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新型膨胀阻燃剂在钢结构防火涂料中的应用,将新型磷酸酯三聚氰胺盐阻燃剂应用于钢结构防火涂料中
2019年12月12日    阅读量:3096     新闻来源:中国机械网 okmao.com    |  投稿

随着城市化建设和工业化的飞速发展,钢结构在工业厂房、影剧院、候机楼、商场、体育馆等超高层、大跨度建筑中被广泛采用。钢材虽是一种不燃烧的材料,却是热的良导体,其机械强度随着温度的升高而降低,承载状态下的失效临界温度为540℃。


在遭遇火灾时,只需10min就会超过钢结构的失效临界温度,在纵向和横向压力的作用下钢结构扭曲变形,而失去支撑能力导致建筑物垮塌损毁中国机械网okmao.com。鉴于钢结构自身缺陷及其在国民生活中的重要作用,必须对钢结构实施有效的防火保护。目前,对钢结构实施保护的主要方法之一,就是在钢结构表面施涂钢结构防火涂料。当遇到火灾时,防火涂料作为一种隔热层,使热量向钢结构的传导速度大大降低,从而赢得灭火救援时间,避免和减轻火灾损失。


防火涂料又称阻燃涂料,除了具有普通涂料的装饰和防腐性外,还具有防火保护的功能。防火涂料涂覆在易燃基材表面,有改变材料表面燃烧特性、阻止火焰迅速蔓延、形成隔热层使底材与热源隔离等功能;涂覆于建筑构件上,可以提高构件的耐火极限。按防火机理的不同,防火涂料分膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料两大类。


目前,国内的防火涂料以膨胀型为主,基本上以脱水成炭催化剂(聚磷酸铵,APP)、成炭剂(季戊四醇,PER)和发泡剂(三聚氰胺,Mel)等为主体构成,即传统的P-C-N体系。笔者以新型膨胀阻燃剂磷酸酯三聚氰胺盐为膨胀体系配置防火涂料,涂覆于钢板表面,测试防火涂料的耐火性能,并分析防火涂料燃烧后的炭层结构。


1 涂料的制备

1.1 试验原料与试样制备

试验原料:丙烯酸树脂、醇酸树脂、氨基树脂;P-N无卤膨胀阻燃剂(IFR),实验室干法制备;三聚氰胺,工业级;季戊四醇(PER),化学纯;聚磷酸铵,工业级;OP-10、成膜助剂、钛白粉、乙酸乙酯、氯化石蜡、200#溶剂汽油、二甲苯。

防火涂料的制备:在容器中依次加入树脂、溶剂、阻燃剂、无机填料,搅拌均匀得到浆料。浆料经砂磨机研磨10min后,混合均匀得到防火涂料。

测试样板的制备:将钢板(200mm×200mm×3mm)除锈后,在钢板上涂刷防火涂料,钢板倾斜45°放置,24h后再次涂刷。重复涂刷5~7次,至涂层厚度达到(2.0±0.2)mm,其中样品a的涂料厚度为1.8mm,样品b为1.9mm,样品c为2.0mm,样品d为1.9mm。涂覆好的样板放置24h后进行耐火性能测试。

1.2 测试表征

对防火涂料的耐火性能测试一般使用国际通用的标准方法。由于条件限制以及实际需求,笔者采用了自行设计的垂直燃烧法对试样的耐火性能作简易评价。实验室条件下采用垂直燃烧法———大板模拟燃烧法测试试样的耐火时间,装置示意图如图1所示。

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图1 防火涂料耐火时间测试装置示意图

测试火焰温度按照国际标准火灾升温曲线升温。在实际操作中,可通过调节燃料流量计和鼓风机进风大小控制升温速度,使其和标准升温曲线基本一致。钢结构失去静态平衡稳定性的临界温度为500℃左右,在350℃左右失去其三分之一的强度,因此设定当背火面温度达到350℃时测试终止,记录下来的时间即为所测试防火涂料的耐火时间。

2 结果与讨论

2.1 防火涂料的配方设计

树脂是涂料工业中最主要的成膜物质,其作用是将涂料中其他成分粘结成一个整体,并能与基材良好地粘接。涂料固化后,附在基材表面形成均匀、连续、坚韧的保护层。因此,在各种涂料配方中,树脂基体的选择十分重要。防火涂料作为特种涂料,主要由树脂基体及阻燃添加剂两部分组成,树脂基体是关键组分之一,树脂基体选择的好坏与否不仅对涂料的理化性能有决定作用,也直接影响涂料的防火效果。

目前,溶剂型防火涂料通常采用的树脂有丙脂烯酸树、环氧树脂、醇酸树脂、氨基树脂、酚醛树脂、氯化橡胶、高氯化聚乙烯等。以丙烯酸树脂为基料的防火涂料炭化层坚固致密,防火性能好;以氯化石蜡增韧剂改性的高氯化聚乙烯作为基料改善了高氯化聚乙烯涂层的脆性,理化性能良好;由于氨基树脂本身耐候性差、抗老化性不理想,且硬度大、较脆,不能直接作为基料树脂,可与丙烯酸树脂复配或在氨基树脂中添加乙酸乙酯,改善涂层的耐水性、炭层致密性及硬度。笔者选择了丙烯酸树脂、醇酸树脂、氨基树脂和丙脂烯酸树脂复配、丙烯酸树脂和醇酸树脂复配4种基料。分别制得a、b、c、d 4种样品,其配方见表1所示。

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2.2 耐火性能

按图1所示的防火涂料耐火时间测试方法对4种防火涂料的耐火性能进行了测试。样品a的耐火时间为40min,样品b为15min,样品c为70min,样品d为65min。与采用单种树脂作为基料的防火涂料相比,采用两种树脂的复配体系做为树脂基料的防火涂料具有更好的耐火性能。


如前所述,防火涂料在燃烧过程中会熔融、起泡、膨胀,形成均匀且致密的蜂窝状或海绵状炭质泡沫隔热层来阻隔热量的传导,延缓被保护的钢结构自身温度的上升速度,从而对钢结构起到一定的保护作用。由此可知,防火涂料的耐火性能与其在燃烧过程中的膨胀行为有直接的联系,因此,对各个样品燃烧测试后的炭层进行了分析。

图2为测试完毕后所拍摄的各个样品的炭层照片。

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图2 样品a、b、c、d在耐火实验后炭层照片

由图2可以看出,样品a中单独使用丙烯酸树脂时发泡比较致密,和钢板粘结性能较好,但是膨胀高度不够;燃烧40min后背板温度达到350℃。样品b中单独使用醇酸树脂发泡速度快,膨胀高度高,但是炭层结构松散并且迅速剥落,经过15min背板温度到达350℃。样品c采用氨基树脂和丙脂烯酸树脂复配,发泡的高度和致密程度都比较理想,2mm 的涂层发泡后炭层厚度达到50mm,经过70min背板温度才达到350℃,但氨基树脂黏度较大,在涂刷的时候有一定难度。样品d采用丙烯酸树脂和醇酸树脂复配,涂料流平性好,易于涂刷,1.9mm的涂层发泡后炭层厚度达到50mm,炭层强度较好,炭化层整体厚度均匀,表面无明显的塌陷和孔洞。

为了比较传统膨胀体系和新型膨胀阻燃剂在涂料中的防火效果差异,将样品d中的磷酸酯三聚氰胺盐阻燃剂替换成传统的三聚氰胺,季戊四醇,聚磷酸铵膨胀体系,其配方如表2所示。按照相同的方法将其制成防火涂料,涂覆于钢板表面,涂覆厚度与样品d的涂刷厚度一致,均为1.9mm。

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对添加传统膨胀阻燃剂的防火涂料进行燃烧测试,经过35min试样的背板温度就达到350℃。其燃烧后的炭层照片见图3,在受火过程中有部分炭层脱落,表面有较明显空洞和起伏,不能形成连续且有一定强度的无机物保护层。由以上对比可知,添加新型磷酸酯三聚氰胺盐膨胀阻燃剂的防火涂料具有更好的防火性能,其耐火时间更长,膨胀碳层结构更加均匀、致密、强度更高。

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3 结 论

将新型磷酸酯三聚氰胺盐阻燃剂加入到不同聚合物树脂基料中制备了4种防火涂料,对比研究其耐火性能的差异和燃烧后碳层结构的形貌。测试结果表明采用氨基树脂和丙脂烯酸树脂复配体系作为树脂基料的防火涂料具有最长的耐火时间(70min),但其黏度较大,涂刷比较困难。


而采用丙烯酸树脂和醇酸树脂复配体系作为树脂基料的防火涂料,同样具有良好的耐火性能(耐火时间65min),均匀致密的膨胀炭层,并且涂料流平性好,易于涂刷。此外,与传统膨胀阻燃剂相比,添加新型磷酸酯三聚氰胺盐阻燃剂的防火涂料具有更好的防火性能,其耐火时间更长,膨胀碳层结构更加均匀、致密、强度更高。膨胀型防火涂料的进一步发展和性能改进,离不开新技术、新材料的发展。随着新型阻燃剂的开发和应用,将对火涂料性能的提高起到关键的作用。


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