超薄型钢结构防火涂料的改进超薄型钢结构防火涂料的改进方力申

超薄型钢结构防火涂料的改进,超薄型钢结构防火涂料的改进

1　前　言 现代建筑物的主要承重构件大都依赖于坚固又轻便的钢材，这些钢材赋予建筑物以宽阔、轻盈又不失稳固的建筑风格。然而，钢材在高温火焰的直接灼烧下，一般只有15 min的耐火极限，远远达不到国家规定的防火规范要求，会很快失去承载能力。一旦发生这种情况，将对整个建筑物造成灾难性的后果正因为如此，对钢梁采取有效的保护，使其免受高温火焰的直接灼烧，从而延缓坍塌时间，为消防救火提供宝贵的时间就显得十分重要。采用防火涂料进行阻燃的方法被认为是有效的措施之一。将防火涂料涂敷于钢材表面，除具有装饰和保护作用外，由于涂料本身的不燃性和难燃性，能阻止火灾发生时火焰的蔓延和延缓火势的扩展，较好地保护了钢材。 钢结构防火涂料按防火机理分为膨胀型和非膨胀型两类；按涂层厚度可分为厚涂型、薄涂型和超薄型，其中后两种一般为膨胀型。超薄型钢结构防火涂料厚度一般小于3 mm，其涂层遇火受热即熔融、膨胀、发泡形成蜂窝状炭化层，使火焰得到隔离，大大降低传导至底层的热量，从而达到阻燃或延缓火焰扩展的目的。 现有一超薄型钢结构防火涂料，经分析得知该配方以氨基树脂作基料，APP、AB阻燃剂、三聚氰胺、季戊四醇构成阻燃体系。将该涂料分4次涂敷在30 cm×15 cm红丹防锈底漆的钢板上，发现涂层易开裂，且裂纹宽度超过0.5 mm，涂层对基材的附着力较差。将其涂在75 cm×75 cm的红丹防锈底漆钢板上，用煤气喷灯灼烧时，涂层受热易脱落，难以了解该阻燃体系的阻燃性能。 因此，我们至少需要解决以下3个问题：(1)解决涂敷时涂层开裂问题；(2)解决涂层在灼烧时受热脱落问题；(3)找出最佳阻燃体系。2　试剂和仪器 氨基树脂、丙烯酸树脂：广州制漆厂；HCPE：奉化市裕隆新材料有限公司；APP、AB型阻燃剂：四川康威阻燃材料厂；季戊四醇、三聚氰胺：湖南衡阳化工厂；氯化石蜡：北斗代理；红丹环氧防锈底漆：广州制漆厂；助剂。Red Evil Equipment(“快手”)、三辊机，钢板，模拟大板燃烧装置(自行设计，见图2)。3　实验流程及装置 首先加入一定量的树脂和氯化石蜡，再依次称量并加入各阻燃体系组分、颜填料、助剂，装入同质量的钢珠，用“快手”分散5～6 h后过滤备用。将所配制的涂料用溶剂稀释至合适的粘度后，涂敷于钢板上，观察其外观，检验其阻燃性能。　4 试验研究4.1 树脂组分的选择 树脂基料对膨胀型防火涂料的性能有重大的影响，与其它各组分配合，它既保证了涂层在 正常条件下具有各种使用性能，又能在火焰灼烧或高温作用下具有难燃性和优异的膨胀发泡 效果。 实验初期，我们主要采用加入丙烯酸树脂来解决其开裂问题。保持原配方整个体系基本不变 ，仅改 变基料组成，用丙烯酸树脂代替部分氨基树脂。将各次制得的涂料涂敷在小板(11 cm×11 c m×0.4 cm)和中板(30 cm×15 cm×0.4 cm)上观察表面开裂状况，并将中板放在酒精喷 灯上灼烧，观察其阻燃发泡效果。表1 改变树脂基料配比的实验结果项 目: 氨基树脂∶丙烯酸树脂(质量比) 0∶100 17∶83 40∶60 60∶40 75∶25 100∶0 每次最大可涂敷厚度/mm 3 2.5 2 1.5 0.5 0.5 开裂状况: 不开裂 不开裂 不开裂 不开裂 不开裂 容易开裂 干燥状况: 难以表干和实干 较难实干 较难实干 较易表干和实干 易表干和实干 易表干和实干 发泡温度 高 较高 较高 较低 较低 低 炭化层厚度 很薄 薄 较薄 较厚 较厚 厚 通过对实验现象分析发现，加入丙烯酸树脂可以明显有助于改善原配方开裂的状况。同时 ，氨基树脂含量越低，丙烯酸树脂加入越多，表面越不易开裂，不过其涂层难以实干。但丙 烯酸树脂加入太多，其发泡炭化层薄，阻燃性能较差。当氨基 树脂与丙烯酸树脂的质量配比为3∶1时，即氨基树脂为75%时， 只要涂敷量较少，其涂层不会开裂，故在氨基树脂与丙烯酸树脂的配比为3∶1的附近进一 步进行配比试验。实验表明，若丙烯酸树脂在树脂总量中占15%～20%时，分3～6次涂 敷，每次 涂敷量在0.5～1.0 mm，且待涂层实干后(约24 h)再涂敷下一层，这样有利于涂层迅速干燥 ，可以保证涂层不会开裂。 若采用HCPE树脂代替丙烯酸树脂，当其在树脂总量中占30%以上时，所得涂层才会不易开裂 。用中板进行燃烧实验，发现采用HCPE时其炭化层较厚，发泡小而且致密，炭化层与内层联 接紧密，但炭化层太软，而采用丙烯酸树脂时的炭化层结构较硬。由于炭化层需要经受住一 定的气流的作用，故选用氨基树脂与丙烯酸树脂作基料。4.2 基料含量的选择 将基料为氨基树脂与丙烯酸树脂的涂料涂敷在90 cm×90 cm×0.4 cm的大钢板上，用 煤气喷灯大火灼烧，3 min左右时， 涂层开始变软，有很小面积的涂层开始炭化发泡，但中间已开始隆起，大块涂料受热下坠。 经研究分析，认为主要是由于涂层与底层的附着力还不够。虽然未灼烧之前涂层与底层粘接 较好，但涂料受热熔融后，熔融的树脂与底层的附着力承受不住涂层和炭化层的质量，就出 现了涂层受热后开始大块下坠的现象。 为解决涂层受热下坠的问题，保持阻燃体系以及颜填料的组分和含量不变， 增加涂料中树脂的量。将配制的涂料，分别涂敷在大钢板上，用煤气喷 灯灼烧，观察实验结果(如表2)。表2 改变树脂含量后的燃烧结果项目 树脂含量/% 30～35 35～40 40～45 炭化层厚度/cm ≤1 4～5 1～2 发泡情况 泡大且疏松 发泡细而致密 发泡小但疏松 阻燃效果 差 好 较好 其它现象 涂层受热易熔融下坠，附着力太差。 附着力较好，炭化层较硬。 附着力好，但内层涂层受热变黄，炭化层太软。 由表2可见：树脂的加入量在一定程度上对膨胀发泡效果有影响。树脂含量太少，涂层 熔融时与底层 的附着力较弱；树脂含量太多，涂层发泡膨胀的炭化层约2 cm厚，阻燃隔热效果与木结构 防火涂料相近，但远未达到钢结构防火涂料的阻燃要求。因此，确定树脂加入量为35%～40% 。4.3 阻燃组分含量的改变 防火涂料是以APP、AB型阻燃剂、三聚氰胺和双季戊四醇构成防火阻燃体系。其中APP、A B型阻燃剂主要作为酸催化剂，三聚氰胺为发泡剂，双季戊四醇作为炭化剂。与季戊四醇相 比，采用双季戊四醇，其炭化层质量较好，发泡呈圆形，细小而致密。但由于双季戊四醇价 格太贵，且采用季戊四醇也可以达到防火要求，故在所设计的配方中，用季戊四醇代替原配 方中的双季戊四醇。 在以氨基树脂和丙烯酸树脂为基料，且树脂含量为35%～40%时，仅改变APP、AB型阻燃 剂、三聚氰胺、季戊四醇之间的比例，观察发泡情况，以确定配方合理的阻燃体系(见表3) 。表3 不同配比的阻燃体系及其发泡炭化效果对比序号 APP/% AB型阻燃剂/% 三聚氰胺/% 季戊四醇/% 实验结果 1# 20～25 35～40 10～15 25～30 发泡细小致密，炭化层厚4～5 cm。 2# 20～25 35～40 20～25 20～25 发泡不高，但泡较大，炭化层约3 cm 厚。 3# 20～25 35～40 25～30 10～15 发泡较多，但泡较大，炭化层也不厚 ，厚约2cm。 4# 25～30 25～30 15～20 10～15 发泡细小，但不多，且炭化层不厚， 1～2 cm。 5# 50～55 — 15～20 25～30 与4#相比，发泡较早，炭化层稍薄一点，1～1.5cm。 由表3可知，1#阻燃体系的发泡炭化效果最好，故选用1#阻燃体系配比作为超薄型 钢结构防火涂料的阻燃体系。4.4 氯化石蜡含量的确定 氯化石蜡在防火涂料中既是增塑剂，又是发泡剂和炭化剂。 氯化石蜡的分解温度低于三聚氰胺和APP，在120 ℃首先分解炭化，使已熔融的树脂膨胀炭化，阻止火焰直接灼烧到涂层上，减缓温度的急 剧上升。而当涂层内温度达到250 ℃以上时，三聚氰胺也开始分解发泡，进一步加强了发泡 炭化效果，使炭化层增厚。 因此，调整氯化石蜡的含量可以促使发泡时间及炭化层的提早形成，并产生多层次炭化，延 缓涂层升温时间。但加入过量的氯化石蜡，涂层较软，难以干燥和固化，且涂层硬度不够 。经实验研究表明，当氯化石蜡加入量为6%～8%时，效果最好。5 结果及验证 通过以上系列研究，确定超薄型钢结构防火涂料的配方以氨基树脂和丙烯酸树脂为基料 ，其中丙烯酸树脂在基料中占15%～20%。防火涂料配方中各物质组成及含量见表4。表4 超薄型钢结构防火涂料配方 %物料组成 基料 氯化石蜡 阻燃体系 填料 助剂 配比 35～40 6～8 40～50 5～12 5～12 按照上述配方配制涂料，并将其分4次涂覆于100 cm×100 cm×0.4 cm钢板 上， 每隔24 h涂一次，待涂层完全实干后，涂层干膜厚度为1 mm。置于煤气喷灯上灼 烧，用秒表记录时间、热电偶记录钢板背面温度。按照升温曲线加大火焰，3 min后涂层表 面开始出现熔融、发泡、炭化现象，但泡较大且不连续。随着火焰的加大和温度的升高， 表面涂层基本已形成一层炭化层，但较薄(约1.5 cm厚)，与木结构防火涂料发泡炭化情况 相似。如此持续15 min后，炭化层厚度逐渐增加至4～5 cm，这是由于内层涂料开始熔融、 发泡、炭化所致。灼烧20 min后，用刮刀刮去钢板边缘处的炭化层，发现内层仍有较厚的白 色涂层 。总共灼烧62 min后，炭化层不再增厚，钢板背面温度达到300 ℃。停止灼烧，取下钢板 ，用刮刀刮开中间部分，内层涂料全部分解发泡，测得炭化层厚度为4.2 cm。 因此，该超薄型钢结构防火涂料在干膜厚度为1 mm时，阻燃时间达到60 min以上，而国家标 准 要求超薄型钢结构防火涂料的阻燃时间为30 min，可见该超薄型钢结构防火涂料阻燃性能优 异。参考文献:［1］ 李风，覃文清.钢结构防火涂料的研究和应用.涂料<

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