无机膨胀型防火涂料的制作方法

【技术领域】

本发明是关于一种无机膨胀型防火涂料，尤指一种主要由无机材料组成，使用时可快速固化，对钢材，木材及高分子材料等附着力强，受热时为无烟、无毒、快速膨胀生成具高强度、高隔热与高防火能力的碳-硅复合层，且低涂布厚度即可达到不可燃及高防火效能的无机膨胀型防火涂料。

背景技术：

“防火涂料”在现代生活的居住环境中日受重视，现代是高楼大厦的环境，同时也是用电日增的时代，因此在居住环境中必须很注意电器及配电的使用，以避免火灾发生。近年来常听闻火灾的发生，实令人不寒而栗，从报纸或电视新闻上经常听闻某处某地在深夜或凌晨，因电器老旧或配线不良导致火灾发生，烧毁民宅、店面，这种消息已经令人很不舍，若还加上住户几人烧伤、几人无法逃生不幸身亡，甚至还导致数名年轻的救火兄弟因在救援中被烧身亡，听到这种消息除震惊外更是不胜嘘唏。政府消防单位当然了解火灾所造成人员及财物的严重损伤及对人民心理震撼的影响，因此对于建筑物各式装修材料的防火规定日趋严格，希望由各式防火材料达到防火的效果，能大力减少火灾及各种损伤的发生。

基于上述需要，检索国内外关于防火材料的专利，如下：

1.中国台湾twi695869「防火涂料及其制造方法」的专利，该案保护一种防火涂料，包含有：一500cc的水、一比重量(即重量百分比)为4％～5％的正硅酸钠、一比重量为4％～5％的偏硅酸钠、一比重量为4％～5％的氢氧化铝、一比重量为4％～5％的二氧化硅、一比重量为4％～5％的二氧化钛、一比重量为4％～5％的氧化铝、一比重量为4％～5％的硼酸锌，一比重量为4％～5％的氧化铁、一比重量为4％～5％的石墨粉、一比重量为4％～5％的铝粉、一比重量为5％～6％的水性pu树脂、一比重量为16％～17％的批土；由将上述材料均匀混合搅拌后，以构成100％防火涂料，据以提供作为木材、塑料或金属等建筑材料的防火涂料。其次，该案同时保护一种防火涂料的制造方法，其包含有：一初步混合搅拌步骤，是将100cc的水、正硅酸钠、偏硅酸钠、氢氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、硼酸锌、氧化铁、石墨粉混合搅拌成一第一原料；一第一次快速搅拌步骤，将该第一原料、以另100cc的水放入搅拌机进行快速搅拌成一第二原料；一静置步骤，将该第二原料静置至少12小时后，再加入铝粉成第三原料；一第二次快速搅拌步骤，将该第三原料放入搅拌机快速搅拌后放入一容器内；一化学反应步骤，将该容器内的第三原料静置至无化学反应的时间；及一第三次快速搅拌步骤，将该化学反应完全的第三原料、水性pu树脂、批土与剩余300cc的水一起放入搅拌机内，以进行快速搅拌混合成该100％防火涂料；上述制造方法中，各步骤的搅拌机的快速搅拌至5～10分钟；上述制造方法中，化学反应步骤的化学反应时间设为2天。

2.中国cn1238448c「水性薄型膨胀型钢结构防火涂料及其制备方法」的专利，采用水性高熔融温度丙烯酸酯乳液(含量为32～38wt.％)为主要成膜物质，适量掺入氯偏乳液(含量为12～18wt.％)以提高成膜物质自身的阻燃性，特别是选择了可发性膨胀石墨(含量为4～10wt.％)做为膨胀剂，以及防火助剂、填料和成膜助剂(含量为0～6wt.％)，其中，防火助剂为聚磷酸铵(含量为17～20wt.％)、三聚氰胺(含量为5～7wt.％)和季戊四醇(含量为11～13wt.％)，填料为氧化锌(含量为0～6wt.％)，组成配比；制备上，必须先合成出水性高熔融温度丙烯酸酯乳液，然后采用水性高熔融温度丙烯酸酯乳液和作为成膜物质；聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇为防火助剂，按照防火涂料组成含量，先将乳液、防火助剂、填料和成膜助剂放在一起搅拌混合20～30分钟，然后经砂磨机研磨后加入所需分量的可发性膨胀石墨，混合均匀后即得。

3.中国cn1296447c「一种可膨胀石墨奈米防火涂料及其制备方法和应用」的专利，其按重量份数计，由20～25份丙烯酸树脂、3～4份氨基树脂、1～4份二季戊四醇、18～22份低硫可膨胀石墨、2～4份有机硅树脂、12～16份三聚氰胺聚磷酸铵、2～6份奈米阻燃母液、4～6份增强玻璃纤维、3～5份金红石型钛白粉、2～4份阻燃增韧剂、2～4份消烟剂、0.3～0.6份消泡剂、0.3～0.6份流平剂、15～20份混合溶剂，其中，该奈米阻燃母液按重量比计，其成分为奈米二氧化钛：奈米二氧化硅：奈米镁铝水滑石：聚合物，分别为1～2：1～2：5～6：6～10；该阻燃增韧剂为三苯基磷酸酯或52号液体氯化石腊；该消烟剂为二茂铁、三氧化钼或氧化锌；该消泡剂为聚醚或硅氧烷；该流平剂为硅氧烷；该混合溶剂由溶剂油和醋酸丁酯组成，其溶剂油与醋酸丁酯重量比为4～6：1；该聚合物为环氧树脂或丙烯酸树脂和有机硅树脂的组合，其丙烯酸树脂和有机硅树脂的重量比为3：1；该溶剂油采用200号溶剂油；制造上，先行分别制备低硫可膨胀石墨及奈米阻燃母液，然后再制备出可膨胀石墨奈米防火涂料。

4.中国cn102585653b「一种防火涂料」专利，其包括如下质量百分含量的物质：氰乙基纤维素7-20％，feve氟碳树脂10-20％，玻璃珠10-15％，颜料10-30％，聚磷酸铵5-10％，固化剂3-8％，酚基苯烷环氧树脂20-30％，其余为溶剂，此溶剂包括溶剂a和溶剂b，固化剂选自二甲基苯胺，二苯基乙酮中的一种或两种组合；该溶剂a和溶剂b选自丙酮、丁酮、甲戊酮、甲基异丁基酮、环己酮、醋酸乙酯、醋酸丁酯、醋酸异丙酯、乙醇、正丁醇、异丙醇、乙二醇丁醚(bcs)、丙二醇甲醚醋酸酯中的一种；制造上首先步骤1：将玻璃珠，颜料，聚磷酸铵，固化剂，与溶剂a进行混合，搅拌均匀后，进行高速研磨，至细度15-20μm，得到色浆；接着步骤2：将氰乙基纤维素，feve氟碳树脂，酚基苯烷环氧树脂与溶剂b进行混合，搅拌均匀后加入步骤1制得的色浆，高速分散15-20分钟，即为防火涂料产品。

5.中国cn103865304a「无机硅酸盐防火涂料及无机硅酸盐防火阻隔层的制备方法」的专利，其包含m2o·nsio2及一无机溶剂，n介于2.8至5.5间，m2o为na2o(一氧化二钠)、k2o(一氧化二钾)或li2o(一氧化二锂)；以整体无机硅酸盐防火涂料的总重为基准，m2o·nsio2占30重量百分比至40重量百分比，该无机溶剂为水，该无机硅酸盐防火涂料更包含有一硅酸镁水合物；至于无机硅酸盐防火阻隔层的制备方法，是将上述的无机硅酸盐防火涂料施用于一基板上，并且固化该基板上的无机硅酸盐防火涂料，以于该基板上形成一无机硅酸盐防火阻隔层，该无机硅酸盐防火阻隔层的厚度介于50微米至2毫米之间。

上述中国台湾twi695869、中国cn1238448c、中国cn1296447c、中国cn102585653b、中国cn103865304a的专利各有其优劣点，然有些存在着制作颇为耗时，有些是采用到有机材料，燃烧时会产生烟、毒，存在着环保疑虑，有些则是防火效果难以支撑约二～三小时的连烧大火，致防火效能难称理想。显然上述问题，有待改进。

技术实现要素：

本发明的目的即在提供一种主要由无机材料组成，使用时可快速固化，对钢材，木材及高分子材料等附着力强，受热时为无烟、无毒、快速膨胀生成具高强度、高隔热与高防火能力的碳-硅复合层，且低涂布厚度即可达到不可燃及高防火效能的无机膨胀型防火涂料提供一种低成本即展现高性能的无机膨胀型防火涂料。

为达成上述目的，本发明特别设计一种无机膨胀型防火涂料，是由一粉体材料及一水溶液材料混合搅拌组成，其中，该粉体材料所含重量百分比为无机膨胀型防火涂料的55.56％，该水溶液材料所含重量百分比为无机膨胀型防火涂料的44.44％，其中，该粉体材料由下列无机材料混合组成：

(1).水玻璃，所含重量百分比为该粉体材料的70～80％、

(2).碳酸钙，所含重量百分比为该粉体材料的0～1％、

(3).钾明矾，所含重量百分比为该粉体材料的0～1％、

(4).偏高岭土，所含重量百分比为该粉体材料的5～10％、

(5).无机磷酸盐，所含重量百分比为该粉体材料的1～10％、

(6).季戊四醇，所含重量百分比为该粉体材料的0.5～4％、

(7).氢氧化铝，所含重量百分比为该粉体材料的5～25％、

(8).膨胀石墨，所含重量百分比为该粉体材料的1～5％、及

(9).铝粉，所含重量百分比为该粉体材料的0～5％；

该水溶液材料由下列无机材料混合搅拌组成：

(1).苯基三甲氧基硅烷，所含重量百分比为该水溶液材料的0.5～2％、及

(2).去离子水，所含重量百分比为该水溶液材料的98～99.5％。

上述无机膨胀型防火涂料，制备时经过如下步骤：

(1).第一混合搅拌步骤，将该水玻璃、该碳酸钙、该钾明矾、该偏高岭土、该无机磷酸盐、该季戊四醇、该氢氧化铝、该膨胀石墨及该铝粉，依照所述的重量百分比以搅拌速度为100rpm混合搅拌，成为该粉体材料；

(2).第二混合搅拌步骤，将该苯基三甲氧基硅烷与该去离子水，依照所述的重量百分比置入一搅拌机内，于50～80℃的温度间，以搅拌速度为100rpm，进行搅拌1小时，成为该水溶液材料；

(3).第三混合搅拌步骤，将上述第一混合搅拌步骤所完成的粉体材料及上述第二混合搅拌步骤所完成的水溶液材料共同置入一搅拌机内，以搅拌速度为100rpm，进行搅拌混合5～10分钟，成为该无机膨胀型防火涂料。

上述的无机膨胀型防火涂料，使用时将该无机膨胀型防火涂料涂布于一基板上，然后固化该无机膨胀型防火涂料，即已在该基板上形成一防火阻隔层。

上述的无机膨胀型防火涂料中，于该基板上涂布该无机膨胀型防火涂料，藉以形成该防火阻隔层的厚度在50微米(μm)至7毫米(mm)间。

上述的无机膨胀型防火涂料，使用时将该无机膨胀型防火涂料涂布于一基板上，该基板为钢材、木材或高分子材料的一种。

本发明优点及有益效果在于：

(1).本发明无机膨胀型防火涂料10膨胀性高及防火效能佳，所以涂布的厚度在50μm～7mm间即具有绝佳的防火效果，相较于其他习知无机防火涂料，本发明确为薄型涂布，也因此涂布后能降低对基板在外观或使用上的影响。

(2).本发明无机膨胀型防火涂料10于燃烧后膨胀形成的防火阻隔层，是由可阻挡火势的碳层51与可提供强度及高隔热效果呈网状结构的硅层52组成的碳-硅复合层，相较于其他习知防火涂料，燃烧受热后仅由单一碳层阻隔，就防火的阻隔性比较，本发明防火效能甚佳。

(3).本发明无机膨胀型防火涂料10本身不燃，并且具备确实能够阻挡火势的优异防火效能，涂布于钢材基板40上时其防火时效超过三小时以上，相较于其他习知防火涂料，本发明防火效能甚佳。

(4).本发明主要由无机材料组成，制造费用相对低廉，但却能发挥长时间防火的高性能，完全符合低成本、高性能的要求。

【附图说明】

图1所示是本发明无机膨胀型防火涂料由粉体材料及水溶液材料组成的方块图。

图2所示是本发明中粉体材料组成成分及组成比例的方块图。

图3所示是本发明中水溶液材料组成成分及组成比例的方块图。

图4所示是本发明制备无机膨胀型防火涂料的步骤方块图。

图5所示是本发明无机膨胀型防火涂料涂布于基板的流程方块图。

图6所示是本发明固化为防火阻隔层受热前、后的状态变化示意图。

图7所示是本发明固化为防火阻隔层遇到火灾产生碳-硅复合层的状态示意图。

图中标号说明如下：

无机膨胀型防火涂料10粉体材料20

水玻璃21碳酸钙22

钾明矾23偏高岭土24

无机磷酸盐25季戊四醇26

氢氧化铝27膨胀石墨28

铝粉29水溶液材料30

苯基三甲氧基硅烷31去离子水32

基板40防火阻隔层50

碳层51硅层52

【具体实施方式】

本发明请求保护的是一种无机膨胀型防火涂料10，最重要是该无机膨胀型防火涂料10的组成成分、组成比例及固化为防火阻隔层的结构，以及使用于涂布时的作业条件及使用后的防火功效。请参阅图1所示，本发明无机膨胀型防火涂料10基本上是由一粉体材料20及一水溶液材料30经过搅拌而共同组成，其中，若以该无机膨胀型防火涂料10的重量为100％而言，该粉体材料20的重量百分比为55.56％，该水溶液材料30的重量百分比为44.44％。

接着，请参阅图2所示，该粉体材料20的组成成分，包含：一水玻璃21、一碳酸钙22、一钾明矾23、一偏高岭土24、一无机磷酸盐25、一季戊四醇26、一氢氧化铝27、一膨胀石墨28及一铝粉29；若以该粉体材料20的重量为100％而言，其中，该水玻璃21(即硅酸钠)采粉体，所含重量百分比为该粉体材料的70～80％；该碳酸钙22所含重量百分比为该粉体材料的0～1％；该钾明矾23所含重量百分比为该粉体材料的0～1％；该偏高岭土24所含重量百分比为该粉体材料的5～10％；该无机磷酸盐25所含重量百分比为该粉体材料的1～10％；该季戊四醇26所含重量百分比为该粉体材料的0.5～4％；该氢氧化铝27所含重量百分比为该粉体材料的5～25％；该膨胀石墨28所含重量百分比为该粉体材料的1～5％；该铝粉29所含重量百分比为该粉体材料的0～5％。

然后请参阅图3所示，该水溶液材料30则是由一苯基三甲氧基硅烷31及一去离子水32组成，若以该水溶液材料30的重量为100％而言，其中，该苯基三甲氧基硅烷31的重量百分比占该水溶液材料30的0.5～2％；该去离子水32的重量百分比为该水溶液材料30的98～99.5％。

本发明的无机膨胀型防火涂料10，在制备上是经过无数次的实际制作，并经过多次真实直火燃烧的测试使用，方得出最佳的材料配方及配比，以及得出最佳的防火效果，因此在制备上必须按照一特定步骤进行，请参阅图4所示，本发明针对该无机膨胀型防火涂料10，在制备上会经过三次的混合搅拌步骤，首先，进行第一混合搅拌步骤，主要即要产生出该粉体材料20，其是将该水玻璃21(占粉体材料20的70～80wt％)、该碳酸钙22(占粉体材料20的0～1wt％)、该钾明矾23(占粉体材料20的0～1wt％)、该偏高岭土24(占粉体材料20的5～10wt％)、该无机磷酸盐25(占粉体材料20的1～10wt％)、该季戊四醇26(占粉体材料20的0.5～4wt％)、该氢氧化铝27(占粉体材料20的5～25wt％)、该膨胀石墨28(占粉体材料20的1～5wt％)及该铝粉29(占粉体材料20的0～5wt％)九种材料，依照所述的重量百分比以搅拌速度为100rpm充分地进行搅拌混合，使成为该粉体材料20。

接着，进行第二混合搅拌步骤，主要是要产生出该水溶液材料30，其是将该苯基三甲氧基硅烷31(占该水溶液材料30的0.5～2％)与该去离子水32(占该水溶液材料30的98～99.5％)二种材料，依照所述的重量百分比置入一搅拌机内，在50～80℃的温度间进行快速搅拌，以搅拌速度为100rpm，搅拌时间1小时，搅拌完成即为该水溶液材料30。

最后，进行第三混合搅拌步骤，将上述第一混合搅拌步骤所完成的粉体材料20及上述第二混合搅拌步骤所完成的水溶液材料30共同置入一搅拌机内，以搅拌速度为100rpm，进行搅拌混合5～10分钟，即成为该无机膨胀型防火涂料10。

完成该无机膨胀型防火涂料10的制备后，即可如图5所示，将该无机膨胀型防火涂料10使用于对一基板40的表面进行涂布，所涂布的表面，必须是该基板40要进行防火的正面，不可以是该基板40要进行防火的背面。要利用该无机膨胀型防火涂料10来进行防火涂布的基板40可以是钢材，即钢质材料的成品，例如：钢门、铁卷门等；也可以是木材，即木质材料的成品，例如：木门、室内隔间装潢等，也可以是高分子材料的成品，例如：塑料门、塑料建筑产品等。当于该基板40要进行防火的正面表面涂布本发明的无机膨胀型防火涂料10时，所涂布的厚度以在50μm～7mm间即可，涂布完成后只要等待该无机膨胀型防火涂料10固化后，即在该基板40表面上形成一防火阻隔层50，当火灾发生时，该防火阻隔层50即能对该基板40产生防火作用。

请参阅图6所示，共区分成四个小图，代表受热前、后四个状态，其中，最左小图表示该无机膨胀型防火涂料10涂布于该基板40上并固化成为一防火阻隔层50，且在平常(未发生火灾)时候的状态，兹标示为“受热前”；左内小图表示在燃烧初始(刚发生火灾)时，该防火阻隔层50的部位开始产生融化及软化现象的状态，兹标示为“燃烧初始”；继续燃烧则到达右内小图所示该防火阻隔层50的部位继续膨胀的状态，兹标示为“燃烧时”；最后持续燃烧则如最右小图所示，该防火阻隔层50的部位完全膨胀(达数倍宽度)，而可将火势完全阻隔于该基板40之外，兹标示为“燃烧后”，当该防火阻隔层50完全膨胀后，火势根本烧不到该基板40，所以该防火阻隔层50能对该基板40发挥绝对防火的效果。

在图6中，由“燃烧初始”经过“燃烧时”到达“燃烧后”，该防火阻隔层50已达完全膨胀的状态，该防火阻隔层50膨胀后剖视如图7所示，该防火阻隔层50膨胀后可区分成位于表面的碳层51及位于内部的硅层52，其中，该碳层51致密且坚固，组成为c-c或c＝c，主要功能为承受火焰并保护内部的硅层52不受高温侵蚀而融化；该硅层52为网状结构，组成为-si-o-si-，主要功能为利用其结构提供极优越的隔热能力，并支撑该碳层51提供其一定的强度。

本发明无机膨胀型防火涂料10的制备原理在于：

1.当原本为粉体的水玻璃21(硅酸钠)与该水溶液材料30搅拌混合后，该水玻璃21(硅酸钠)会溶解形成钠离子及硅酸根离子，其中的硅酸根离子会与该水溶液材料30中的氢离子形成硅酸，再水解形成氢氧化硅基团，最终该氢氧化硅基团会脱水并形成-si-o-si-键结，此即为该无机膨胀型防火涂料10固化形成该防火阻隔层50的过程，时间约30分钟，然后遇到燃烧大火时，该防火阻隔层50整体膨胀，而内部的-si-o-si-键结即膨胀为该硅层52。

2.该无机磷酸盐25及该季戊四醇26二者为阻燃填料的作用，该无机磷酸盐25的酸源遇到燃烧大火(高温)时会释放出无机酸，所释放的无机酸则催化该季戊四醇26的碳源并导致其碳化，并交联固化为该防火阻隔层50整体膨胀后的碳层51。

3.该氢氧化铝27及该膨胀石墨28二者为膨胀填料的作用，该氢氧化铝27在高温下会吸热分解形成氧化铝及水气，其吸热反应会降低燃烧(火场)温度，分解形成的氧化铝可增加碳层、硅层强度，分解形成的水气则可稀释可燃气体，提升膨胀能力；该膨胀石墨28在高温下，硫酸等酸性嵌入剂会蒸发，体积变为数十倍，并推动石墨层往垂直方向快速膨胀，膨胀后的石墨层可由层间不规则堆栈的方式产生热传导的迷宫效应(屏蔽效应)，来减慢热传导钢结构的速度。

4.该无机膨胀型防火涂料10中混拌该铝粉29，可提升该防火阻隔层50的耐温性，由于金属铝在含水及高温(>280℃)下，该铝粉29会因氧化反应生成氢气及氢氧化铝，其中的氢氧化铝会与水玻璃21(硅酸钠)溶解所形成的硅酸根离子反应成为硅酸铝，因此可提升该防火阻隔层50本身的耐温性，使在高温下更不易产生形变，而能具有更加的防火效能。

该第一混合搅拌步骤所揭示，将该水玻璃21、该碳酸钙22、该钾明矾23、该偏高岭土24、该无机磷酸盐25、该季戊四醇26、该氢氧化铝27、该膨胀石墨28及该铝粉29九种材料，依照所述的重量百分比混合搅拌为该粉体材料20时，因为该九种材料皆为粉体，混合搅拌亦为粉体，并无性质及状态的变化，所以该粉体材料20可以事先制备大(多)量待用，只要保持其性质及状态未变化即可。

至于该第二混合搅拌步骤所揭示，将该苯基三甲氧基硅烷31及该去离子水32二种材料，依照所述的重量百分比置入一搅拌机内，在50～80℃的温度间，以搅拌速度为100rpm，进行快速搅拌1小时，以完成为该水溶液材料30；然后再尽速进行第三混合搅拌步骤，主要就是使由第一混合搅拌步骤所完成的粉体材料20与该由第二混合搅拌步骤所完成的水溶液材料30共同置入一搅拌机内，以搅拌速度为100rpm，进行搅拌混合5～10分钟，即成为该无机膨胀型防火涂料10。因此该第二混合搅拌步骤的进行，以在要进行该无机膨胀型防火涂料10的涂布前再行完成，然后即进行该第三混合搅拌步骤完成出该无机膨胀型防火涂料10后，即尽速使用于涂布作业，如此接续进行较为适宜。

过程中，添加该水溶液材料30可为使该无机膨胀型防火涂料10达到一种适合涂布的胶状特性，该水溶液材料30添加量若过多，则该无机膨胀型防火涂料10会形成较稀状态，相对可能较容易进行涂布，但相对也会较不容易沾附于基板40上固化(恐易掉落)；反之，该水溶液材料30添加量若过少，则该无机膨胀型防火涂料10会形成较稠状态，相对即较不易进行涂布(无法涂覆)，因此该水溶液材料30的添加量必须适当。本发明就是经过无数次实作验证，始获得该水溶液材料30的添加量占该无机膨胀型防火涂料10重量百分比44.44％为最适宜的结论。

该无机膨胀型防火涂料10被涂布于该基板40上时，仍为稠液状，但随即该水溶液材料30会在空气中逐渐蒸发而消失，因此该无机膨胀型防火涂料10会固化于该基板40表面上形成一干燥状态的防火保护阻隔层50。火灾受热的前、后，如图6所示，受热前(图6最左小图)该基板40上固化有该防火保护阻隔层50；当燃烧初始(图6左内小图)，该防火保护阻隔层50外部因先受热所以开始往上(外)膨胀，里部则可能尚未膨胀(较慢受热)，以保护该基板40免受燃烧；继续受到燃烧(图6右内小图)直至燃烧后(最右小图)，该防火保护阻隔层50已呈现高倍数膨胀，而能将火势阻隔于膨胀后的防火保护阻隔层50外，确实保护该基板40免受燃烧；受燃烧过程中，因为该无机膨胀型防火涂料10主要皆由无机材料组成，具备不燃及耐燃的特性，因此火势无法烧毁该防火保护阻隔层50，使得涂布该无机膨胀型防火涂料10的基板40受到实质性保护。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除