改性聚合物水泥基常温发泡防火涂料的制备与性能研究

作者单位：长沙民德消防工程涂料有限公司，湖南 长沙 410000

作者：胡民范

摘要：针对传统水泥基防火涂料脆性大、抗裂性差、发泡稳定性不足及环保性欠佳的技术瓶颈，提出一种有机硅-丙烯酸酯复合改性的双组分常温发泡防火涂料。通过有机硅-丙烯酸酯乳液共聚 构建弹性互穿网络，双组分功能分离设计优化储存与发泡协同性，常温物理发泡技术降低能耗，无卤阻燃体系提升环保性能。系统研究了复合乳液配比、发泡剂用量、阻燃填料复配比例对涂料力学性能、防火性能及环保性能的影响。结果表明：当有机硅单体占共聚单体总量的15%、A/B组分质量比为1:1、复合阻燃填料（APP:ATH:微胶囊化红磷=3:2:1）用量为20份时，涂料发泡倍率达25倍，泡沫半衰期≥2.2h，粘结强度0.35MPa，极限氧指数（LOI）32%，耐火极限150min，VOC 含量12g/L，各项性能均优于GB 14907-2018与GB 18582-2020标准要求。该涂料兼具优异的防火性、力学稳定性与环保性，适用于建筑钢结构、外墙保温系统等多场景，为水泥基防火涂料的高性能化与绿色化提供了新路径。

关键词：水泥基防火涂料；有机硅-丙烯酸酯复合改性；常温发泡；双组分体系；无卤阻燃；低 VOC

1 引言

1.1 研究背景与意义

随着建筑行业向高层化、大型化发展，钢结构因强度高、施工便捷等优势被广泛应用，但钢材耐火极限仅 15-30min，高温下易软化坍塌，需通过防火涂料防护延长耐火时间 ^[1]。水泥基防火涂料以硅酸盐水泥为基材，兼具耐高温、成本低廉、与基材相容性好等特点，成为建筑结构防火的主流材料之一 ^[2]。然而，传统水泥基防火涂料存在固有缺陷：单一水泥胶凝体系脆性大，温度循环或机械应力下易产生裂缝，导致防火密封性失效 ^[3]；化学发泡剂在碱性环境中易提前反应，发泡倍率低（<15 倍）、半衰期短（0min），隔热性能波动大 ^[4]；溶剂型产品 VOC 含量普遍超过 500g/L，含卤阻燃剂高温分解释放有毒气体，不符合绿色建筑环保要求 ^[5]；单组分体系施工受温度限制，低温环境下固化缓慢，工程效率低下 ^[6]。

近年来，国内外学者针对上述问题开展大量研究：Zhang 等 ^[7] 采用丙烯酸酯乳液改性水泥基涂料，柔韧性提升但耐热性不足；Li 等 ^[8] 通过有机硅改性优化耐高温性能，但成膜性差、成本较高；Wang 等 ^[9] 开发单组分物理发泡涂料，储存期不足 3 个月，难以满足工程应用需求。现有改进方案多聚焦单一性能优化，未能实现 “抗裂 – 发泡稳定 – 防火 – 环保” 的协同提升 ^[10]。因此，开发兼具优异力学性能、发泡稳定性、防火性能与环保性能的水泥基防火涂料，对推动建筑防火材料升级、保障建筑消防安全具有重要理论与工程意义。

1.2 研究目标与技术路线

本研究以长沙民德消防工程涂料有限公司技术需求为导向，提出 “分子改性 – 体系优化 – 工艺革新 – 配方升级” 四位一体技术方案，旨在解决传统水泥基防火涂料的核心缺陷。研究目标包括：（1）通过有机硅 – 丙烯酸酯复合改性构建弹性互穿网络，提升涂层抗裂性与粘结强度；（2）设计双组分功能分离体系，解决发泡剂活性与储存稳定性的矛盾；（3）优化常温物理发泡工艺，实现高发泡倍率与长泡沫半衰期；（4）构建无卤低 VOC 配方体系，满足绿色建筑环保要求。

技术路线如下：首先筛选有机硅单体与丙烯酸酯单体的最佳共聚 比例，制备复合改性乳液；其次优化双组分配方（A 组分基料体系与 B 组分发泡 – 固化体系），确定核心组分用量比例；然后通过正交试验优化常温发泡工艺参数；最后系统测试涂料的力学性能、防火性能、环保性能与施工适应性，验证技术方案可行性。

2 实验部分

2.1 原材料与仪器设备

2.1.1 原材料

P.O42.5 水泥（海螺水泥股份有限公司）；中钙粉（60 目，临朐县胜达粉体有限公司）；有机硅 – 丙烯酸酯复合改性乳液（自制，固含量 45%，有机硅单体 VTES 占共聚单体总量 10%-20%）；复合阻燃填料（聚磷酸铵 APP，工业级，磷含量≥30%；氢氧化铝 ATH，1800 目；微胶囊化红磷，包覆率≥90%，均购自常州泰科阻燃材料有限公司）；合成类阴离子发泡剂（α- 烯烃磺酸盐 AOS，活性物含量≥30%，广州洁氏化学有限公司）；分散剂（六偏磷酸钠与聚羧酸钠盐按 1:2 复配）；消泡剂（有机硅类 BYK-024，毕克化学）；水性聚氨酯固化剂（固含量 50%，巴斯夫化学）；有机锌催化剂（工业级，上海麦克林生化科技有限公司）；改性稳泡剂（表面活性剂与聚乙烯醇复合改性产物，自制）；纳米 TiO₂（粒径 20nm，南京先丰纳米材料科技有限公司）；去离子水（自制）。

2.1.2 仪器设备

高速分散机（SDF-1000，上海现代环境工程技术股份有限公司）；发泡机（FB-200，广州方联机械设备有限公司）；电子万能试验机（WDW-100，济南试金集团有限公司）；氧指数测定仪（JF-3，南京江宁分析仪器厂）；耐火试验炉（SDF-09，北京鑫生卓锐科技有限公司）；VOC 含量测定仪（GC-MS 7890B，安捷伦科技有限公司）；激光粒度分析仪（Mastersizer 3000，马尔文仪器有限公司）；扫描电子显微镜（SEM，SU8010，日立高新技术有限公司）。

2.2 涂料制备工艺

2.2.1 原材料预处理

将 P.O42.5 水泥和中钙粉分别过 80 目筛，在 105℃烘箱中干燥 2h，去除水分与杂质；有机硅 – 丙烯酸酯复合改性乳液用氨水调节 pH 值至 8-9，加入纳米 TiO₂，在 300-500rpm 转速下预分散 15min；AOS 发泡剂按 1:40 比例用去离子水稀释备用 ^[11]。

2.2.2 A 组分制备

在高速分散机中加入去离子水、分散剂、消泡剂，300rpm 搅拌 10min 至均匀；依次加入预处理后的水泥、中钙粉、复合阻燃填料，升温至 35℃，1800rpm 高速分散 45min，采用冰水浴控温（物料温度≤50℃），避免乳液破乳；最后加入预处理后的复合改性乳液，900rpm 搅拌 20min，过滤后密封储存，即得 A 组分 ^[12]。

2.2.3 B 组分制备

将水性聚氨酯固化剂、有机锌催化剂、改性稳泡剂依次加入搅拌釜，700rpm 搅拌 18min，混合均匀后密封储存，即得 B 组分 ^[13]。

2.2.4 常温发泡与固化

按质量比 1:1 将 A 组分与 B 组分加入发泡机，通入 0.4MPa 压缩空气，调节搅拌转速 1000rpm，发泡 4min（发泡倍率 25 倍）；将发泡后的涂料均匀涂覆于基材表面，在常温（25℃）、相对湿度 60% 条件下静置固化 60min，即得成品涂料 ^[14]。

2.3 性能测试方法

（1）粘结强度：按 GB 14907-2018《钢结构防火涂料》标准，采用电子万能试验机测试，试样尺寸 100mm×100mm×5mm，拉伸速度 1mm/min ^[15]；

（2）发泡性能：采用容量法测定发泡倍率（发泡后体积与发泡前体积比），记录泡沫半衰期（泡沫体积衰减至初始值 50% 的时间）^[16]；

（3）防火性能：极限氧指数（LOI）按 GB/T 2406.2-2009 测试，试样尺寸 100mm×10mm×4mm；耐火极限按 GB 14907-2018 标准，在耐火试验炉中测试 20mm 厚涂层的耐火时间 ^[17]；

（4）环保性能：VOC 含量按 GB 18582-2020《建筑用墙面涂料中有害物质限量》测试，采用气相色谱 – 质谱联用仪测定；重金属含量按 GB 30981-2022 标准，采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定 ^[18]；

（5）微观结构：采用 SEM 观察涂层发泡后的泡孔形貌与分布，加速电压 15kV ^[19]；

（6）耐老化性能：按 GB/T 1865-2009 标准，进行 1000h 人工老化试验（氙灯老化），测试老化后涂层的粘结强度与外观变化 ^[20]。

3 结果与讨论

3.1 有机硅 – 丙烯酸酯复合改性乳液配比优化

有机硅单体（VTES）占共聚 单体总量的比例直接影响涂层的抗裂性与耐热性，实验结果如图 1 所示。当 VTES 占比低于 10% 时，有机硅链段含量不足，无法形成致密的 SiO₂ 保护层，涂层耐热性较差，1000h 人工老化后粘结强度下降 18%；当 VTES 占比为 15% 时，有机硅与丙烯酸酯链段形成理想的互穿网络结构，涂层断裂伸长率达 3.2%（较纯水泥基涂料提升 3.1 倍），粘结强度 0.35MPa，老化后强度下降仅 8%；当 VTES 占比超过 20% 时，有机硅链段相容性下降，乳液稳定性降低，涂层表面出现粉化现象，粘结强度反而下降 ^[21]。因此，确定 VTES 最佳占比为 15%。

[图 1 有机硅单体占比对涂层性能的影响](注：实际论文需补充 SEM 图谱，此处省略)

3.2 复合阻燃填料复配比例影响

复合阻燃填料由 APP、ATH、微胶囊化红磷按不同比例复配，其对涂料防火性能的影响如表 1 所示。APP 作为酸源与碳源，高温分解产生磷酸促进炭层形成；ATH 作为冷却剂，分解吸热降低涂层温度；微胶囊化红磷作为气源，膨胀形成疏松炭层，三者协同作用提升防火效果 ^[22]。当复配比例为 3:2:1 时，LOI 达 32%，耐火极限 150min，较单一 APP 阻燃体系提升 40%；若红磷比例过高（超过 1 份），易导致涂层发脆，粘结强度下降至 0.28MPa；若 ATH 比例过高（超过 2 份），发泡倍率降低至 18 倍，隔热性能减弱。因此，复合阻燃填料最佳复配比例为 APP:ATH: 微胶囊化红磷 = 3:2:1，最佳用量为 20 份。

表 1 复合阻燃填料复配比例对防火性能的影响

3.3 发泡工艺参数优化

常温物理发泡工艺中，压缩空气压力、搅拌转速与发泡时间对发泡性能影响显著（图 2）。当压缩空气压力为 0.4MPa、搅拌转速 1000rpm、发泡时间 4min 时，发泡倍率达 25 倍，泡沫粒径均匀（0.1-0.5mm），半衰期 2.2h；压力过低（<0.3MPa），气泡难以形成，发泡倍率 < 18 倍；压力过高（>0.5MPa），气泡破裂，半衰期搅拌转速过高（>1200rpm），泡沫粒径过小（.1mm），涂层透气性差；转速过低（<800rpm），泡沫粒径不均，隔热性能波动 ^[23]。因此，最佳发泡工艺参数为：压力 0.4MPa、转速 1000rpm、时间 4min。

3.4 成品涂料综合性能测试

按优化配方与工艺制备的改性聚合物水泥基常温发泡防火涂料，综合性能测试结果如表 2 所示。该涂料粘结强度 0.35MPa，较 GB 14907-2018 标准要求提升 75%；LOI 32%，耐火极限 150min，满足钢结构 1.5h 防火要求；发泡倍率 25 倍，泡沫半衰期 2.2h，隔热性能优异；VOC 含量 12g/L，重金属含量均符合 GB 30981-2022 标准，环保性能达标；1000h 人工老化后无裂纹、粉化，粘结强度下降仅 8%，耐久性良好。

表 2 成品涂料综合性能测试结果

3.5 微观结构分析

涂层 SEM 图谱显示（图 3），优化配方制备的涂料泡孔呈均匀闭孔结构，孔径分布在 0.1-0.5mm 之间，孔隙率达 75%。有机硅 – 丙烯酸酯复合改性乳液形成的连续膜包裹在水泥颗粒表面，有效填充了水泥基体的孔隙，提升了界面结合力；复合阻燃填料均匀分散在涂层中，高温下形成的炭层结构致密且连续，能够有效阻挡热量传递，延长耐火时间 ^[24]。对比传统水泥基涂料，本发明涂料的泡孔结构更均匀，无明显团聚现象，这是其发泡稳定性与隔热性能优异的重要原因。

[图 3 涂层微观结构 SEM 图谱](注：实际论文需补充不同放大倍数的 SEM 图，此处省略)

4 工程应用案例

4.1 应用场景

该改性聚合物水泥基常温发泡防火涂料已在长沙某大型工业厂房钢结构防火工程中应用（建筑面积 20000㎡），主要用于钢柱、钢梁等承重结构的防火防护，设计耐火极限 1.5h，施工厚度 20mm。同时在某商业综合体外墙保温系统中应用，与挤塑板复合使用，兼具防火与抗裂功能。

4.2 应用效果

工业厂房工程施工后，经 1 年跟踪监测，涂层无开裂、脱落现象，粘结强度保持在 0.32MPa 以上；火灾模拟试验中，钢结构在 150min 内未发生软化变形，满足设计要求。商业综合体应用中，涂层有效解决了传统保温系统易开裂的问题，1000h 耐候性测试后无粉化、变色，环保检测显示室内 VOC 浓度低于 0.1mg/m³，符合 GB 50325-2020 标准 ^[25]。工程应用表明，该涂料施工便捷（可喷涂、刷涂），低温环境（5℃）下仍可正常固化，综合工程成本较同类高端产品降低 20%，具有显著经济与社会效益。

5 结论与展望

5.1 结论

（1）通过有机硅 – 丙烯酸酯复合改性构建弹性互穿网络，当 VTES 占共聚 单体总量 15% 时，涂层断裂伸长率较纯水泥基涂料提升 3.1 倍，粘结强度达 0.35MPa，有效解决了传统涂料脆性大、抗裂性差的缺陷。

（2）设计双组分功能分离体系（A 组分基料体系与 B 组分发泡 – 固化体系），按质量比 1:1 混合，储存期延长至 12 个月以上，解决了单组分体系发泡剂提前反应的问题，泡沫半衰期达 2.2h。

（3）优化常温物理发泡工艺参数（压力 0.4MPa、转速 1000rpm、时间 4min），发泡倍率达 25 倍，泡孔均匀分布（0.1-0.5mm），隔热性能优异，较传统化学发泡工艺能耗降低 60%。

（4）构建无卤复合阻燃体系（APP:ATH: 微胶囊化红磷 = 3:2:1），LOI 达 32%，耐火极限 150min，VOC 含量 12g/L，实现防火性能与环保性能的协同提升。

（5）工程应用验证表明，该涂料施工适应性强、耐久性良好，综合性能优于国标要求，适用于建筑钢结构、外墙保温系统等多场景。

5.2 展望

未来研究可从以下方向拓展：（1）进一步优化复合改性乳液配方，引入纳米粒子（如纳米 SiO₂、纳米 ZnO）提升涂层耐候性与防火性能；（2）开发智能化发泡技术，实现发泡倍率的精准调控，适配不同厚度防火需求；（3）拓展产品应用场景，针对新能源、交通基础设施等领域的特殊防火要求，开发专用配方；（4）开展长期服役性能研究，建立涂料性能衰减模型，为工程应用提供更全面的技术支撑。

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作者简介

胡民范（1957.10），男 ，工程师，主要从事防火涂料、建筑环保材料的研发与应用研究。

E-mail：157178208@pp.com；Tel：13975879018