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；三聚氰胺(MEL)：工業(yè)品，濟南金盈泰化工有限公司生產；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；珍珠巖：工業(yè)品，黎明珍珠巖保溫材料廠生產；硅藻土：長白縣青山源硅藻土有限公司生產；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，但是硅藻土的加入卻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。 |
