第三節　聚合物乳液類基料

乳液是薄型鋼結構防火涂料的粘接劑，加入量和品種對涂料的性能影響很大，各種組分必須找到恰當的比例，基料的熔點、發泡劑的分解點以及成炭劑的炭化溫度實現良好的匹配度，加強對鋼結構的防火保護。

聚合物乳液防火涂料種類繁多，采用水性乳液制造的防火涂料VOC釋放量要遠少于油性涂料，理化性能和防火性能優良，在鋼結構防火保護中應用廣泛。聚合物乳液一般是高分子合成樹脂乳液，聚合方法不同，導致乳液性能各異，特點各有所長，可根據其特點進行復合使用，涂膜的硬度、柔韌性、耐水性可通過復配調節，增強涂料綜合性能。

單體和水在乳化劑的作用下進行聚合反應，最終形成的穩定的非均相液體即是聚合物乳液。涂料用乳液主要分為兩種：一種為水包油乳狀液；另一種為油包水乳狀液。外觀為乳白（往往帶有藍相）到半透明、均勻的有一定黏稠度的流體。

一、聚合物乳液的性能

聚合物乳液在涂料中是主要的成膜物，其成膜的高分子物質在乳化劑的存在下以微細粒子（0.1～10μm）分散于水中，具有巨大的表面積，只要具備成膜的一般條件，離散的聚合物微粒就互相靠近并形成連續膜。

1.最低成膜溫度（MFT）

聚合物乳液要形成連續涂膜，粒子必須要形成緊密堆積排列構型。因此，形成連續薄膜的條件除了乳液需分散良好以外，還有聚合物粒子的變形，當粒子互相接觸時，水分蒸發產生的壓力就迫使粒子被擠壓變形而互相粘接，形成涂膜。

防火涂料中使用的乳液大部分為熱塑性樹脂，溫度越低，其硬度越大，越難于變形，當低于聚合物乳液的最低成膜溫度值時，乳液不能成膜。該值與聚合物的玻璃化溫度有關，也是乳液的一個重要應用指標，在聚合物乳液的選用過程中應關注這一指標，如表2-1所示，也可以使用成膜助劑使乳液具有滿足使用要求的最低成膜溫度。

2.玻璃化溫度（Tg）

高聚物由高彈態轉變為玻璃態時有一個轉變對應溫度，亦即玻璃化溫度。玻璃化溫度能夠反映聚合物乳液形成涂膜后硬度的大小，玻璃化溫度的高低取決于共聚物的組成，能形成剛性聚合物的硬單體和形成柔軟聚合物的軟單體可根據需要搭配使用。

該溫度值具有一定的范圍區間，根據測定的方法和條件不同而有所差異，是高聚物的一個重要性能指標。如表2-2所示。Tg高的乳液，涂膜硬度大、光澤度高、耐沾污性好、不易污染，其他力學性能相應也好些。但是，玻璃化溫度高，最低成膜溫度也高，不利于低溫施工。

對于鋼結構防火涂料生產中使用的聚合物乳液，必須控制適當的玻璃化溫度。乳液的玻璃化溫度還可以通過加增塑劑進行二次調節。但增塑劑有遷移和揮發的問題，故對其使用要注意。

3.殘存單體含量

乳液聚合反應往往會有少量未完全反應的單體存在，殘存單體含量過高，VOC含量高，不利于環境保護以及乳液的穩定性，一些單體水解還會使乳液體系的pH值發生變化，在聚合物乳液中殘留單體含量要控制在1％以下。

4.粒度和粒度分布

聚合物乳液作為一個非均相體系，聚合物粒子的粒徑大小及其分布有很大的差異，工業生產的聚合物乳液一般為多分散性乳液，粒度分布不均勻，對乳液的黏度、成膜性質及涂膜的性能均有很大影響。粒度小，臨界顏料體積濃度較高、滲透性好。

5.相容性

在配制鋼結構防火涂料時，需要添加多種化學物質，如顏料、分散劑、消泡劑、成膜助劑、防霉劑等，如果與所用的聚合物乳液相容性不佳，嚴重時會引起破乳，輕則影響成膜后涂膜的各項性能。因此，在制備時須選擇與乳液具有良好相容性的物質。

6.穩定性

穩定性主要是指組成乳液的各組分物質間的機械穩定性、儲存穩定性、凍融穩定性、稀釋穩定性等。

聚合物乳液的機械穩定性主要反映其對剪切應力的敏感程度。這一性能，對于需要高速分散生產乳液涂料或用泵輸送的乳液涂料的性能是非常重要的。如其性能不佳，在乳膠漆的生產過程中就容易發生聚結現象（破乳），使涂料報廢。

凍融穩定性即是指乳液經受凍結和融化交替變化時的穩定性。涂料在很多情況下要被暴露于凍結的氣候條件下，當聚合物乳液遇到低溫條件時會發生凍結，凍結和融化會影響乳液的穩定性，導致黏度上升，或者乳液凝聚。

乳液的顏料混合穩定性是指對于添加顏料的乳液，顏料的選擇及混合方法均影響其穩定性。

儲存穩定性是指儲存期間乳液發生變質的難易程度。包括因受重力影響粒子沉降或上浮形成濃縮層以及濃縮層是否凝集的穩定性，聚合物粒子對水解和脫鹽酸反應等化學變化的穩定性，受冷熱溫度變化乳液體系是否會被破壞的穩定性。包括常溫、低溫、加熱儲存穩定性。

乳液品種的分類通常是按乳液合成中單體的成分來進行的，同時也必須對其分子量加以控制，才能使其具有一定的溶解性并對填（顏）料有較好的潤濕性，若乳液的分子量過大，則對填（顏）料的潤濕能力降低，影響涂料的性能。

鋼結構防火涂料通常采用的有聚丙烯酸酯乳液、苯乙烯-丙烯酸共聚乳液、醋酸乙烯-丙烯酸共聚乳液、氯乙烯-偏二氯乙烯共聚乳液等；常用的水性樹脂有氯丁膠乳液、水溶性三聚氰胺甲醛樹脂、環氧乳液、過氯乙烯和氯乙烯-醋酸乙烯酯共聚乳液、含氟乳液（氟碳乳液）、聚氨酯乳液等，也可以探索其在鋼結構防火涂料中的應用。

除熱塑性乳液外，近幾年還出現了室溫交聯乳液，如含交聯單體N-羥甲基丙烯酰胺的純丙自交聯乳液、通過金屬離子交聯的室溫交聯乳液及隨著水分蒸發而交聯的“逃逸型”室溫交聯乳液、丁二烯和聚苯乙烯共聚的丁苯乳液、用有機氟單體改性的乳液、通過金屬離子交聯的室溫交聯型乳液等。

二、丙烯酸酯乳液

丙烯酸酯乳液在鋼結構防火涂料中已經應用得非常廣泛，丙烯酸樹脂由丙烯酸酯類、甲基丙烯酸酯類和其他烯烴類單體共聚而成，丙烯酸酯乳液既有優良的裝飾性能又有優異的成膜性能，但存在熱黏冷脆、不耐溶劑等缺點，因此根據不同的配方、生產工藝和單體的選擇可以制備出不同性能的丙烯酸酯乳液，按產品的組成可以分為醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液（EVA乳液）、醋酸乙烯-叔碳酸乙烯酯共聚物乳液（醋叔乳液）、醋酸乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液（醋丙乳液）、純丙烯酸酯共聚乳液（純丙乳液）、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液（苯丙乳液）等。

有機硅樹脂具有優異的耐高溫、低溫性能和耐水性能，國內外在有機硅改性丙烯酸樹脂乳液方面進行了卓有成效的研究，有研究人員利用有機硅改性丙烯酸樹脂與納米雙羥基復合金屬氧化物在一定范圍內復配，在高聚物中形成納米復合人工微結構材料，在熱分解燃燒過程中，可能形成碳及無機鹽多層結構，使得丙烯酸類樹脂具有高阻燃性和優異的力學性能。

丙烯酸高彈乳液制成的涂料在經過耐火測試后，生成的炭質層泡孔均勻致密，而采用EVA乳液的漆膜硬度較好，但是耐火極限遠不如采用丙烯酸高彈乳液的涂料，這可能是由于在高溫情況下，EVA乳液融化后并不能包裹釋放的氣體，因此在炭質層上出現較多的泡孔以及裂紋，這直接導致降低了防火涂料的耐火時間。硅丙乳液制成的涂料硬度較高，但是耐火性能不佳，究其原因在于該乳液受熱后不能熔融，與膨脹組分的分解時間難以協調，導致其炭質層有大量裂紋。

三、水性醇酸樹脂

水性醇酸樹脂是用水作溶劑或分散介質制備而得。水性化后，生產和施工安全、VOC含量大大降低，被分為單組分自干烘干型及雙組分室溫干燥型體系兩種。

水性化是醇酸樹脂的重要發展方向之一，缺點是主鏈中酯鍵易水解，儲存穩定性不好、耐水性差。因此目前有各種改性的水性醇酸樹脂，其中以丙烯酸樹脂、有機硅樹脂、聚氨酯、苯乙烯的改性效果顯著。

四、氯偏乳液

氯偏樹脂具有良好的常溫下成膜性能，耐紫外線、耐腐蝕性能和優異的電絕緣性能，可以提高防火涂料的固含量，但是其在火災發生時燃燒釋放出有害氣體，發煙量大，因此對其進行水性化處理，即在原為不水溶的樹脂分子中接上一定數量的羧基、氨基等親水的官能團，經堿（或酸）中和而制得。

涂料施工時，為了保證合適的施工黏度，噴涂或刷涂過程中必須加入一定量的有機助溶劑，添加量為樹脂的40％～60％，所以在該類涂料中仍然會含有較多的有機溶劑，存在一定的環保問題。