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几种颜填料对水性膨胀型防火涂料耐火性能的影响,介绍了一种水性膨胀型防火涂料的制备工艺及其耐火性能快速测试方法
2019年12月08日    阅读量:1395     新闻来源:中国建材网 cnprofit.com    |  投稿

0 前 言
近年来,随着建筑物的跨度与高层化不断增加,钢结构建筑物也随之大量出现。然而,钢结构在高温下只有短短十几分钟便失去承载能力,远远达不到防火规范的要求。这就要求我们在人口密集的公共场所如机场、火车站、会议中心、写字楼、图书馆等建筑设计时对钢结构实施有效的防火保护措施中国建材网cnprofit.com


膨胀型防火涂料不仅具有隔热性好、密度低、易施工等优点,同时还可以保持钢结构挺拔、美观的外形,因此受到了广大建筑设计者的青睐,成为了钢结构建筑最有效的防火措施之一。


膨胀型防火涂料按照分散介质的不同可以分为水性膨胀型防火涂料与溶剂型防火涂料,但传统溶剂型防火涂料在施工过程中释放大量有机溶剂,对周围环境和施工人员造成伤害。随着国家环保法律法规越来越严格,溶剂型防火涂料现在处于限制应用阶段,而以水为介质的防火涂料由于环境友好安全、污染少等优点在大力推广应用,因此研究水性膨胀型防火涂料各组分对其耐火性能的影响具有重要的理论和现实意义。


目前,大部分有关水性膨胀型防火涂料耐火性能的研究主要围绕成膜物质与阻燃体系进行开展,而有关颜料与其他填料对耐火性能的研究却鲜有报道。本文通过对钛白粉、氢氧化铝、纤维材料等几种颜填料进行筛选,并对其制备的防火涂料耐火性能进行测试,同时对这几种颜填料在防火涂料中的测试结果与作用机理进行了简单的分析,为后续读者和业内人士提供部分参考依据。

1 实验部分
1.1 实验原材料
改性醋酸乙烯酯共聚乳液(PVA),上海昕特玛公司;多聚磷酸铵(APP),清远磷化学有限公司;三聚氰胺(MEL),天津市光复精细化工研究所;季戊四醇(PER),天津市科密欧化学试剂开发中心;钛白粉,攀枝花;氢氧化铝,济南;纤维材料,广州。
1.2 实验仪器设备
高速分散机,上海普申化工机械有限公司;电热恒温鼓风干燥箱,成都特斯特仪器有限公司;电子天平,常熟市双杰测试仪器厂;膨胀型防火涂料耐火性能快速测试装置,中航百慕新材料技术股份有限公司;钢尺、膜厚仪等。
1.3 基础配方及制备方法
实验基础配方如表1所示。
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将水、MEL、PER、钛白粉、氢氧化铝及助剂采用高速分散机以800 r/min的速度分散研磨20 min至目视无大颗粒,加入APP以1 300 r/min的速度分散研磨15 min后加入PVA和纤维材料以600 r/min的速度分散10~15 min至混合均匀即可。将制备后的涂料在带有防腐底漆钢板上进行刷涂,刷涂厚度均为(1±0.1) mm进行实验。
1.4 耐火性能测试方法
采用防火涂料耐火性能快速测试装置模拟防火涂料受火时对钢结构保护情况,测试装置结构如图1所示,按ISO834升温曲线升温,实际炉温与ISO834《防火阻燃测试》标准升温曲线接近,温度场重复性好,测试结果稳定,较接近实际测试结果,钢板背温设为至580 ℃时经历时间为防火涂料耐火极限。对实验后的涂层烧蚀率、炭层膨胀倍率进行测试,检查炭层强度与炭层状态。
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2 实验结果与讨论
2.1 钛白粉对防火涂料耐火性能影响
2.1.1 不同钛白粉添加量
为研究钛白粉添加量对防火涂料耐火性能影响,按照表1中实验参考配方设计制备6种不同钛白粉添加量(添加量分别为0、3%、6%、9%、12%和15%)的防火涂料,钛白粉为金红石型(R)钛白粉,将制备的涂料刷涂厚度为(1±0.1) mm的样板进行耐火性能实验,测试6种不同钛白粉添加量的涂料钢板背温至580 ℃时所用时间,具体测试结果如表2所示。
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从表2中可以看出,当不添加钛白粉时,防火涂料的耐火极限仅为43 min,随着钛白粉加量的增多,涂料的耐火极限也随之延长,至添加量为9%(质量分数)时涂料耐火极限达到最高值69 min,随后开始趋于平缓,基本保持不变。这就说明,钛白粉的添加对水性膨胀型防火涂料的耐火极限有着一定的提高作用,但超出一定添加量后,并不能对涂料的耐火极限带来进一步的提升。为研究钛白粉的作用机理,对耐火后涂层的烧蚀率和炭层膨胀高度进行测试,具体测试结果如表3所示。
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从表3中可以看出,不添加钛白粉的防火涂料烧蚀率最高,涂层炭层膨胀高度最低仅为20 mm,而随着钛白粉的添加量增多,涂层的炭层膨胀高度逐渐提高,至31 mm时开始趋于平稳,烧蚀率则随着钛白粉的添加量逐渐增多而持续降低。
综合表2和表3中的测试结果来看,钛白粉的添加可以明显提高涂料耐火后炭层膨胀高度,降低涂层烧蚀率,延长涂料的耐火极限时长。这就说明钛白粉在涂料受火时参与了炭层的形成过程,据研究表明,钛白粉可以与化学性质较为活泼的多聚磷酸铵及其分解产物发生反应,生成磷酸钛(TiP2O7),起到一定的隔热阻燃效果。但当钛白粉含量至一定量时,季戊四醇与钛白粉两者之间与多聚磷酸铵存在某种竞争关系,因此,在膨胀反应中除了3种膨胀阻燃填料之间存在一个最佳的匹配比例之外,多聚磷酸铵、季戊四醇与钛白粉三者之间也存在一个最佳比例。当钛白粉含量较少时,涂料的耐火极限时长会变短,当钛白粉含量高于该最佳值时,由于没有更多的多聚磷酸铵与之反应,故对涂料的耐火极限时长提升并无明显帮助。
2.1.2 不同晶型的钛白粉防火涂料耐火性能影响
常见的钛白粉有金红石型(R)钛白粉和锐钛型(A)钛白粉。为了比较不同晶型的钛白粉对防火涂料耐火性能影响,在同一配方下采用金红石型钛白粉和锐钛型钛白粉进行防火涂料制备,根据2.1.1中实验结果,两种晶型的钛白粉添加量保持一致,均为10%,将制备的防火涂料制成样板在耐火性能快速测试装置中进行实验,对实验后涂层耐火极限时长、烧蚀率、炭层膨胀高度和炭层强度进行测试,具体测试结果如表4所示。
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从表4中可以看出,虽然锐钛型钛白粉在耐火极限时长、烧蚀率和炭层膨胀高度要比金红石型钛白粉略好,但差距并不明显,属于可接受的范围。而其炭层强度则要比金红石型钛白粉差不少,究其原因,还是因为二者微观晶体结构的不同而致使性能不同。金红石型钛白粉晶型更趋向六面体,比较锐钛型钛白粉更容易分散均匀,其所形成的团聚物更加均匀,因此其形成的炭层也更加均匀致密,进而炭层强度更高。综合考量,金红石型钛白粉在防火涂料配方设计中更为合适。


2.2 氢氧化铝对防火涂料耐火性能影响
制备4种不同氢氧化铝添加量的防火涂料,添加量分别为0、2%、4%、6%,对应设计为A、B、C、D4种方案,对这4种方案的样板采用防火涂料耐火性能快速测试装置进行耐火性能测试,4种方案涂料耐火性能的时间-温度曲线图如图2所示。
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从图2中可以看出,4种防火涂料在前15 min升温较为迅速,对钢板的隔热效果无明显差异;在15 min左右时(纵坐标温度300 ℃左右)升温速率均开始降低,随后升温速率保持在一个较为稳定的值;至60min时,A组方案样板(未添加氢氧化铝)背温至580.8℃,B组方案样板(氢氧化铝添加量为2%)在66 min时钢板背温达到578.9 ℃,防火涂料达到耐火极限,而C组方案样板(氢氧化铝添加量为4%)和D组方案样板(氢氧化铝添加量为6%)分别于72 min和71 min达到耐火极限,失去对钢梁的保护。
表5为4种实验方案防火涂料各温度段升温速率。从表5中可以看出,在前300 ℃时4种方案升温速率无明显差异,均保持在15 ℃/min左右;至300 ℃后,4种涂料的升温速率均开始下降,升温速率A组>B组>C组≈D组。这是因为涂料中的三元体系(APP-MEL-PER)开始发挥作用,但是添加氢氧化铝比未添加氢氧化铝的涂料升温速率要低约30%左右,这也是导致了涂料最终耐火极限差距的主要原因,认为这是因为从300 ℃开始,氢氧化铝参与了阻燃体系受热过程中的反应,提高了涂层的隔热效率。为证明此想法,对4种涂料炭层膨胀高度、炭层强度及烧蚀率进行检测,测试结果如表6所示。
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从表6中可以看出,添加氢氧化铝虽然会使防火涂层的膨胀倍率降低,但是对涂层高温下炭层强度有着明显的改善作用,且烧蚀率也有所降低,结合表5综合来看,说明氢氧化铝确实在高温下参与了阻燃体系的受热反应。据研究表明,氢氧化铝会与阻燃体系中的多聚磷酸铵(APP)在受热过程中发生反应,生成磷酸铝[Al(PO3)3],该物质具有良好的热稳定性和抗氧化性,同时可以提高涂层中的残炭率,从而提高涂料的防火阻燃性能。但是和钛白粉一样,氢氧化铝与阻燃体系同样有一个最佳比例,当氢氧化铝含量较少时,涂料的耐火极限时长会变短;当氢氧化铝含量高于该最佳值时,由于没有更多的多聚磷酸铵与之反应,故对涂料的耐火极限时长提升并无明显帮助。
2.3 纤维材料对防火涂料耐火性能影响
通常膨胀型防火涂料都会加入纤维材料对涂料的耐火性能进行改性,常见的纤维材料主要有芳纶纤维、玻璃纤维、硫酸钙晶须等短棒状或针棒状结构材料,该类材料可以提高防火涂料的常温理化性能(包括黏结强度、柔韧性、耐酸碱、耐腐蚀等),但是对于涂料高温下热稳定性和受热后的炭层强度的改性作用需进一步验证。
本实验设计添加芳纶纤维、玻璃纤维、硫酸钙晶须3种改性材料于防火涂料配方中,添加量均保持为3%(添加过多会使涂料黏度上升、成本提高),对制备成样板防火涂料的耐火极限、炭层强度、炭层形貌、炭层膨胀高度进行测试。具体测试结果如表7所示。
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从表7中可以看出,芳纶纤维对防火涂料的防火阻燃性能改性效果最差,甚至会降低涂料受热时的膨胀炭层强度和膨胀高度。这是因为芳纶纤维本质为有机物,虽然正常状态下涂料比较密实,但是在高温下芳纶纤维会发生分解,使涂料中原本芳纶纤维的位置出现大量空洞和缺陷,使得基材与外部联通,从而造成阻燃性能下降。玻璃纤维与硫酸钙晶须对于涂料的防火阻燃性能都有着极为明显的改性作用,而玻璃纤维为一种非晶态物质,会在500 ℃左右时开始发生熔化,使其内部会出现部分空洞,但是由于此时三元体系(APP-MEL-PER)形成炭层已基本定型,外部炭层比较致密,不会使基材与外部出现联通现象,因此对防火涂料防火阻燃性能影响不大。硫酸钙晶须是以石膏为原材料, 通过人为控制, 以单晶形式生长的,具有均匀的横截面、完整的外形、完善的内部结构的纤维状(须状)单晶体,高温下性能稳定,并且以相互交错的形式互相缠绕,从而提高炭层的高温内聚力,使得炭层强度和隔热效率提高,进而提高防火涂料的防火阻燃性能。图3为添加3种不同纤维防火涂料测试后涂层表面形貌。
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3 结 语
本实验选取了几种不同颜填料对水性膨胀型防火涂料防火性能进行了测试与讨论,得出以下几点结论,具体如下:
(1)添加一定比例的钛白粉对防火涂料耐火性能有着明显的改性作用,但超过该比例时,改性效果提升不大。
(2)金红石型钛白粉对于防火涂料的耐火性能提高要稍强于锐钛型钛白粉。
(3)添加一定比例的氢氧化铝可以显著提高防火涂料的耐火性能,但超过该比例时,改性效果提升不大。
(4)纤维材料中,硫酸钙晶须对于防火涂料的耐火性能提升效果较好,芳纶纤维提升效果较差。


焦辉军,程皓然,凌 芹,杨 帆
(石家庄市油漆厂,石家庄 050086)

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