摘要：以丙烯酸類乳液為成膜物質，以季戊四醇、三聚氰胺、聚磷酸銨與無機增強填料作為阻燃體系，制備了水性超薄型鋼結構防火涂料。采用模擬大板燃燒法對防火涂料的耐火性能進行了研究，系統(tǒng)考察了乳液種類、顏基比以及無機填料對防火性能的影響，確定了無機填料的最佳用量。研究結果表明：以硅丙乳液作為基料樹脂，當體系顏基比未3.5以及珍珠巖的添加量為7%時，防火涂料的耐火時間能達到128.7min；珍珠巖與炭質層的生成具有明顯的協(xié)同效應，這大大提高了炭質層的強度，而且還表現(xiàn)出顯著的隔熱效果。 關鍵詞：水性超薄型防火涂料，丙烯酸乳液，無機填料，珍珠巖，顏基比，耐火時間 隨著社會城鎮(zhèn)化的不斷推進，鋼結構由于其自身質量輕、力學性能優(yōu)異、施工方便等優(yōu)點在建筑領域中得到了廣泛的應用。然而，鋼結構導熱性強，耐火性能差，在自身達到540℃的臨界溫度后，其機械強度會急劇下降，從而導致建筑物不能承重而坍塌，因此，需要對鋼結構采取防火保護措施，而在鋼結構上涂覆一層防火涂料是一種既經(jīng)濟又實用的方法|1 q!。目前，市場上銷售的多為溶劑型防火涂料，水性防火涂料的市場化還不成熟。但是，從節(jié)能環(huán)保和保護人身安全的角度來看，水性防火涂料的研發(fā)與推廣將是今后的必然趨勢[4。本研究以丙烯酸類乳液為成膜物質，以非鹵膨脹體系和增強填料 為阻燃體系，制備出了一種高效的水性超薄型鋼結構防火涂料，并系統(tǒng)地考察了影響防火涂料耐火性能的各方面因素。 1 實驗部分 1.1 主要原料 聚磷酸銨(APP)：工業(yè)品，云南天耀化工有限公司生產(chǎn)；三聚氰胺(MEL)：工業(yè)品，濟南金盈泰化工有限公司生產(chǎn)；季戊四醇(PER)：工業(yè)品，青島新材料科技工業(yè)園發(fā)展有限公司生產(chǎn)；珍珠巖：工業(yè)品，黎明珍珠巖保溫材料廠生產(chǎn)；硅藻土：長白縣青山源硅藻土有限公司生產(chǎn)；其余原料、助劑均為市售。 1.2主要儀器 JSF-400型攪拌砂磨分散多用機：上海普申化工機械有限公司；熱電偶：河南豫華儀器有限公司；酒精噴燈：洛陽金瀾教學儀器設備有限公司。 1.3水性超薄型防火涂料的制備 將一定量的水、分散劑、消泡劑等助劑加入分散罐中，在攪拌過程中加入阻燃體系與增強填料，以3500 r/min高速分散30 min后，加入丙烯酸乳液，以800 r/min的轉速低速分散20min后出料，即得水性超薄型鋼結構防火涂料。 1.4測試與表征 將 模擬大板燃燒法，采用自行設計的簡易耐火裝置。用試管夾夾住樣板，涂層朝下，酒精噴燈的噴口對準樣板的中心位置，噴口距樣板的垂直距離約為7cm。樣板的背面中心位置與熱電偶接觸，考察鋼板背面溫度的變化；并在熱電偶傳熱桿的上方壓一木塊，保證熱電偶的接觸點與鋼板緊密接觸。待酒精噴燈火焰穩(wěn)定后，移至樣板的下方，同時開始用秒表記錄時間。鋼板背溫達到 2結果與討論 2.1防火涂料乳液種類的選擇 丙烯酸樹脂具有耐候性能好、附著力高等優(yōu)點，不同類型的丙烯酸基料樹脂由于結構上的差異會產(chǎn)生不同的耐火性能[5-6]。同時，有研究學者還將Si、P等元素引入到樹脂中，改性后的丙烯酸樹脂將自身具有一定的阻燃作用，將它應用到防火涂料中，也能對防火涂料起到積極的作用[7]。為此，在實驗中考察了5種不同的丙烯酸類乳液對涂層耐火性能的影響，并對膨脹炭質層的形態(tài)與結構作了觀察與記錄，所得實驗結果如表l所示。
從表1可以看出，以上述5種不同的丙烯酸乳液作為成膜物質都具有較為理想的發(fā)泡效果，其膨脹倍率都能達到15倍左右，其中以純丙乳液d為基料，涂層膨脹倍率甚至能達到18倍，這說明丙烯酸乳液與膨脹阻燃體系具有一定的匹配性；但是，以苯丙乳液和純丙乳液為基料，在遇火灼燒的過程中發(fā)現(xiàn)涂層與鋼板底材都會有不同程度的分離或者具有脫落現(xiàn)象，這一方面是由于這兩種基料樹脂的軟化點較低，且與膨脹阻燃體系( PER、MEL、APP)三者的分解溫度相差很大，當涂層遇火灼燒時，膨脹阻燃體系還未完全脫水、炭化，形成致密炭質層，涂層就已開始軟化，成“沸騰狀”，從而導致其高溫附著力較差；另一方面，在膨脹炭質層內部存在較大的氣孔結構，當灼熱的火焰氣流不斷沖擊炭質層表面時，炭質層首先被氧化成白色的無機層，之后被火焰擊穿而導致小面積脫落；但是由于都是部分脫落，底部仍殘留一層致密的隔熱耐火層，起到脫落后期防火作用，延長了耐燃時間。而以硅丙乳液為基料，當涂膜遇火灼燒時，一般是硅原子上的有機基團發(fā)生氧化斷裂分解，形成的無機硅氧主鏈結構能使它與底材在高溫時緊密結合，而不會發(fā)生分離現(xiàn)象。因此，從炭質層的形貌結構和耐燃時間來看，硅丙乳液可以作為較為理想的成膜物質。 2.2顏基比對防火涂料防火性能的影響 在涂料中，顏料與基料是重要的組成部分，在顏料和基料已經(jīng)確定的條件下，涂層的結構與性能往往取決于兩者之間的比值。從膨脹阻燃機理來看[8]，顏基比太高或者太低都不利于涂膜達到最佳的綜合性能，因此，在防火涂料的配方設計中，顏基比往往存在一個臨界平衡值，當顏基比達到這個數(shù)值時，防火涂料具有最佳的耐火性能。為此，本實驗考察了顏基比對防火涂料耐火性能的影響，其實驗結果如表2和圖l所示。 從表2可以看出，隨著顏基比的增加，膨脹炭質層的膨脹高度、炭化體積以及炭層強度都有逐漸增大增強的趨勢，這是因為隨著顏基比的增加，顏填料不斷增加，膨脹阻燃體系在涂料中的含量也不斷提高，這必然導致涂膜將具有更多成炭的物質基礎，因而遇火能表現(xiàn)出更佳的膨脹效果，產(chǎn)生更多的炭化物，也使得炭質層愈發(fā)堅固，抵御火焰氣流的沖擊。從圖l可以看出，耐燃時間與顏基比的關系曲線成單峰狀，即隨著顏基比的增加，耐燃時間經(jīng)歷了一個先增大后減小的過程，當P/B=3.5時，耐燃時間達到峰值。這主要是因為當顏基比較小時，基料樹脂的含量過大，其一方面會抑制涂膜的膨脹發(fā)泡，另一方面也會使涂層在遇到火焰灼燒時易發(fā)生熔融墜落，同時，膨脹阻燃體系含量過低，這些因素共同造成涂膜在較低顏基比時的耐火性能不理想。但是，顏基比過高時，基料樹脂的含量過低，會降低涂膜與底材的附著力，在遇火高溫時與底材發(fā)生分離，而且過少的樹脂也難以捕捉到發(fā)泡的氣體，在炭質層中易形成較大的泡孑L，同時，膨脹阻燃體系過多，一方面發(fā)泡迅速，會使得炭質層更加密實、厚重，但是也會讓涂層在高溫時的附著力降低，從而影響其耐火性能。因此，存在一個合適的顏基比，基料樹脂與膨脹阻燃體系的比例匹配，能使涂層具有最佳的耐火時間。根據(jù)實驗結果，當P/B=3.5時，涂層的耐火時間達到最佳值。
2.3不同填料的影響 膨脹型防火涂料中少量的無機填料，對炭質層內部的泡孑L分布、泡徑分布、炭質層的膨脹效果以及其強度等都有著很大的影響，從而影響到防火涂料的耐火性能。目前國內外對眾多阻燃協(xié)效填料都做了大量的研究，發(fā)現(xiàn)可膨脹石墨、絹云母都能提高炭層強度，從而增強耐火性能[9-10]。此外，將納米粒子引入到防火涂料中，也顯著提高了其防火性能[11]。 在本次試驗中，重點考察了幾種新型的具有阻燃耐火功能的填料對防火涂料的影響，即保持配方中其余組分的用量不變，僅改變填料的種類，比較了它們的炭質層的結構與形貌狀況，實驗結果如表3和圖2所示。
結合表3和圖2可以看出，添加不同無機填料對防火涂料耐火性能的影響具有明顯的差異。玻璃微珠的加入使得防火涂料在耐火階段的前期、中期表現(xiàn)出良好的隔熱效果，這是因為玻璃微珠本身的多孔結構就具有隔熱作用，大量的玻璃微珠在一起就形成了隔熱層，延緩鋼板背溫的上升；但是玻璃微珠對炭質層強度的提高不是很明顯，并且降低了膨脹高度，這可能是因為它對炭質層的膨脹具有一定的抑制作用，造成內部結構有點疏松，因此炭層逐漸被擊穿造成后期鋼板背溫迅速升高。玻璃粉的加入進一步降低了炭質層的膨脹高度，但是卻提高了炭質層的強度，這是因為玻璃粉在高溫下會發(fā)生熔融，覆蓋在炭質層中起到粘附作用，提高了炭質層的致密程度和強度，起到了高溫隔熱的作用。硅藻土同樣具有多孔隔熱作用，因此鋼板背溫在防火早期升溫較慢，但是硅藻土的加入?yún)s使炭質層表面有裂紋且結構疏松，這是因為硅藻土不能有效地增強炭質層的強度，造成氣體從內部急劇沖出，使得炭層表面開裂、不平整，內部結構不緊湊。葉臘石和斜綠泥石都是耐火材料，它們的加入都表現(xiàn)出在高溫具有較好的隔熱防火性能，但是加入葉臘石與加入斜綠泥石相比，葉臘石的加入降低了膨脹高度，提高了炭質層的強度，延長了耐燃時間，這可能是因為葉臘石對炭層具有強烈的增強作用，不但提高其強度，并且提高了與底材結合程度，增強了耐燃效果；而斜綠泥石卻不能有效地提高炭層強度，造成炭層在灼燒過程中發(fā)生脫落，降低了耐火效果。而加入膨脹珍珠巖，炭層強度堅硬，內部厚實、致密，在灼燒過程中沒發(fā)生脫落，這是因為珍珠巖一方面具有隔熱耐火作用，有助于提高耐燃時間；另一方面，珍珠巖在高溫下也能發(fā)生膨脹，它們穿插在炭層結構中，增強了炭層的致密性。因此，根據(jù)實驗結果，選擇珍珠巖作為防火涂料的增強填料。
2.4珍珠巖的用量對耐火性 能的影響 在膨脹型防火涂料里，無機填料的用量會直接影響到炭質層的膨脹效果、炭層強度、炭層形態(tài)等。加入少量的填料可以顯著提高炭層的強度，提高耐火極限；但是，若是填料加入過量，會對炭層產(chǎn)生嚴重的抑制作用，從而大大降低了耐燃時間。 本次試驗著重考察了珍珠巖的用量對防火涂料耐火性能的影響，按照珍珠巖所占涂料體系質量分數(shù)的1%、3%、5%、7%、9%、11%從，分別制備了6組涂料，其實驗結果如表4。
從表4可以看出，當珍珠巖質量分數(shù)為1%、3%時，防火涂料受火焰灼燒都會出現(xiàn)鼓大泡、易脫落的現(xiàn)象，這是因為珍珠巖的用量過低，致使阻燃體系的發(fā)泡速率要遠大于珍珠巖的抑制作用，因此在炭層內部極易形成大泡孔降低耐燃時間。而當珍珠巖質量分數(shù)為5%、7%、9%時，防火涂料都能達到較為理想的耐火效果，這是因為此時珍珠巖起到了較好的增強作用，使得炭層緊湊，而且發(fā)泡速率與珍珠巖的抑泡作用達到基本平衡，所以炭層內部孔徑均一且呈密實蜂窩狀。但是，當珍珠巖的質量分數(shù)達到11%時，防火涂料在灼燒過程中會發(fā)生大面積脫落，脫落的涂膜表面有大量呈沸騰狀的鼓泡，這可能是因為珍珠巖的添加量過多，它對炭層的膨脹有過強的抑制作用，造成氣體在炭層內部積聚，當氣體累積到一定程度時，內部過高的氣壓將使氣體沖落涂層，因此嚴重降低了防火效果。從實驗結果可以得出，珍珠巖的添加量在5%～9%能使防火涂料具有優(yōu)異的防火性能。 3結語 (1)實驗對比了5種不同類型的丙烯酸乳液，發(fā)現(xiàn)以硅丙乳液作為防火涂料的成膜物質，它在遇火焰高溫時能與底材緊密結合，與阻燃體系相匹配，具有優(yōu)異的防火效果。 (2)當防火涂料體系的顏基比P/B=3.5時，防火涂料耐火性能最佳。 (3)對比7種無機填料，添加珍珠巖能有效增強炭層強度、提高耐燃時間。 (4)當珍珠巖的添加量在5%～9%時，防火涂料耐火性能最佳。 |
