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一种保护基体免受热流和火焰损伤的组合物及其方法

阅读：748发布：2020-07-24

专利汇可以提供一种保护基体免受热流和火焰损伤的组合物及其方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及火焰或热流防护性涂料组合物，该组合物含有分散于硅树脂中的玻璃纤维、中空玻璃球或两者的组合。本发明还涉及火焰或热流防护板，该防护板含有片状形式的分散于硅树脂中的中空玻璃球或片状形式的玻璃纤维和硅树脂，其中玻璃纤维分散于硅树脂中或者玻璃纤维是包被硅树脂的编织布。本发明还涉及应用火焰或热流的防护涂层或防护板形式的物件以及用火焰或热流防护涂料组合物包被物件的方法。，下面是一种保护基体免受热流和火焰损伤的组合物及其方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种火焰或热流防护涂料组合物，其特征在于，所述组合物包含分散于硅树脂中的中空玻璃球或玻璃纤维和中空玻璃球的组合物。
2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述组合物包含以重量计占总组合物约8％至约14％的玻璃纤维。
3.根据权利要求2所述的组合物，其特征在于，所述玻璃纤维在组合物中存在的量为组合物重量的约8％至约12％。
4.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，其特征在于，所述组合物包含以重量计占总组合物约0.1％至约40％的中空玻璃球。
5.根据权利要求4所述的组合物，其特征在于，所述中空玻璃球在组合物中存在的量为组合物重量的约0.25％至约20％。
6.根据权利要求4所述的组合物，其特征在于，所述中空玻璃球在组合物中存在的量为组合物重量的约0.5％至约30％。
7.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述组合物包含长度为约1毫米至约
20毫米的玻璃纤维。
8.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述组合物包含直径为约6微米至约
19微米的玻璃纤维。
9.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述组合物包含直径为约5微米至约
30微米的中空玻璃球。
10.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述组合物包含玻璃纤维，其中至少一部分胶料从所述玻璃纤维中去除。
11.一种含有至少一部分表面包被权利要求1中所述组合物的物品。
12.根据权利要求11所述的物品，其特征在于，所述的表面含有选自下述组的材料，所述的组包括金属，热塑性塑料、热塑性塑料复合材料、聚乙烯、木材、石材、陶瓷、玻璃、砌体材料以及其组合。
13.根据权利要求11所述的物品，其中所述物品选自下述组，该组包括钢弹盒、铁路轨枕、塑料管材、木材、板桩、船壳、轻型货车车身、汽油罐、汽车油箱、飞机、船舶、潜艇、钢制摩天楼结构、桥梁，高温作业组件附近区域、基础设施、建筑支持结构、悬索桥中的缆索，以及高压储罐。
14.一种火焰或热流防护板，其包含以片状形式分散于硅树脂中的中空玻璃球。
15.一种含有权利要求14中所述防护板的物品，所述物品选自下述组，该组由织物、钢弹盒、铁路轨枕、塑料管材、木材、板桩、船壳、轻型货车车身、汽油罐、机动车油箱、飞机、船舶、潜艇、钢制摩天楼结构、桥梁、高温作业组件附近区域、基础设施、建筑支持结构、悬索桥中的缆索，以及高压储罐组成。
16.根据权利要求15所述的物品，其特征在于，所述织物用于防火服或防火毯。
17.一种用火焰或热流防护涂层包被物品的方法，其特征在于，该方法包括将权利要求
1所述的组合物使用于所述物品的至少一部分。

说明书全文

一种保护基体免受热流和火焰损伤的组合物及其方法

背景技术

[0001] 热障涂层(TBC)从持续时间久的或极度的热流中隔离和保护基体，并使得基体材料在使用中保留其机械性能的完整性。系统类型及其成分的选择取决于用途。热量可以通过几种方法从基体中耗散，包括热沉、主动冷却、蒸腾冷却、辐射冷却以及膨胀。

[0002] 需要一种涂料，该涂料当受到高机械应力时能够保护基体免于高温暴露，对破损具有高应力(即韧性)，并且在恶劣低温下具有粘附性。发明内容

[0003] 本发明涉及一种火焰或热流防护性涂料组合物，该组合物含有分散于硅树脂中的玻璃纤维、中空玻璃球或两者的组合。本发明还涉及一种火焰或热流防护板，该防护板含有硅树脂以及片状形式的玻璃纤维、中空玻璃球或两者的组合，其中玻璃纤维和/或中空玻璃球分散于硅树脂中或者玻璃纤维是包被硅树脂的编织布。本发明还涉及用火焰或热流防护涂层包被物品的方法，以及包含火焰或热流的防护涂层或防护板的物品。附图说明

[0004] 图1是几种硅树脂产品的粘度对剪切速率的作图。

[0005] 图2是三种玻璃组分/硅树脂涂料的粘度对剪切速率的作图。

[0006] 图3是几种中空玻璃球/硅树脂涂料的粘度对剪切速率的作图。

[0007] 图4是描述被测试涂层产品性质的表格。

[0008] 图5是玻璃纤维/硅树脂涂料火焰测试中温度对时间的作图。

[0009] 图6是玻璃纤维/硅树脂涂料平均火焰测试结果图示。

[0010] 图7是中空玻璃球/硅树脂涂料火焰测试结果图示。

[0011] 图8是中空玻璃球/硅树脂涂料火焰测试结果图示。

[0012] 图9是未涂覆中空玻璃球/硅树脂涂料的钢板与涂覆中空玻璃球/硅树脂涂料的钢板火焰测试结果对比图示。

[0013] 发明的详细描述

[0014] 本发明包括一种“玻璃组分”，是指包括玻璃纤维和/或中空玻璃球。所述的玻璃组分给予本发明中的组合物高辐射系数。辐射系数作为其温度的函数，是材料吸收和辐射能量的能力，在本文中定义为材料辐射给同温度的黑体的总能量比率。黑体吸收全部电磁辐射，是辐射系数为1的理想辐射体。所有非黑体物体的辐射系数都小于1，并由物体的温度、表面特性、几何形状和尺寸，以及化学组成所决定。为了散热，接近1的高辐射系数值是理想的。玻璃的辐射系数在0.87-0.95之间。

[0015] 玻璃组分为涂料组合物提供相对低的导热率，因此也具有高的热绝缘值。例如，一股玻璃纤维的一端能够在高温时从其包被基体上将热辐射掉，而同一股玻璃纤维的另一端能够使基体隔绝辐射的热量。在另一个例子中，中空玻璃球的暴露在高温下引起球体融化的同时在基体上方形成一层防护层。

[0016] 玻璃组分以适于热暴露时促进有效辐射冷却的量存在。在一种实施方案中，玻璃纤维的量为组合物重量的约4％至约14％。优选地，玻璃纤维的量为组合物重量的约8％至约14％，更加优选组合物重量的约8％至约12％。

[0017] 在另一个实施例中，中空玻璃球的量为组合物重量的约0.1％至约40％。中空玻璃球的量影响涂料的粘度并可能依赖于合适的涂覆方法。如，在使用喷涂法涂覆涂料时，中空玻璃球优选的量为组合物重量的约0.25％至约20％。在采用浸渍法涂覆涂料时，中空玻璃球优选的量为组合物重量的约5％至约30％。当使用泡沫刷涂覆涂料时，中空玻璃球的量达到组合物重量的约40％。

[0018] 玻璃纤维可以具有合适的纤维长度和直径。玻璃纤维还可以包含具有适当长度和直径的纤维的混合。优选地，纤维长度范围为大约1毫米至大约20毫米。优选的纤维直径为大约6微米至大约19微米。可选择地，在与硅树脂组分结合之前从玻璃纤维成分中去除至少一部分胶料。

[0019] 中空玻璃球可以具有任何合适的直径或为合适直径的混合。优选地，中空玻璃球直径范围为大约5微米至大约30微米，特别优选18微米。

[0020] 玻璃组分可以具有任何适合的纵横比。在一种实施方式中，玻璃组分的纵横比是从约1∶1至约20∶1。

[0021] 硅树脂组分为涂层提供机械柔性和在宽温度范围内(例如，-110-400℉)的热稳定性。此外，高温下(例如，超过400℉)硅树脂组分分解成为二氧化硅和氧化硅，可从热源中吸收大量能量。另外，作为硅树脂降解的结果，玻璃组分的大表面积暴露出来。暴露的玻璃纤维或中空玻璃球的缠绕网加深了涂层辐射降温的程度，并通过停留在植根于温度较低的接近被保护的基体表面的硅树脂底层而隔热。

[0022] 优选地，硅树脂成分包括二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷。

[0023] 对于涂覆到热塑性基体材料，优选含有溶剂的低粘度硅树脂，因为其不需要添加能增加该硅树脂和基体层间结合的材料，比与高粘度硅树脂混合需要较少能量，以及，更方便涂覆在基体上。例如，发现道康宁(Dow Corning) 236分散剂与聚乙烯和聚苯乙烯粘合得很好。当利用含有较少挥发性有机化合物(如小于1％量的VOC)的较浓的硅树脂(如粘-1 -1度大于100Pa.s，剪切速率在约1s 和1000s )中加入聚氨酯时，可加强与热塑性基体材料表面的结合作用。例如，硅橡胶和高达70％的聚氨酯的混合物在火焰测试中表现很好。如果需要在低温条件下的高韧性，则聚氨酯最大允许的浓度为40％，以使其通过低温柔性测试，在柔性测试中已包被的基体材料在-79℃绕0.64cm的轴弯折180°。

[0024] 利用适合在涂料组合物中硅树脂粘度的方法混合或搀和玻璃组分和硅树脂。包含较高粘度的硅树脂的混合物可以用较强的混合工具(如，桨板混合器，单或双螺旋混合器，Banburay泡沫器或类似工具等)制备。包括一种较低粘度的硅树脂混合物也可以用以前描述的混合工具或在容器中用搅拌工具手动混合或在一个密闭的容器中摇晃混合物。

[0025] 本发明的另一方面包括使用火焰或热流防护涂料组合物于物件的至少一部分的方法，其中所述的组合物包含分散于硅树脂中的玻璃纤维。在优选的实施方案中，涂料通过刷涂的方法涂在基体上。当采用刷涂方法涂覆时，优选中等粘度硅树脂(如道康宁 734可流动密封胶)。在另一个实施方案中，通过将基体浸泡于涂料组合物中而包被涂层。在另一个实施方案中，通过喷涂涂料组合物于基体上而包被涂层。当采用喷涂方法涂覆时，优选较低粘度的硅树脂(如道康宁 236分散剂)，当涂覆涂层时，均匀的涂层并不是关键性的，但涂层必须足够的厚，厚到看不到下垫面。对于较厚涂层(如，对于防火砖时)，优选高粘度硅树脂(如硅胶1(GE))。

[0026] 本发明的另一方面还包括一种物品，其中至少一部分用一种组合物包被，该组合物包括在硅树脂中含有玻璃纤维分散相、中空玻璃球分散相或其二者的组合。

[0027] 用于包被物件的合适基体包括，例如，热塑性塑料、热塑性塑料复合材料、聚乙烯、木材、石材、金属(例如，钢)、陶瓷、玻璃、砌体材料(举例来说，砖块、大理石、花岗岩、钙华、石灰石、混凝土砌块、玻璃砖、瓦，等等)，及类似物。例如，美国专利6,191,228、5,951,940、5,916,932、5,789,477和5,298,214公开了由生活和工业废塑料制成的结构可再生的塑料木材复合材料，其中聚烯烃与聚苯乙烯或热塑性塑料包被的诸如玻璃纤维的纤维材料混合。这五个专利的公开都以引文形式并入本文。

[0028] 被包被的物件可以具有任何形状或形式，例如，圆形截面，矩形截面，沙漏型截面，呈片状，或其组合。塑料复合材料的示例性的形式公开于2003年7月8日提交的美国专利申请60/486,205，2005年5月19日提交的美国专利申请60/683,115，2006年1月9日提交的美国专利申请10/563,883，以及2006年5月19日提交的国际申请PCT/US06/19311。所有上述公开都以引文形式并入本文。在一个实施方案中，物件为L型梁、I型梁、C型梁、T型梁，或其组合。

[0029] 适于用本发明所述组合物包被的示例性物件包括，但不限于，钢弹盒、铁路轨枕、塑料管材、木材、板桩、船壳、轻型货车车身、汽油罐、汽车油箱、飞机、船舶、潜艇，钢制摩天楼结构、桥梁，诸如点火室的高温作业组件附近区域，基础设施，例如建筑支持结构和悬索桥中的缆索，高压储罐，等等。

[0030] 本发明中的组合物也可以呈现为片状形式。例如，硅树脂和玻璃组分可以在挤压机中结合，并挤压入板材挤出模具。在另一个实施方案中，编织的玻璃纤维布用硅树脂成分包被。

[0031] 本发明的这种片状形式的示例性应用包括，但不限于，织物，例如防火服和防火毯，以及应用于上文提到的适合包被本发明中的组合物的任一物件的片状形式。

[0032] 在此给出的下文中的非限制性实例阐述了本发明的某些方面。

具体实施方式

[0033] 实施例1-硅树脂的粘度对剪切速率

[0034] 图1中描述了3种类型硅树脂的粘度对剪切速率作图。其中利用TA仪器AR-2000流速计测量粘度与剪切速率。在23℃的恒温及恒定％应力下从100Hz到0.01Hz对组合物进行扫频测试。在线性粘度区域内选择％应力值，并在1Hz恒定频率和23℃恒温下通过应力扫描测试在1至10,000μNm范围内确定每种混合物的％应力值。

[0035] 粘度最大的硅树脂为硅胶1(GE)，其次是道康宁 734可流动密封胶和道康宁236分散剂。道康宁 236分散剂与另外两种硅树脂相比具有显著地较低的粘度。

[0036] 实施例2具有玻璃纤维或中空玻璃球的硅树脂的粘度对剪切速率

[0037] 对几种浓度的玻璃与几种类型的硅树脂进行流速试验来决定涂料的粘度。通过混合玻璃组分和硅树脂制备组合物。如实施例1中所述方法进行粘度与剪切速率试验。

[0038] 图2比较了三种类型阻燃涂层的粘度对剪切速率的作图。包括以10/90质量百分TM比的玻璃纤维/硅树脂1 以10/90质量百分比的3M iM30K高强度玻璃微球/道康宁TM
734流动密封胶，和以10/90质量百分比的3M iM30K高强度玻璃微球/道康宁 236分TM
散剂。其中3M iM30K高强度玻璃微球/道康宁 236分散剂阻燃涂料组合物的粘度明显TM
小于玻璃纤维/硅树脂1 以及3M iM30K高强度玻璃微球/道康宁 734流动密封胶。

[0039] 涂料组合物包含占道康宁 236分散剂组合物总量的0％、10％、20％、30％和TM40％的3M iM30K高强度玻璃微球(如中空玻璃微球)，通过混合上述微球和硅树脂制备。

[0040] 图3中描述了道康宁 236分散剂中含有不同百分比含量的3MTMiM30K高强度玻璃微球的涂料的粘度对剪切速率的作图。涂料的粘度随玻璃微球的增加而增大。

[0041] 实施例3-样品制备(玻璃纤维在硅树脂中)

[0042] 制备含有痕量硅油的、玻璃纤维在硅树脂中占重量比4％、6％、8％、10％、12％和14％的混合物。在搅拌机中混合这些成分，并用油灰刮刀涂于钢片上，目标厚度为1.6毫米或以下。玻璃纤维/硅树脂涂料与七种商品化的产品进行低温弯折测试以及直接高温火焰测试比较(图4)。涂覆涂层于标准的76毫米×152毫米×0.735毫米钢片。两个试验中每一个样品或涂层类型都测试三份样本。

[0043] 实施例4-样品制备(中空玻璃球在硅树脂中)

[0044] 制备3MTM iM30K高强度玻璃微球在道康宁 236分散剂中占重量比0.1％、1％、3％、5％、10％、15％、20％、30％和40％的混合物。在搅拌机中混合这些成分，并涂于76毫米×152毫米×0.735毫米的钢片上，涂覆方法采用下面三种方法之一：泡沫刷涂刷，用塑料油灰刮刀涂覆或浸渍，目标厚度为1.6毫米或以下。

[0045] 实施例5-低温弯折测试

[0046] 包被的钢板在干冰(约-79℃)上退火至少15分钟，随后在0.64厘米芯棒旁以180°角弯曲。在测试过程中，每个样本在弯曲30°、90°和180°时都拍下照片。目测观察提供一种涂层结合于钢基体时对于温度冲击的反应，并且指示由于低温下弯折所产生的表面损伤的类型和严重程度。成功的包被在测试之后不产生表面损伤。

[0047] 在弯折时，涂层拉伸以适应基体新的更大的表面积。涂层的表面具有张力，并且弯折时受到最高百分比的张力。因此，裂纹开始在涂层表面形成。包被的失败是通过在涂层和分层中的裂纹发展和扩展来表征的。常见的失败模式包括变形区中平行于弯曲轴的细小裂纹的形成，造成成块的涂料脱落和基体暴露的大裂纹，以及一些脆性破损。在某些情况下，涂层本身也会分层。这些类型的表面破损表明具有低应力的涂层在低温下会受到破坏，并将脱离或分层，暴露出基体，产生辐射换热的点源。

[0048] 如图4所示，产品A、B、C、D、E和G由于裂纹的形成而没有通过低温弯折测试。当采用更大的弯折角时，初始裂纹简单传播，导致成块的涂层从基体脱落，以及/或者涂层分层。在产品C的样品中，三个样本中有两个通过测试，而在产品G的样品中，三个样本中有一个通过测试。然而，每个样品的全部样本都必须通过测试，才能被认定为测试成功。产品H，一种基于硅树脂的涂料，是测试的商品化涂料中唯一没有遭受任何表面损伤并通过低温弯折测试的。玻璃纤维/硅树脂复合材料涂层没有遭受任何表面损伤，在弯折过程中保持附着于基体，并通过了低温弯折测试。涂层的厚度看来并没有显著影响低温性能。对于产品E和玻璃纤维/硅树脂复合材料，制备了各种厚度的样本。所有的产品E样本都没有通过测试，而所有玻璃纤维/硅树脂复合材料样本都通过了测试。

[0049] 所有的3MTMiM30K高强度玻璃微球在道康宁 236分散剂复合材料样本都成功通过了低温柔性测试(图4)。

[0050] 实施例6-火焰测试

[0051] 由丙烷火炬产生的火焰常规应用于样品的涂层侧。红外传感器(Omega OS550系列红外工业高温计)与准火焰同轴，垂直的钢片背面测量的温度为时间的函数。将火焰的内焰长度调整至3.175厘米，内焰的尖端，火焰温度最高的部分，直接定位至样品表面距底边2.54厘米上方，并于样品幅宽的中心。这种构造给予高温直接点加热的最严酷的条件。丙烷绝热的火焰温度大约在1,927℃+/-38℃。使用的火焰总持续时间为10分钟。如果某种涂层经红外传感器检测到的最高温度超过316℃，则认为该涂料火焰测试失败。每种涂层所达到的最高温度与对照样本无涂覆的钢板比较以作参考。

[0052] 火焰测试结果在图4-9中以图形化展示。每个样品(如玻璃纤维/硅树脂涂料和商业化产品)的火焰测试过程中的平均温度对时间数据展示于图5中，每个样品的平均最高温度和标准差展示于图6中。在所有的涂层中，12％玻璃纤维/硅树脂涂层保持最低的最高温度值。在图6中，黑色的水平线表示通过/失败温度限值316℃，并区分开失败的涂层与通过火焰测试的涂料(即，具有低于这条线的最高温度涂料通过测试，而高于此的则失败)。

[0053] 具有低于限值的最高温度的涂层是产品D和产品E以及玻璃纤维/硅树脂复合材料涂层(除了6％玻璃纤维组合物)(图4)。产品A、B、C、F、G和H的平均最高温度超过限值，因此测试失败。

[0054] 图7显示了在道康宁 236分散剂中含有3MTM iM30K高强度玻璃微球的涂料在10分钟火焰测试的最高温度。这些火焰测试样品的涂层厚度范围为0.25毫米至0.8毫米。添加中空玻璃微球获得的最高温度下降了100℃。较厚的涂层提供较强的保护并导致较低的最高温度。

[0055] 图8显示了在有机硅基1 中含有重量百分比为10％、15％和20％的3MTMiM30K高强度玻璃微球的涂料在10分钟火焰测试获得的最高温度。用于火焰测试样品的涂层厚度范围为1.14毫米-1.19毫米。

[0056] 图9呈现了在每种有机硅基中含有10％的3MTM iM30K高强度玻璃微球的道康宁236分散剂和硅胶1 之间10分钟火焰测试对比。也提供了没有涂覆的钢片的火焰测试结果。火焰测试表明各种充分加工处理的硅橡胶实质上表现相同。因此，可以根据本发明要求的涂覆方法使用任何硅橡胶。

[0057] 上述实施例和优选实施方案的描述应该被视为举例说明，而不是对本发明如权利要求所界定的保护范围的限制。容易被接受的是，就上面提出的特征的诸多变化和组合可以被应用而不偏离权利要求界定的本发明。这些变化不能被认为是偏离本发明的实质内容和文字表达，所有这样的变化都将视为包含在所附权利要求书的范围内。

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