基于多異氰酸酯的膨脹型涂料的制作方法
【專利說明】基于多異氰酸酯的膨脹型涂料
[0001] 本發(fā)明涉及膨脹型涂料組合物，其特別但非排它性地用于在火災情況下保護鋼結 構。具體而言，本發(fā)明涉及膨脹型聚氨酯涂料，其包含含多元醇的粘合劑和多異氰酸酯組 分、膨脹添加劑和任選無機填料。
[0002] 鋼是廣泛用于建造工業(yè)(橋梁、建筑、汽車）中的材料并還在其它市場例如航海、軍 事和海上平臺中起重要作用。結構鋼是對于所有這些應用可選擇的材料并通常是建筑和工 程中的第一選擇。它提供設計靈活性且是不可燃材料。
[0003] 但在火災情況下，其高導熱性導致結構性能隨著升高的溫度而迅速喪失。在約500 °(：下，其顯著部分的負載能力喪失。為了在火災期間使居住者安全疏散或使急救服務人員 安全進入建筑物中，使鋼組件能保持其承載強度的時間量最大化是至關重要的。耐火梁所 需的耐火期在建筑法規(guī)中通常以30、60、90或120分鐘的防火來規(guī)定(這是指當梁暴露于火 災中時在該時間段內不失效）。例如，通?？梢蟾哌_三層的鋼結構在屈服前具有至少60分 鐘，甚至高達120或180分鐘的防火。
[0004] 設法實現(xiàn)所需使用壽命的一種方式是通過向鋼結構施涂膨脹型涂料(例如膨脹型 漆料）。這樣的涂料包含被各種膨脹成分"染色"的樹脂，這些膨脹成分在熱作用下共同反應 以產生具有低導熱性的隔熱泡沫或"炭層(char)"，其具有多倍于初始涂料的體積?；诒?烯酸類的膨脹型涂料在暴露于熱時典型地膨脹50至100倍并形成使鋼保持冷卻的耐熱屏 障;環(huán)氧基膨脹型涂料在暴露于熱時典型地膨脹5至10倍。
[0005] 所述炭層保護下面的結構組件免于受熱，由此延遲結構組件達到其臨界失效溫度 (CFT)的時間。CFT是鋼組件的結構完整性受損時的溫度。如果上述組件構成建筑物結構的 一部分，則這可導致建筑物坍塌。延遲達到CFT能夠確保建筑物的安全疏散并同時增加消防 隊可用于滅火的時間，由此大大減小建筑物坍塌的風險。
[0006] 膨脹型涂料經設計以在嚴苛條件下起作用并在環(huán)境溫度超過1100°C時保持鋼完 整性高達三小時。
[0007] 膨脹成分通常由提供下列功能的三種活性組分構成：酸源(催化性酸性物類的前 體）、碳源和起泡或氣體源。優(yōu)選還存在無機"成核劑"?？扇芜x地添加可為固體或液體性質 的添加劑，以在燃燒時輔助炭層形成和/或強化炭層。
[0008] 在第一階段中，發(fā)生酸性物類與碳化劑的反應并形成酯混合物，隨后進行碳化過 程。在第二階段中，起泡劑分解以產生致使炭層膨脹的氣態(tài)產物。
[0009] 典型現(xiàn)有技術的膨脹填料包(package)包括二氧化鈦、季戊四醇或二季戊四醇、聚 磷酸銨、三聚氰胺或含三聚氰胺的化合物例如磷酸三聚氰胺和氰脲酸三聚氰胺。優(yōu)選的膨 脹填料包可具有如下組成： ?二氧化鈦(整個涂料組合物的5-15重量%) ?季戊四醇(整個涂料組合物的5-15重量%) ?聚磷酸銨(整個涂料組合物的20-40重量%) ?三聚氰胺(整個涂料組合物的5-15重量%)。
[0010] 膨脹型涂料組合物通常用于保護鋼組件免受包括纖維素(紙張、木材等的燃燒）、 烴類(石油化學液體和氣體)和/或噴射火(在高壓下射出的烴類燃料)的本領域中已知的著 火條件的影響。
[0011] 用于纖維素火災的現(xiàn)有技術膨脹型涂料傾向基于熱塑性樹脂體系例如丙烯酸酯 或乙烯基樹脂;典型厚度為250 μπι至5 mm。然而，烴類防火主要基于熱固性環(huán)氧樹脂技術并 要求厚度為3 mm至18 mm〇
[0012] 然而，丙烯酸類體系的耐氣候性差，且環(huán)氧體系需要較長的干燥時間。
[0013] 傳統(tǒng)上，將膨脹型涂料在建筑物建造階段原位施涂到鋼結構上。近來，店內（inshop) 施涂已成為更常見的做法，因為可以更好地控制施涂條件。
[0014] 目前可得的膨脹型涂料通常經由標準無氣噴涂設備，即用于工業(yè)漆料施涂的標準 技術以液體形式施涂。
[0015] 根據(jù)結構組件的類型和尺寸以及在火災情況下所需的防護持續(xù)時間，干燥膨脹型 涂層的厚度為250微米(比傳統(tǒng)漆層厚度厚3-5倍)至若干毫米厚。
[0016] 目前可得的膨脹型涂料伴隨著長干燥時間，特別是在前述增加的厚度下。在施涂 膨脹型涂料和處理經涂覆的結構組件之間間隔數(shù)天以防止損害涂層并不少見。
[0017] 因此，將所述膨脹型涂料施涂到結構組件上并在同一天將這些結構組件運輸?shù)轿?是不切實際的。此外，原位施涂所述膨脹型涂料在建造過程中導致延遲，這可造成明顯增大 的經濟負擔。
[0018] 近來，更快干燥的膨脹型涂料已可得。然而，對于大部分而言，干燥時間仍超過1-2 天。
[0019] 因此，即使所述膨脹型涂料已在"店內"施涂，仍不可能將液體膨脹型涂料施涂到 結構組件上并在同一天將這些結構組件運輸?shù)轿弧?br>[0020] EP 1215222描述了雙組分聚氨酯膨脹型涂料，其包含10至50重量％的聚氨酯粘合 劑(其含有多元醇組分和多異氰酸酯組分）、1〇至60重量％的膨脹添加劑和5至30重量％的無 機填料。所列的合適膨脹添加劑的實例為銨化合物例如聚磷酸銨、磷酸二氫銨、五硼酸銨、 三聚氰胺、雙氰胺、全磷酸酯(full phosphoric ester)、雙環(huán)季戊四醇磷酸酯、磷酸氫銨、 磷酸三餅基三嗪（trishydrazinotriazine phosphate)、Expancel (ΑΚΖ0)和CYCL0THERM (Cyclotec)。無機填料的實例包括:二氧化鈦、硼酸鋅、石英、粘土、氧化鋅、滑石、硅酸鈣、搪 瓷和玻璃料以及它們的混合物。在實例中，將包含40重量%聚磷酸銨、20重量%三聚氰胺、20 重量%磷酸和20重量%二氧化鈦的配制品用作膨脹添加劑和有機填料。
[0021] 現(xiàn)存的聚氨酯基膨脹型涂料在固化速度方面受限，并需要施涂數(shù)層與中間固化以 獲得用于防火性能所需的層厚度。
[0022] 本發(fā)明的目的是提供相對快速干燥、快速固化的聚氨酯膨脹型涂料，其可與實際 代表主要使用的解決方案的環(huán)氧基和丙烯酸類基膨脹型體系相比擬。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供包含多異氰酸酯、異氰酸酯反應性多官能化合物和 膨脹成分的涂料組合物，其中該膨脹成分含有至少一種或多種含磷、氮和硼原子的化合物， 且在所述膨脹成分中磷與氮的重量比為〇. 5/1至1.5/1，硼量為1至5重量％，基于該涂料組合 物計。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供形成固化的膨脹型物質的方法，其包括將根據(jù)第一 方面的組合物施涂到基材上并使該組合物固化。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供可通過第二方面中所述方法獲得的固化的膨脹型物 質。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供用在根據(jù)第一方面的組合物中的多異氰酸酯。
[0027] 本發(fā)明的組合物具有高的膨脹效率并導致更快的固化時間（觸干小于5分鐘)和更 有效且更便宜的防火過程(60分鐘，優(yōu)選高達100或甚至120分鐘耐火）。
[0028] 此外，根據(jù)某些實施方案，本發(fā)明的組合物不含鹵素和不含溶劑。
[0029] 另一益處是，本發(fā)明的涂料組合物具有厚涂型(high build)噴涂能力，以施涂厚 膜而無流掛并無需中間固化，相比于需要中間固化的現(xiàn)有技術膨脹型涂料的多層涂膜，這 進一步減少干燥時間。
[0030] 所得膨脹型涂層展現(xiàn)出色的機械性能，具有光滑表面并可修復和可著色。它們顯 示出改進的耐氣候性并可用類似的膨脹型涂料或用面漆再次涂覆。
[0031] 典型地，以包含共同導致膨脹的兩種或更多種成分的膨脹填料組合物的形式提供 用于本發(fā)明膨脹型涂料組合物的膨脹成分。
[0032] 用于本發(fā)明的膨脹填料組合物(其可替代地稱為"膨脹填料包"）含有至少一種或 多種含磷(P)、氮(N)和硼(B)原子的化合物。它們可為各自含有P、N或B的不同化合物，或者 一種或多種化合物可含有P、N和/或B的兩種或更多種。
[0033] 根據(jù)本發(fā)明，存在于該膨脹填料組合物中的磷原子與氮原子的重量比為0.5/1至 1.5/1，優(yōu)選0.8/1 至 1/1 或0.7/1 至0.9/1，最優(yōu)選 0.6/1 至 1/1。
[0034] 此外，根據(jù)本發(fā)明，硼原子占整個涂料配制品的重量%為1至5 %，優(yōu)選1至3.5%，更 優(yōu)選為1至2.5 %。
[0035] -般而言，根據(jù)本發(fā)明，在該膨脹填料包中的磷和氮原子與硼原子的重量比為10/ 1至0.5/1，優(yōu)選7/1至2/1，更優(yōu)選6/1至3/1，最優(yōu)選6/1至4/1。
[0036] 除含P、N和/或B原子的化合物外，用于本發(fā)明的膨脹填料組合物可含有其它膨脹 成分。
[0037] 用于本發(fā)明的酸源膨脹填料可選自例如聚磷酸銨、（聚)磷酸三聚氰胺、硫酸鎂、硼 酸、含磷多元醇和二氫氧雜磷雜菲氧