能、耐老化性等指标综合考核和筛选加工改性剂，为生产厂家合理选择和使用加工改性剂提供了依据。
（2）市售的4种国产ACR加工改性剂经比较分析，综合考核，ACR加工改性剂d的改性剂塑化效果、耐紫外光黄变性等综合性能最好；ACR加工改性剂a的综合性能较好，比较稳定，适合对产品质量稳定性有较高要求的工厂使用；ACR 加工改性剂c的作用效果一般；ACR加工改性剂b的综合性能较差，建议不用。
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蒉
样品编号老化前白度/%老化后白度/%白度变化率/%
1# 2# 3# 4#71.2
72.9
72.7
74.0
51.0
50.7
53.0
67.3
28.37
30.45
27.10
9.05
（上接第64页）
制涂料中阻燃膨胀元素发挥作用，而且引起涂层开裂，使涂料防火性能下降。空心玻璃微珠用量越大，对涂料的膨胀性能抑制越明显。采用适当的改性剂对其表面进行处理，提高其与膨胀型涂料的相容性是今后研究的方向。
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