探索氧化石墨烯提高钢结构水性膨胀防火涂料的防火性能

探索氧化石墨烯提高钢结构水性膨胀防火涂料的防火性能

刘丽媛 薛鑫

青岛爱尔家佳新材料股份有限公司 山东省青岛市 266111

摘要：本文章主要利用小板燃烧法，通过实践操作研究氧化石墨烯对膨胀型防火涂料的防火性能。水性防火涂料的基体大多是有机脂类物质，这种有机酯类物质主要是丙烯酸树脂，也可以作为成膜剂。研究防火性能，需要明确阻燃体系和防火涂料。本研究以聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇为膨胀阻燃体系，防火涂料为水性膨胀防火涂料，由氧化石墨烯制备而成。

关键词：氧化石墨烯；防火涂料；钢结构水性膨胀

膨胀型水性防火涂料相比较于传统的防火涂料，危害性更小，隔热效果更明显，耐高温性很好，是我国国内业界的新型推崇的防火涂料。而石墨烯分子结构稳定，耐热性也比较好。因此，我们可以假设加入少量石墨烯与涂料中可以提高涂料的耐高温性，阻止火势蔓延。为了研究这一假设的真实性，我们将通过实验研究利用红外光谱X射线衍射等表征手段分析结果。

1. 膨胀型水性防火涂料和石墨烯的简介

膨胀型水性防火涂料相比较于传统的防火涂料，危害性更小，隔热效果更明显，是我国国内业界的新型推崇的防火涂料。而石墨烯分子结构稳定，耐热性也比较好。因此，我们可以假设加入少量石墨烯与涂料中可以提高涂料的耐高温性，阻止火势蔓延。

由于膨胀石墨自身的化学性质具有良好的阻燃效果，因此可以作为膨胀剂和碳源使用。但是由于其黑色外观的限制，会影响涂料颜色。

石墨烯属于片状晶体，是通过膨胀石墨从而达到分散的效果，因此其比表面积较大。单纯由膨胀石墨组成的石墨烯，难以保证其在聚合物基体中阻燃性，所以此研究将在丙烯酸乳液中加入不同含量的石墨烯，通过氧化石墨烯，探究其阻燃性能以及是否能对炭层有增强效果。

2. 实验分析

1. 实验准备

（1）实验材料：丙烯酸乳液、分散剂、氧化石墨烯水溶液、成膜剂、增稠剂、三聚氰胺和季戊四醇等等。

（2）实验仪器：红外光谱仪、热重分析仪、X射线衍射仪、高速分散机、小板燃烧测试装置和涂层测厚仪。

（二）实验过程

（1）制备防火涂料

1、配置不同浓度的氧化石墨烯水溶液，利用高速分散机这一实验仪器，使得水溶液中溶质均匀分散；

2、加入特定比例的聚磷酸铵、三聚氢氨和季戊四醇并充分混合；

3、加入丙烯酸乳液，并加入成膜剂，增稠剂，分散剂等等；

4、待全体原料加入完毕后，用搅拌器这一仪器搅拌。首先以2000r/min的速度搅拌，30分钟后我们换用600r/min速度搅拌，依旧是30分钟。这样，涂料经过混合均匀搅拌后就可以用于之后的检测实验中了。

（2）实验检测

我们使用的检测方法为小板燃烧法。首先要准备小板燃烧法的试样，也就是普通的涂层，同组试样应超过六片。

首先，在长为80mm，宽为40mm，厚为1.2mm的钢板上涂抹特定的底漆，这种底漆是专门与涂料相匹配的。之后，在底漆完全干燥后均匀涂抹刚制作的防火涂料。接着，多次涂抹防火涂料，利用涂层测厚仪检测涂层厚度，直到涂料在钢板的厚度达到1mm停止涂抹涂料。然后，将图层样板放在25度的常温条件下，通过自然通风的方式使涂层上的涂料干燥，七天后取回检测。同样的时间，将对照组在室温下干燥一到两天，然后需要放入40度的烘箱内烘烤5~10小时。需要注意的是，两组质量差必须小于0.05g。最后，将两组涂板放入小板燃烧检测装置，通过检测涂层耐燃时间和耐热温度，反映涂板的阻燃效果。当温度显示达到250度时，结束测试记录时间。

3. 结果与讨论

1. 小板燃烧法实验现象与讨论

通过对涂料当中加入石墨烯，我们可以根据石墨烯含量不同总结出奈然时间的变化曲线和走向趋势。根据实验结果，随着石墨烯含量的增加，整个耐高温时间变化趋势为先增大后减小接着再增大最后再减小。我们放眼整体。对比普通的防火涂料，如果将氧化石墨烯添加到膨胀体系的防火涂料中，含量0.083%及以上的话话，涂层的耐燃时间和效果变化并不大，甚至在实验过程中还出现了低于石墨烯零添加的膨胀体系防火涂料。

通过我们的分析，出现这种现象的原因可能是注入过多的石墨烯水溶液并没有通过分散仪器或者分散剂将其均匀分散，影响了氧化石墨烯在样板涂层的充分附着，最终便影响了涂层整体的耐燃效果。

另外，我们发现在数据当中石墨烯添加量在0.005%时，耐燃时间达到最大值。与不添加石墨烯的普通图层相比，耐燃时间增加了214秒。也就是说我们可以做出初步的判断，此时添加0.005%的氧化石墨烯，是能够使涂层的耐燃时间达到最长的最优解。

除此以外，我们可以发现在加入氧化石墨烯之后，防火涂料升温速率稍微有所降低。究其原因，我们不难发现氧化石墨烯本身的化学性质就很稳定，加上高温条件，石墨烯在图层上生成更稳定、附着力更强的炭层。而随着石墨烯添加量的增大，炭层厚度。也会随之增加，使得表面更加均匀完整，导致升温速率降低，耐高温效果更好。而这也是阻燃性能大大增强的有力证据，印证了我们的猜测和假设。

2. 热重分析仪观测结果

通过热重分析仪，我们可以绘制在氧化石墨烯添加量为0.005%的时候，防火涂层的热重分析曲线。

样品的初始分解温度大约为210度。通过数据，我们发现，矢质量可以分为两个阶段：第一阶段大概从150度开始，第二阶段随着氧化石墨烯添加量逐渐增高，涂量是质量出现了温度滞后反应，滞后的温度范围大概在20度~50度之间。

按照这个结果，我们分析整个过程原因。其实跟上述的燃烧结果分析一样，氧化石墨烯的加入使得整个有机脂类机体的热稳定性增强，生成稳定的炭层，在高温条件下也不会发生特殊的化学反应。

3. 红外光谱仪结果分析

通过红外光谱仪的结果，我们可以绘制红外表征曲线。

在波数为3200左右，氢氧键和亚甲基的吸收峰变化明显，他们是有机物骨架的特征峰。而在波数为1650时，碳氧双键振动峰伸缩，相较于为添加石墨烯的涂层来说，表征更为明显。对此我们可以总结为氧化。石墨烯生成的炭层具有保护作用能够将有机物集团完好保存。但是，同样存在着例如磷酸酯、聚磷酸等的化合物。

4. 整体的机理分析

首先，通过上述三个实验仪器的实验结果，我们可以总结出：添加氧化的石墨烯这一物质，确实能够使涂层的热稳定性和耐燃性极大程度提高，并且效果十分明显。尤其是在热重分析的曲线上，250度之后的涂层出现了温度滞后现象和升温速录下降现象，这也就代表着石墨烯高温下生成的炭层具有耐高温的热稳定性。所以，升温的速率才能够发生下降。

我们从另一个角度思考。加入氧化石墨烯可以使本身系统内的残炭石墨化，从而平复炭层可能会出现的塌陷。而查阅资料，由于我们将丙烯酸乳液作为实验的基体，与石墨烯水溶液高温结合会表现出氢键的效果。氢键在高温作用下稳定性也比较好，不会轻易发生断裂。所以，不论从实验仪器的结果数据角度出发，还是通过对比实验现象和资料角度出发，我们都可以印证之前的猜测，加入氧化的石墨烯能够提高图层的防火性能。

总结

实际上，在本次实验中，我们利用了小板燃烧法，根据三种实验仪器的检测结果，合理地印证我们事先提出的假设的正确性。三种仪器虽然出现了特殊的实现现象，但是都是一个原因导致的，都可以作为印证假设的论据。我们不难发现，氧化的石墨烯保留着其本身碳原子的稳定性，即使在高温条件下也不会轻易发生化学反应。石墨烯生成炭层后，又经过高温，使得附着在涂层的炭层强度更大，稳定性更强，流动性更差，证明了氧化石墨烯的加入能够极大提高钢结构水性膨胀防火涂料的防火性能。

参考文献

1. 刘杰, 滕云雷, 王选廷,等. 一种含氧化石墨烯的钢结构专用防腐涂料及其制备方法:, CN110951360A[P]. 2020.

2. 王清海, 王秀娟, 方健君,等. 钢结构用水性膨胀型防火涂料的制备及性能研究[J]. 涂料工业, 2022, 52(2):7.

3. 何任飞, 陈素文, 程曦,等. 氧化石墨烯对石膏基防火涂料力学性能及隔热性能的影响[J]. 建筑钢结构进展, 2021, 23(10):7.