0 引言
随着城市经济和工业经济的快速发展,钢结构以其强度高、自重轻、延伸性好、抗震性强和施工周期短等特点,在建筑业中得到广泛应用,尤其在超高层建筑、大跨度厂房、体育馆、候机厅、候车厅等方面显示出强大的生命力。
钢结构本身属于不燃材料,在常温下导热系数为58 W/(m·℃),当温度达到750 ℃,导热系数几乎变成了常数,约为30 W/(m·℃),传热速度很快,其强度会随着温度的升高而降低,在火灾中受热15 min 达到耐火极限,就会弯曲变形坍塌,失去承载能力。
当采用钢材作构件时,其耐火极限应符合GBJ 6《建筑设计防火规范》、GB 50045 《高层民用建筑设计防火规范》、GB 50160《石油化工企业设计防火规范》等对各类建筑构件的燃烧性能和耐火极限的要求中国机械网okmao.com。在钢结构的表面喷涂防火涂料是一项重要的防火保护措施,防火涂料能隔离火焰直接灼烧钢结构,阻止热量迅速向钢基材传递,推迟了钢结构温升和强度变弱的时间,使其达到建筑设计防火规范所规定的耐火极限要求,保持钢结构在火灾中的耐热稳定性。
厚型防火涂料涂层厚,表面粗糙,色彩差,不适于裸露的钢结构。与厚型防火涂料相比,薄型防火涂料多采用膨胀型阻燃体系,涂层薄,施工方便,装饰性好,价格较超薄型的低,既能满足装饰性需要,又能达到建筑设计防火规范要求,因此使用较为广泛,是钢结构防火涂料的主要发展方向。
但是,国内外薄型钢结构防火涂料存在两个方面的缺陷:一是粘结强度不高,在施工和使用过程中易产生脱落、龟裂现象;二是耐火时间短。为了解决上述两个问题,我们选择水溶性乳胶为成膜物质,配以阻燃剂、添加增强剂及有关助剂,制备出了水性薄涂型钢结构防火涂料。
1 实验
1.1 试验材料
改性丙烯酸乳液、聚磷酸铵(APP)、季戌四醇(PE)、三聚氰胺(MEL)、钛白粉(金红石型、粒径不大于45 μm)、氯化石蜡(含氯量70%)、可膨胀石墨(80 目、膨胀倍率200)、凹凸棒粉等,以上均为工业品。
1.2 实验仪器
FO4 高速分散机、LX500 球磨机,江阴精细化工机械厂;AVATAR 360 红外光谱仪(KBr 压片,扫描次数32 次,在400~4000 cm- 1 范围内摄谱),美国Nicolet 公司;DM6801A 数字式温度表,深圳欣宝瑞仪器有限公司。
1.3 配方设计
薄型钢结构防火涂料一般选用对钢基材有良好的附着力、耐久性好、耐水性强的乳胶聚合物作基料,再配以阻燃剂、添加剂等组成,其阻火机理主要是涂料遇火时能膨胀发泡,形成一个比涂层厚几十倍乃至几百倍的难燃海绵状炭质层,这层难燃的炭质层能有效地阻断火焰对被保护钢材的直接加热,延缓钢材的温升,保护钢构件。本项目对常用的乳液进行了筛选,并配以P- C- N- Cl 防火体系组分,通过对比试验,确定了水溶性薄型钢结构防火涂料的配方(见表1)。
薄型钢结构防火涂料的基本配方
1.4 工艺流程
按配方量将水投入高速分散机,开动搅拌,加入氯化石蜡、可膨胀石墨和凹凸棒粉搅拌均匀,然后逐步加入聚磷酸铵(APP)、季戌四醇(PE)、三聚氰胺(MEL)、钛白粉,搅拌均匀,最后加入改性丙烯酸乳液、乳化剂、增稠剂等助剂,充分搅拌,送球磨机研磨6 h,细度达到80~100 μm 后出料,即得防火涂料成品。
2 实验结果与讨论
2.1 原材料的选择
2.1.1 基料树脂的选择
基料树脂是薄型钢结构防火涂料的成膜基础,是主要成膜物质,对膨胀型防火涂料的性能起决定性作用。基料树脂还必须能与其它组分相匹配,构成一个有机的防火体系。水性薄型钢结构防火涂料常用的基料有改性丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液、偏氯乙烯乳液等。通过对比实验发现,改性丙烯酸乳液防火涂料的成膜性好,熔融温度高,碳化层完整、丰满,耐火时间长。因此,我们选择分子量高、分子量分布均匀的改性丙烯酸乳液作为成膜材料。
2.1.2 阻燃体系的选择
阻燃体系是膨胀型钢结构防火涂料能起防火作用的关键组分,它由脱水剂、成炭剂、发泡剂组成,在受热时能吸收大量的热,释放出捕获燃烧反应的自由基和不燃性气体,与基料树脂配合形成泡沫层骨架,与碳源作用使正常的燃烧反应转化为脱水反应,有效地把碳固定在碳骨架上,形成隔热、隔氧且导热系数很低的膨胀炭层。常用的膨胀阻燃体系P- C- N,在受热膨胀时由于发生剧烈的脱水放热反应,不利于炭层的阻化作用,炭质层强度低,有裂纹,易脱落,耐火时间短。P- C- NCl体系中的氯化石蜡可以在燃烧初期保护涂层,达到梯次防火的目的,但发泡层的强度随氯化石蜡含量的增加而下降[6]。可膨胀石墨热稳定性好,受热膨胀属于吸热物理过程,在阻燃体系中加入可膨胀石墨,不仅可以提高防火涂料的耐火性能和耐候性能,受热时还能和化学膨胀产生的膨胀层交联,使炭质层气孔更细小均匀,结构更致密[7]。本文所研制的水性薄型钢结构防火涂料是以聚磷酸铵(APP)作脱水催化剂,季戌四醇(PE)作炭化剂,三聚氰胺(MEL)、氯化石蜡和可膨胀石墨作发泡剂构成防火阻燃体系。
2.1.3 填料的选择
在防火涂料中添加填料可以改善防火涂料的耐候性、耐磨性、耐酸碱性和耐水性,提高防火涂料的防腐能力和粘结强度。常用的填料有硅藻土、粉状硅酸盐纤维、云母粉、高岭土、海泡石粉、滑石粉、钛白粉和凹凸棒粉。钛白粉的化学性质相当稳定,在一般情况下不与大部分化学试剂发生作用,分散性良好,耐候性好,光洁度高。凹凸棒黏土由于具有独特的层链状结构特征,独特的分散、耐高温和粘结力,价格低,常用作涂料的填充剂、流平剂、增稠剂和稳定剂。本文所研制的水性薄型钢结构防火涂料中的填料选用的是金红石型钛白粉和高黏凹凸棒粉。
2.2 各组分含量对涂料性能的影响
2.2.1 基料树脂含量的影响
在保持阻燃体系和填料含量不变的情况下,改变改性丙烯酸乳液的用量,配制防火涂料,分别涂覆于30 mm×30 mm的一级5 层胶合板上,待第1 道自然干燥后,再涂刷第2 道涂料,涂层厚度为1 mm,实干后采用模拟大板燃烧法,对各试板分别进行灼烧,记录试板背火面温度达220 ℃或试板烧穿的时间(耐燃时间),试验结果见表2。
改性丙烯酸乳液含量对防火涂料阻燃性能的影响
从表2 可以看出,由于改性丙烯酸乳液含炭量高,随着乳液含量的增加,炭质层的厚度增加,涂层的附着力增强,炭化层泡细且结构致密,热阻大,阻燃时间长。但乳液含量过高时,阻燃性能下降,因此,乳液的最佳含量为30%~35%。图1 为阻燃体系含量一定,不同含量改性丙烯酸乳液制得的防火涂料灼烧时试板背火面温度与灼烧时间的关系。
不同乳液含量防火涂料试板背火面温度与灼烧时间的关系
从图1 可以看出,同一灼烧时间试样A- 2 的背火面温度最低,试样A- 3 的背火面温度最高,说明试样A- 2 的隔热性能最好,试样A- 3 的隔热性能最差,从而进一步证明了改性丙烯酸乳液最佳含量为30%~35%。
2.2.2 阻燃体系含量的影响
本文所研制的防火阻燃体系,在树脂含量为30%~35%,填料含量保持不变时,改变聚磷酸铵、季戌四醇、三聚氰胺、氯化石蜡和可膨胀石墨的质量分数,配制防火涂料。将不同配方的防火涂料分别涂覆于30 mm×30 mm的一级5 层胶合板上,待第1 道自然干燥后,再涂刷第2 道涂料,涂层厚度为1.0mm,让其自然风干,采用模拟大板燃烧法对试板进行灼烧,当试板背火面温度达220 ℃或试板烧穿后,将试板移离火源,试验结果见表3。
阻燃体系含量对防火涂料性能的影响
从表3 可以看出,聚磷酸铵、季戌四醇和三聚氰胺的配比达到最佳值时,炭质层厚度最大,耐燃时间最长;添加氯化石蜡和可膨胀石墨,炭质层厚度明显增加,耐燃时间明显延长,但添加量过高,反而降低涂料的阻燃性能。可膨胀石墨含量过高会影响涂料的色泽。B- 2 试样灼烧后发泡情况最好,炭质层较硬,不易脱落,耐燃时间最长。
图2 为改性丙烯酸乳液含量一定,不同的阻燃体系制得的防火涂料灼烧时,试板背火面温度与灼烧时间的关系。从图2 可以看出,在阻燃体系中添加氯化石蜡和可膨胀石墨(B- 2 试样)可以增强涂层的隔热性能,降低涂料的导热系数,达到提高涂料耐燃时间的目的。
不同阻燃体系防火涂料试板背火面温度与灼烧时间的关系
2.2.3 填料含量的影响
在膨胀型防火涂料中涂膜的发泡效果和防火性能随填料的增加而下降,试验发现,如果不添加填料,涂层发泡后,随着灼烧的进行,炭质层中的炭将很快燃烧完毕,炭质层随之消失,因此填料不可不用,但用量比一般涂料要低得多。本文所研制的水性薄型钢结构防火涂料中使用的是金红石型钛白粉,添加量为2%~6%,粒径不大于45 μm;高黏凹凸棒粉使用量为2.0%~2.5%。
2.3 红外光谱分析
将按配方制得的防火涂料分别涂覆于玻璃板上和30mm×30 mm的一级5 层胶合板上,待其自然干燥后再涂1 层涂料,让其自然风干。将胶合板上的涂料在酒精喷灯上灼烧15 min,用小刀刮下玻璃板上的涂膜和灼烧后的残渣,分别进行红外光谱分析,结果如图3 和图4 所示。
防火涂料灼烧前后的红外光谱
对比红外图谱可以看出,灼烧前O—H(333.91 cm-1)、N—H(3194.16 cm- 1)、C—H(2954.51 cm- 1)、以及C、N、苯环(1439.23cm- 1、1552.48 cm- 1、1655.70 cm- 1)均有较强的吸收峰,灼烧后吸收峰明显减弱,但P—O(483.83 cm- 1、1031.91 cm- 1、1256.11cm- 1)的吸收峰仍然较强。由此可见,防火涂料的膨胀过程为:涂层在受热熔融膨胀过程中,聚磷酸铵、三聚氰胺分解出挥发分NH3,季戌四醇分解出H2O,氯化石蜡分解出HCl,这些挥发分在带走热量的同时,使熔融的涂层膨胀,形成泡沫状隔热体,阻碍了热的传递,进而产生防火功能。
3 产品性能
研制的水性薄型钢结构防火涂料经国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验测试中心检测,各项技术性能指标均符合GB 14907—2002《钢结构防火涂料通用技术条件》规定要求(见表4)。
薄型钢结构防火涂料的性能
其中粘结强度尤为突出,是国标的7.8 倍;耐火性能达国家标准要求时,所需涂层厚度仅为国标的60%,大大降低了施工成本和使用成本。
4 结论
采用改性丙烯酸乳液为成膜物质,聚磷酸铵作脱水催化剂,季戍四醇作炭化剂,三聚氰胺、氯化石腊和可膨胀石墨作发泡剂,金红石型钛白粉和高黏凹凸棒粉作填料,辅以适量的助剂,合理调节各组份的配比,可得理化性能好的水性薄型钢结构防火涂料,当涂层厚度为3 mm 时,耐火极限为60 min,具有良好的阻燃性能。
季宝华1,方东1,2
(1.盐城师范学院,江苏盐城224002;2.南京理工大学化工学院,江苏南京210094)