第三节　聚合物乳液类基料

乳液是薄型钢结构防火涂料的粘接剂，加入量和品种对涂料的性能影响很大，各种组分必须找到恰当的比例，基料的熔点、发泡剂的分解点以及成炭剂的炭化温度实现良好的匹配度，加强对钢结构的防火保护。

聚合物乳液防火涂料种类繁多，采用水性乳液制造的防火涂料VOC释放量要远少于油性涂料，理化性能和防火性能优良，在钢结构防火保护中应用广泛。聚合物乳液一般是高分子合成树脂乳液，聚合方法不同，导致乳液性能各异，特点各有所长，可根据其特点进行复合使用，涂膜的硬度、柔韧性、耐水性可通过复配调节，增强涂料综合性能。

单体和水在乳化剂的作用下进行聚合反应，最终形成的稳定的非均相液体即是聚合物乳液。涂料用乳液主要分为两种：一种为水包油乳状液；另一种为油包水乳状液。外观为乳白（往往带有蓝相）到半透明、均匀的有一定黏稠度的流体。

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，其成膜的高分子物质在乳化剂的存在下以微细粒子（0.1～10μm）分散于水中，具有巨大的表面积，只要具备成膜的一般条件，离散的聚合物微粒就互相靠近并形成连续膜。

1.最低成膜温度（MFT）

聚合物乳液要形成连续涂膜，粒子必须要形成紧密堆积排列构型。因此，形成连续薄膜的条件除了乳液需分散良好以外，还有聚合物粒子的变形，当粒子互相接触时，水分蒸发产生的压力就迫使粒子被挤压变形而互相粘接，形成涂膜。

防火涂料中使用的乳液大部分为热塑性树脂，温度越低，其硬度越大，越难于变形，当低于聚合物乳液的最低成膜温度值时，乳液不能成膜。该值与聚合物的玻璃化温度有关，也是乳液的一个重要应用指标，在聚合物乳液的选用过程中应关注这一指标，如表2-1所示，也可以使用成膜助剂使乳液具有满足使用要求的最低成膜温度。

2.玻璃化温度（Tg）

高聚物由高弹态转变为玻璃态时有一个转变对应温度，亦即玻璃化温度。玻璃化温度能够反映聚合物乳液形成涂膜后硬度的大小，玻璃化温度的高低取决于共聚物的组成，能形成刚性聚合物的硬单体和形成柔软聚合物的软单体可根据需要搭配使用。

该温度值具有一定的范围区间，根据测定的方法和条件不同而有所差异，是高聚物的一个重要性能指标。如表2-2所示。Tg高的乳液，涂膜硬度大、光泽度高、耐沾污性好、不易污染，其他力学性能相应也好些。但是，玻璃化温度高，最低成膜温度也高，不利于低温施工。

对于钢结构防火涂料生产中使用的聚合物乳液，必须控制适当的玻璃化温度。乳液的玻璃化温度还可以通过加增塑剂进行二次调节。但增塑剂有迁移和挥发的问题，故对其使用要注意。

3.残存单体含量

乳液聚合反应往往会有少量未完全反应的单体存在，残存单体含量过高，VOC含量高，不利于环境保护以及乳液的稳定性，一些单体水解还会使乳液体系的pH值发生变化，在聚合物乳液中残留单体含量要控制在1％以下。

4.粒度和粒度分布

聚合物乳液作为一个非均相体系，聚合物粒子的粒径大小及其分布有很大的差异，工业生产的聚合物乳液一般为多分散性乳液，粒度分布不均匀，对乳液的黏度、成膜性质及涂膜的性能均有很大影响。粒度小，临界颜料体积浓度较高、渗透性好。

5.相容性

在配制钢结构防火涂料时，需要添加多种化学物质，如颜料、分散剂、消泡剂、成膜助剂、防霉剂等，如果与所用的聚合物乳液相容性不佳，严重时会引起破乳，轻则影响成膜后涂膜的各项性能。因此，在制备时须选择与乳液具有良好相容性的物质。

6.稳定性

稳定性主要是指组成乳液的各组分物质间的机械稳定性、储存稳定性、冻融稳定性、稀释稳定性等。

聚合物乳液的机械稳定性主要反映其对剪切应力的敏感程度。这一性能，对于需要高速分散生产乳液涂料或用泵输送的乳液涂料的性能是非常重要的。如其性能不佳，在乳胶漆的生产过程中就容易发生聚结现象（破乳），使涂料报废。

冻融稳定性即是指乳液经受冻结和融化交替变化时的稳定性。涂料在很多情况下要被暴露于冻结的气候条件下，当聚合物乳液遇到低温条件时会发生冻结，冻结和融化会影响乳液的稳定性，导致黏度上升，或者乳液凝聚。

乳液的颜料混合稳定性是指对于添加颜料的乳液，颜料的选择及混合方法均影响其稳定性。

储存稳定性是指储存期间乳液发生变质的难易程度。包括因受重力影响粒子沉降或上浮形成浓缩层以及浓缩层是否凝集的稳定性，聚合物粒子对水解和脱盐酸反应等化学变化的稳定性，受冷热温度变化乳液体系是否会被破坏的稳定性。包括常温、低温、加热储存稳定性。

乳液品种的分类通常是按乳液合成中单体的成分来进行的，同时也必须对其分子量加以控制，才能使其具有一定的溶解性并对填（颜）料有较好的润湿性，若乳液的分子量过大，则对填（颜）料的润湿能力降低，影响涂料的性能。

钢结构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；常用的水性树脂有氯丁胶乳液、水溶性三聚氰胺甲醛树脂、环氧乳液、过氯乙烯和氯乙烯-醋酸乙烯酯共聚乳液、含氟乳液（氟碳乳液）、聚氨酯乳液等，也可以探索其在钢结构防火涂料中的应用。

除热塑性乳液外，近几年还出现了室温交联乳液，如含交联单体N-羟甲基丙烯酰胺的纯丙自交联乳液、通过金属离子交联的室温交联乳液及随着水分蒸发而交联的“逃逸型”室温交联乳液、丁二烯和聚苯乙烯共聚的丁苯乳液、用有机氟单体改性的乳液、通过金属离子交联的室温交联型乳液等。

二、丙烯酸酯乳液

丙烯酸酯乳液在钢结构防火涂料中已经应用得非常广泛，丙烯酸树脂由丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类和其他烯烃类单体共聚而成，丙烯酸酯乳液既有优良的装饰性能又有优异的成膜性能，但存在热黏冷脆、不耐溶剂等缺点，因此根据不同的配方、生产工艺和单体的选择可以制备出不同性能的丙烯酸酯乳液，按产品的组成可以分为醋酸乙烯-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）、纯丙烯酸酯共聚乳液（纯丙乳液）、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液（苯丙乳液）等。

有机硅树脂具有优异的耐高温、低温性能和耐水性能，国内外在有机硅改性丙烯酸树脂乳液方面进行了卓有成效的研究，有研究人员利用有机硅改性丙烯酸树脂与纳米双羟基复合金属氧化物在一定范围内复配，在高聚物中形成纳米复合人工微结构材料，在热分解燃烧过程中，可能形成碳及无机盐多层结构，使得丙烯酸类树脂具有高阻燃性和优异的力学性能。

丙烯酸高弹乳液制成的涂料在经过耐火测试后，生成的炭质层泡孔均匀致密，而采用EVA乳液的漆膜硬度较好，但是耐火极限远不如采用丙烯酸高弹乳液的涂料，这可能是由于在高温情况下，EVA乳液融化后并不能包裹释放的气体，因此在炭质层上出现较多的泡孔以及裂纹，这直接导致降低了防火涂料的耐火时间。硅丙乳液制成的涂料硬度较高，但是耐火性能不佳，究其原因在于该乳液受热后不能熔融，与膨胀组分的分解时间难以协调，导致其炭质层有大量裂纹。

三、水性醇酸树脂

水性醇酸树脂是用水作溶剂或分散介质制备而得。水性化后，生产和施工安全、VOC含量大大降低，被分为单组分自干烘干型及双组分室温干燥型体系两种。

水性化是醇酸树脂的重要发展方向之一，缺点是主链中酯键易水解，储存稳定性不好、耐水性差。因此目前有各种改性的水性醇酸树脂，其中以丙烯酸树脂、有机硅树脂、聚氨酯、苯乙烯的改性效果显著。

四、氯偏乳液

氯偏树脂具有良好的常温下成膜性能，耐紫外线、耐腐蚀性能和优异的电绝缘性能，可以提高防火涂料的固含量，但是其在火灾发生时燃烧释放出有害气体，发烟量大，因此对其进行水性化处理，即在原为不水溶的树脂分子中接上一定数量的羧基、氨基等亲水的官能团，经碱（或酸）中和而制得。

涂料施工时，为了保证合适的施工黏度，喷涂或刷涂过程中必须加入一定量的有机助溶剂，添加量为树脂的40％～60％，所以在该类涂料中仍然会含有较多的有机溶剂，存在一定的环保问题。