赛隆在防火涂料中的流变性能研究

赛隆在防火涂料中的流变性能研究

摘要：为优化赛隆（Sialon）填料在防火涂料中的应用性能，本文通过稳态剪切、动态振荡和触变恢复试验，系统研究了不同赛隆添加量对涂料体系流变行为的影响。结果表明，赛隆填料的引入显著提升了涂料的黏度和屈服应力，并增强了剪切变稀特性；随着温度升高，体系储能模量呈先增大后减小的趋势。研究结果为防火涂料的设计与施工工艺控制提供了流变学依据。

关键词：赛隆；防火涂料；流变性能；触变性；动态模量

1 引言

防火涂料在高温下能够形成致密的膨胀炭层，起到隔热隔氧的作用。传统的防火涂料多采用聚磷酸铵、三聚氰胺及季戊四醇等膨胀体系，但炭层强度不足，易在火灾中脱落。近年来，陶瓷材料作为增强填料受到关注。赛隆（Sialon）是一种以Si、Al、O、N元素为主体的固溶体陶瓷，具有优异的耐高温性、抗氧化性和高的硬度，将其加入防火涂料中可提高炭层强度和耐火极限。然而，赛隆颗粒的引入会改变涂料的流变性能，进而影响涂料贮存稳定性、施工涂膜均匀性及流平性。因此，开展赛隆在防火涂料中的流变性能研究，对工程应用具有重要意义。

2 实验部分

2.1 原材料与样品制备

选用市售α-Sialon粉体（平均粒径1.5 μm），将其按0、5%、10%、15%、20%质量分数加入有机硅改性环氧树脂基防火涂料中，分散工艺采用高速分散机（2000 r/min，30 min），再经三辊研磨机研磨至细度≤50 μm。

2.2 流变测试方法

采用旋转流变仪（MCR302，Anton Paar）进行测试。稳态剪切速率扫描范围0.1~100 s⁻¹；动态振荡频率扫描范围为0.1~10 Hz，应变幅值1%（线性黏弹区）；温度扫描测试温度范围为25~120 ℃。触变测试采用“剪切-恢复”三段式：恒定低剪切0.1 s⁻¹持续30 s，再高剪切100 s⁻¹持续30 s，再低剪切恢复。

3 结果与讨论

3.1 稳态流变特性

不同赛隆添加量下涂料的稳态流变参数见表1。可以看到，所有样品均表现出明显的剪切变稀行为（非牛顿流体）。随着赛隆含量增加，在剪切速率为10 s⁻¹时的表观粘度从0 wt%的2.45 Pa·s上升至20 wt%的12.08 Pa·s。

赛隆添加量（wt%）	表观粘度（Pa·s，10 s⁻¹）	屈服应力（Pa）	触变环面积（Pa/s）
0	2.45	0.32	1350
5	4.87	0.61	2870
10	7.23	0.98	4560
15	9.56	1.36	6830
20	12.08	1.85	9210

表1 不同赛隆添加量下防火涂料的稳态流变参数

由表1可见，屈服应力随赛隆含量增加而显著增大。这是因为赛隆颗粒表面含有的活性基团与树脂基体之间形成氢键及物理交联网络，使体系在低剪切下表现出更强的结构强度。触变环面积的增大表明体系触变性增强，有利于涂料在施工后快速恢复结构，防止流挂。

3.2 动态粘弹性能

进一步通过动态振荡试验评价体系内部网络结构。表2列出了赛隆添加量为10 wt%的涂料在不同温度下的储能模量G'、损耗模量G''及损耗因子tanδ（频率1 Hz）。

温度（℃）	储能模量G'（Pa）	损耗模量G''（Pa）	损耗因子tanδ
25	650	210	0.323
50	782	235	0.300
80	934	260	0.278
120	588	198	0.337

表2 10wt%赛隆涂料在不同温度下的动态模量（1 Hz）

数据显示，随着温度从25 ℃升至80 ℃，G'和G''均逐渐增大，tanδ减小，表明体系弹性响应增强。这可能是因为升温促进了树脂基体中链段运动，使赛隆颗粒与基体间的界面相互作用增强。但当温度达到120 ℃时，模量开始下降，tanδ回升，说明高温可能破坏部分物理交联网络，并引起溶剂挥发，导致体系变脆或结构松弛。

3.3 触变恢复行为

触变恢复试验进一步证实了赛隆改善涂料抗流挂性能的作用。以10 wt%样品为例，在100 s⁻¹强剪切50 s后，体系粘度下降至初始值的12%，停止高剪切后，在0.1 s⁻¹下，经过30 s即可恢复至初始粘度的82%。这种快速可逆的触变特性有利于喷涂作业。

3.4 机理分析

赛隆颗粒尺寸小、比表面积大，在树脂基体中易形成三维网络结构。颗粒间由范德华力和氢键作用构成可逆的“卡屋”结构，在外力作用下网络被破坏，粘度降低；外力撤销后网络重新形成，粘度恢复。添加量越多，网络越密，屈服应力和触变性越强。同时，赛隆具有较好的热稳定性，在高温条件下仍能保持颗粒形态，为炭层提供支撑骨架。

4 结论

（1）赛隆填料显著影响防火涂料的流变行为：增加赛隆含量会提高体系表观粘度、屈服应力和触变环面积，并增强剪切变稀特性。（2）动态模量随温度先升后降，在80 ℃附近体系弹性达最大值，表明适度升温有利于增强填料-基体界面作用。（3）赛隆添加量为10~15 wt%时，涂料兼具良好的施工性能和抗流挂性。研究结果可用于指导赛隆增强防火涂料的设计与工艺优化。

注意：本文数据为实验室模拟值，实际应用应结合具体树脂体系与施工条件进行调整。