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室外用超薄鋼結構防火涂料的研制,以小板燃燒法為評價方法,考察了不同樹脂體系、P–C–N 阻燃體系、防火顏填料等因素對涂層防火性能的影響規律
2019年12月11日    閱讀量:8263    新聞來源:中國牛涂網-涂料,化工,機械,建材,行業資訊門戶網站  |  投稿

1 前言

經濟和社會的迅速發展推動了建筑材料的不斷升級和換代,鋼材作為主要承重構件在建筑中已得到了大量應用。鋼材雖在常溫下具有優異的物理和力學性能,但其耐火性能遠比磚石結構和鋼筋混凝土結構要差。


當鋼材達到臨界溫度(540 °C)后,便失去承載能力涂料在線coatingol.com。而通常在建筑火災中,10 min 之內火場的溫度即可達到700 °C 以上。在這樣的火場下,只要幾分鐘裸露鋼材的溫度就會達到臨界值,其承載能力急劇下降,導致建筑物坍塌。


因此,鋼結構的防火十分必要。鋼結構的防火方式有疏導法和截流法。目前,疏導法的應用僅有充水冷卻保護法,而截流法的應用較多,主要有耐火材料包封法、屏蔽法、水噴淋法、防火涂料法。綜合各方面因素,在鋼構件上直接噴涂防火涂料是最理想、最可靠、最經濟實用的方法。


鋼結構防火涂料有厚涂型(8 ~ 50 mm)、薄涂型(3 ~ 7 mm)和超薄型(≤3 mm)之分。其中超薄型防火涂料是近年來研究的熱點,其用量已占到全部防火涂料的90%,年使用量在15 000 t 以上[1]。該涂料一般由天然或合成高分子、發泡劑、助發泡劑、炭源、顏填料等組分構成,利用各組分間的協同關系形成完整、致密堅硬的膨脹泡沫層[2-5]。


目前,國內超薄型鋼結構防火涂料的研究及生產單位主要有:四川消防研究所、北京航空材料研究所、福建福日特種材料有限公司等。與國外發達國家同類技術相比,我國的涂料性能還存在一定的差距[6-8],而且所研發的防火涂料均為室內型,室外防火涂料研究成果不多,不能滿足日益增長的工業(如石化企業)和民用(如上海世博會)建設的需求。因此,研制耐候性優良、裝飾性好的室外超薄鋼結構防火涂料已成當務之急[9-10]。

 

2 實驗

2. 1 原材料

丙烯酸樹脂(BD801、AC80、AC5G),環氧有機硅樹脂,甲醚化氨基樹脂,丁醚化氨基樹脂,多聚磷酸(AP422),季戊四醇,雙季戊四醇三聚氰胺,可膨脹石墨,氯化石蠟,氯化橡膠。所用原材料均為工業級。2. 2 防火涂料基礎配方丙烯酸樹脂BD801,28%;氯化石蠟,7%;氨基樹脂582-2,6.0%;多聚磷酸鹽,24.7%;季戊四醇,16.5%;三聚氰胺,9.8%;石墨,4%;有機彭潤土,4%。

2. 3 涂料配制

先將樹脂加入溶劑中,利用分散頭在2 500 r/min轉速下剪切分散溶解,然后逐漸加入各種粉料(成炭劑、脫水成炭催化劑、發泡劑和顏填料等),繼續攪拌分散10 min 左右。加入適量的玻璃珠或者陶瓷珠,利用研磨頭在3 000 r/min 轉速下進行研磨。研磨時間視具體情況而定,一般為1 ~ 4 h。用刮板細度計檢測涂料細度,若達到要求則停止研磨,用濾網過濾,分離研磨珠和涂料,將涂料保存入罐。

2. 4 涂料性能測試

在涂覆了防銹底漆的Q235 鋼板(150 mm × 70 mm ×6 mm)上涂刷試樣涂料4 ~ 5 次,以達到規定的厚度,即(1.5 ± 0.2) mm。涂好的試板涂層面向上,干燥養護21 d 左右。同時進行干燥時間、初期開裂性、黏結強度、耐水性、耐堿性和耐冷熱循環性等基本涂料性能的測試,檢測方法按GB 14907–2002《鋼結構防火涂料》進行。防火性能的國標測定方法中,選用的是工字型鋼梁,測試費用高,所需場地大,一般實驗室不具備這個條件。所以選用了小板燃燒法來評價涂層的防火性能。具體過程如下:在涂好防銹底漆的鋼板(180 mm ×140 mm × 1 mm)上涂覆試樣涂料3 ~ 5 遍,在上一層表干后涂覆下一層,使涂層厚度為1.5 ~ 2.0 mm。每個試樣涂料涂刷2 塊鋼板。涂好的試板涂層面向上,進行適當的修邊處理后,放置在實驗臺上干燥養護一個月,然后進行防火性能測試。小板燃燒裝置如圖1 所示。在火焰的上方有一根熱電偶,用以記錄正火溫度,在鋼板的背面有一熱電偶絲,用以記錄背火溫度。將鋼板放在設備的指定位置,打開自動溫度火焰控制儀,打開燃氣,點火,啟動升溫程序,每一分鐘記錄下背火溫度(鋼板背面的溫度),直到背火溫度達到500 °C時停止實驗。

 

圖1 小板燃燒裝置實物照片

Figure 1 Photo of small panel combustion apparatus

3 結果與討論

3. 1 樹脂組成對涂料防火性能的影響

不同防火涂料配方中的樹脂組成見表1。

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表1 不同防火涂料配方中的樹脂組成

不同防火涂料配方中的樹脂組成

為了比較有機硅樹脂08 和氨基樹脂582-2 對涂料防火性能的影響,對配方SF-11 和SF-17 涂料的防火性能進行了研究,測得其背火溫度–時間關系如圖2 所示(每個試樣做了2 塊樣板,一條曲線代表一個樣板的結果)。圖2 表明,SF-17 的初始升溫速率快于SF-11,但在第8 min 后,升溫速率變得緩慢,甚至出現了大幅度的降溫(SF17-1)。SF-17 的發泡高度只有2.5 cm 和1.8 cm,遠低于SF-11 的9.0 cm 和8.5 cm。雖然發泡高度上相差很大,但兩者防火時間并沒有明顯差異。這主要是SF-17 所形成的發泡炭層致密,彌補了高度上的欠缺。因此,有機硅樹脂08 和氨基樹脂582-2 在防火涂料中各有優點。

涂料SF-11 和SF-17 的背火溫度–時間曲線圖

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按配方SF-9、SF-10 和SF-43,比較了具有良好防腐功能的環氧有機硅樹脂與2 種氨基樹脂的防火性能,結果見表2。從表2 可見,SF-9 的防火時間明顯長于SF-10 和SF-43。

SF-9、SF-10 和SF-43 防火性能比較

3 種配方所得涂料的剩余膨脹炭層外觀見圖3。

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SF-9、SF-10 和SF-43 剩余膨脹炭層的外觀



對燃燒后的剩余膨脹層進行檢查后發現,SF-9 層間結合比較緊密,三維炭骨架也比較致密,表明甲醚化氨基樹脂可以有效提高防火涂料炭化層的強度和致密度,但該涂料涂覆過程中流平性比較差,外觀裝飾效果不及SF-10 和SF-43,而且在檢測結束時,2 個樣板的膨脹層都發生了嚴重剝落,而SF-10 和SF-43 的膨脹層剝落不明顯,尤其是含環氧有機硅樹脂的SF-43,膨脹層高度控制在比較好的范圍內。


因此,最終通過使用適量甲醚化氨基樹脂,調整各種樹脂配比來實現涂層的防火性能。另外,筆者比較了不同生產廠家的樹脂原料,發現法國伊立歐丙烯酸樹脂的性能優于上海新大丙烯酸樹脂;因此,在后續的研究中,都采用了法國伊立歐樹脂。


3. 2 P–C–N 阻燃體系的影響

分別以多聚磷酸銨、季戊四醇和三聚氰胺為脫水成炭催化劑、成炭劑和發泡劑,組成P–C–N 阻燃體系,并根據現有技術資料[11-14],按原料比3.34∶1∶1 和7.5∶5∶3 優化設計了2 個配方,考察了相應涂層的防火性能。


結果發現,前者配比的涂層防火性能較好。分別選取了德國克萊恩(涂料SF-1)、杭州阻燃劑廠(涂料SF-2)、青島海大(涂料SF-4)等3 家廠家的聚磷酸銨原料來配制防火涂料,涂層的小板燃燒法測試結果見表3。由表3 可見,無論是防火時間還是發泡高度,SF-1 都要明顯好于SF-2 和SF-4。所以不同廠家生產的聚磷酸銨對涂料的影響較大。

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SF-1、SF-2 和SF-4 的厚度、防火時間和發泡高度

本實驗室也比較了發泡劑三聚氰胺和雙氰胺的防火性能效果。實驗表明,無論是防火時間還是發泡高度,三聚氰胺的性能要好于雙氰胺。


3. 3 顏填料種類的影響

可膨脹石墨經高溫加熱,由磷片狀變成蠕蟲狀,體積可膨脹100 ~ 400 倍,同時,由于石墨本質就是炭,它的加入可以有效提高膨脹層中的炭含量,使炭骨架的構建效果更好。


可膨脹石墨是一種新型的超薄膨脹防火涂料填料[15-17]。為此,設計了2 個可膨脹石墨用量,即2%(SF-12)和4%(SF-18),同時從配方中除去了鈦白粉。防火性能測試結果見表4。從實驗結果可見,SF-12 的效果要略好于SF-18。


另外,兩者在燃燒中都沒有發生大面積膨脹層脫落,表明可膨脹石墨的加入提高了膨脹層強度。石墨加入的缺點是使涂料過濾相對困難,涂刷后涂料流平性變差。

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不同石墨用量對防火性能的影響

另外,在涂料中引入了有機膨潤土(用量4.0%),考察了其對防火性能的影響,檢測結果顯示,加入有機膨潤土后,防火時間從83 min 提高到了103 min,而且膨脹層無吹落現象,說明有機膨潤土也能提高膨脹層的強度。


3. 4 復合防火層的性能

前述通過配方優化獲得的防火涂料雖然具有較好的防火時間,高溫基材附著力也非常好,但是當正火溫度升至1 000 °C 以上時,炭層表面會變成白色疏松,鼓風時易被吹開,使鋼材露出,以致內部溫度急劇上升。為了解決以上問題,自主開發了無機防火面漆,涂覆在防火涂料表面,構成復合防火涂層。其與單層防火涂層(即未涂覆無機防火面漆)的防火性能比較見表5。


雖然兩者防火時間相差不大,但是在小板燃燒試驗過程中,復合防火涂層表面形成了一層致密的保護層,炭層在整個測試過程中始終沒有被吹開;相比之下,沒有涂面漆的涂層在試驗結束時部分被吹開,所以復合涂層應該具有較好的防火抗風性能,可大大拓寬超薄鋼結構防火涂料的適用范圍。


將上述研制的防火涂料送國家防火建筑材料質量監督檢驗中心檢驗。結果表明,該防火涂料在涂層厚度1.5 mm(含防銹漆厚度0.08 mm)時耐火性能試驗時間為96 min,符合規定的耐火時間要求,其余各項技術指標均為合格。

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防火面漆對涂層防火性能的影響

4 結論

通過一系列試驗,確定了伊立歐樹脂作為防火涂料的基料樹脂,并以有機硅樹脂、甲醚化氨基樹脂按一定比例復配,再結合合適的P–C–N 阻燃體系、少量膨脹石墨以及有機膨潤土填料,可獲得防火時間長、膨脹層結構強度高的室外用鋼結構防火涂料。


若在涂層表面再涂覆無機面漆,則防火膨脹涂層的抗風吹能力大大增強,有利于擴大防火涂料的使用范圍。本文所研制的超薄鋼結構防火涂料經國家防火建材質量監督檢驗中心檢驗,各項指標均符合產品要求,涂層厚度1.5 mm 時耐火性能試驗時間達96 min。


彭勃,周樹學,武利民*,游波,顧廣新

(復旦大學材料科學系,教育部先進涂料工程研究中心,上海 200433)


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