超薄型钢结构防火涂料的研制

现代大型建筑的主要承重构件大多依赖于坚固而又轻便的钢材. 从发展趋势看,钢结构将是未来大型建筑的主要形式. 但是,钢结构建筑的耐火性能远比砖石结构和钢筋混凝土结构差. 由于钢材的机械强度是温度的函数,一般说来,钢材的机械强度会随温度的升高而降低. 当温度达到某一值时,钢材便失去承载能力,这一温度被定义为钢材的临界温度,一般常用的建筑钢材的临界温度在540 ℃左右. 就建筑火灾来讲,其火场的温度大多为800~1200 ℃,在火灾发生的10min 内,火场的温度即可达到700 ℃以上. 在这样的火灾温场下,对于裸露的钢材,几分钟内就可上升到500 ℃而达到临界值,使承载能力失效并导致建筑物垮塌[1 ] .为提高钢结构建筑的耐火问题,从20 世纪70 年代起,国外便开始了钢结构防火涂料的研究并取得了显著的成效. 我国于80 年代初也开始了对钢结构防火涂料的研制,现已研制出一些优良品种,其中比较著名的有:四川消防研究所推出的适用于保护钢结构和预期应力钢筋混凝土楼板的SG1 水性膨胀型防火涂料,以及适用于室外钢结构的薄层SWB 膨胀型防火涂料;总后建筑工程研究院采用复合涂层技术研制的无机膨胀型钢结构防火涂料;广州白云山雷威化工厂开发出的GWB 室外钢结构防火涂料、扬州金陵特种涂料厂推出的BSC2A 钢结构防火涂料等[2 ] .

钢结构防火涂料一般分为厚涂型、薄涂型和超薄型. 厚型钢结构防火涂料是指涂层厚度在8~50mm 的涂料,这类涂料的耐火极限一般在0. 5~3h ,但装饰性极差;薄型钢结构防火涂料的厚度一般在3~7mm ;而超薄型防火涂料的涂层厚度不超过3mm ,这类涂料受火烧时能膨胀发泡并形成致密的隔热层,从而延缓了钢材的升温,可提高钢结构的耐火极限[3 ] . 与厚型钢结构涂料相比,超薄型涂料粒度更细、涂层更薄、施工方便、装饰性好,既可满足防火要求,又能满足人们对装饰性的需要,因此是钢结构防火涂料的主要发展方向.但是,国内外超薄型钢结构防火涂料,存在着3 个方面的缺陷:1. 价位高;国产钢结构防火涂料的市售价在30~50 元/ kg 左右,进口超薄型钢结构防火涂料的市售价格达到150~180 元/ kg ,某些特殊防火涂料的价格甚至高达500 元/ kg. 2. 装饰性差;不仅透明、超薄的钢结构防火涂料很少,而且颜色单一、难于调色. 3. 国内现有的超薄型钢结构防火涂料其耐火能力不强,采用大板燃烧法,不仅装饰性差,而且其耐燃时间一般也不超过50min. 为解决这些问题,我们以合成树脂为基料,配以有机溶剂和稀释剂、阻燃剂、膨胀剂、发泡剂及有关助剂,制备出了新型超薄型钢结构防火涂料.

1  实验研究与实验结果
1. 1  配方设计
对钢结构防火涂料的要求是:涂层超薄、装饰性强、施工方便、防火性能高、应用范围广,因而对涂料的黏结力和耐水性有较高的要求. 为了适应这些要求,我们对构成涂料的各种组分材料进行了优选实验,并在其基础上设计了油性防火涂料的配方(如表1) .

1. 2  工艺流程
预先将树脂溶解,然后按配方加入其它成分,经研磨至规定细度,并检验合格后,再进行出料包装. 由于不同的研磨工艺设备对膨胀型防火涂料的细腻均匀性、致密结实性差别很大,因此应特别注意选择合适的研磨工艺.

1. 3  实验结果
按照以上配方和工艺制备的防火涂料,经四川省攀枝花市荣鑫涂料厂涂料研究所按GB14907294[4 ]检验,其理化性能和防火性能的检验结果见表2. 从表2 可见, 与传统超薄型防火涂料相比,在涂层厚度为2. 68mm的情况下,该涂料的耐燃时间约提高了20min ;此外,在涂层厚度及耐水性能等主要技术指标方面也有一定的提高.

2  组分材料的选择与讨论
为选择合适的配方,我们对基体树脂、脱水碳化剂、发泡剂、成碳剂、阻燃剂、补强剂、颜料、填料和溶剂等材料进行了优选实验,并对其形成机理进行了讨论.

2. 1  基体树脂
基体树脂对膨胀型钢结构防火涂料的性能有重大的影响. 它与其它组分配伍,既保证了涂层在正常条件下具有各种使用功能,又能在火焰灼烧或高温条件下具有难燃性和优良的膨胀发泡性能. 我们对常用的树脂作基体成膜物的防火涂料进行了对比实验,其结果如表3. 由表3 可以看出,在通常情况下,丙烯酸树脂防火涂料的碳化层质量高,防火性能好,且发烟量少,故我们采用丙烯酸树脂作为主成膜物.

2. 2  脱水碳化剂
脱水碳化剂是一种能在一定条件下分解出磷酸的物质,其分解出的酸能使多元醇脱水,从而使之形成不易燃的三维空间结构的碳化层. 其主要功能是促进和或改变涂层的热分解进程,如促进有机物脱水碳化、减少焦油的生成、阻止放热量大的反应发生等. 常用的脱水碳化剂有多聚磷酸铵、磷酸三聚氰铵、无卤双磷脂等. 我们分别对上述材料进行了对照实验,结果如表4. 由表4 可知,磷酸三聚氰胺的水溶性较聚磷酸胺小,且兼具催化和发泡双重功效,故我们优先选用磷酸三聚氰胺作为脱水碳化剂.

2. 3  成碳剂
成碳剂是涂层在高温下形成不易燃烧三维空间结构的泡沫碳化层的物质基础,对泡沫碳化层起骨架作用. 它通常是一些含高碳的多羰基化合物,如淀粉、糊精、季戊四醇、二季戊四醇和含羟基的树脂. 它们在脱水催化剂的作用下,可脱水生成具有多孔结构的碳化层. 我们对不同碳化剂进行了对照实验,其结果如表5. 由表5 可见,使用淀粉作为成碳剂,涂层的耐水性难于解决,而二季戊四醇由于价格原因,在国内也很少使用,故我们选用季戊四醇作为成碳剂.

2. 4  发泡剂
发泡剂遇热可分解出不燃性气体(如N2 ,CO2 ,H2O 等) ,致使涂层膨胀发泡,并在涂层内形成海绵状结构,从而能有效地阻止热量向底层传递,达到阻燃的目的. 常用的发泡剂有三聚氰铵、氯化石蜡等. 硼是缺电子原子,其化合物通常称为缺电子化合物,极易形成配合物而带有大量的水分子,如硼砂(Na2B4O7·10H2O) .硼砂在受热情况下,可以分阶段地释放出水分子:当加热到350 ℃到400 ℃时将脱水为无水的硼酸纳,此外,硼砂在酸性水溶液中能生成硼酸,其脱水可得到偏硼酸,偏硼酸进一步脱水即得到氧化硼,并产生大量的水分,硼的其它化合物也具有类似的性质,将其加入到防火涂料原料中,能起到发泡剂的作用,加以硼砂的价格也比较低廉,故我们采用经酸化后的硼砂作为发泡剂.

2. 5  颜料与填料
对膨胀型防火涂料而言,所含无机颜料的比例较少(甚至不含) ,因为无机颜料的用量会影响涂层的发泡效果,导致涂层的防火性能降低,一般选用遮盖力强和化学性能好的钛白粉、氯化锌、铁红等作为颜料. 考虑到以上因素,我们的实验采用钛白粉及氯化锌的混合物作为颜料.

2. 6  助剂
助剂1 是配方中的阻燃剂. 加阻燃剂的目的在于增加涂层的阻燃能力,并在其他组分的配合下实现涂层的难燃化,此外还可起到一定的抑烟效果.
助剂2 包括增强剂、增韧剂、增稠剂和乳化剂. 实验表明,发泡高度并不与耐火极限成正比,反而是发泡越高,其耐火极限越差. 因此增加膨胀层的强度是提高钢结构防火涂料的耐火极限的关键,增强剂的作用在于提高膨胀层的强度. 增韧剂、增稠剂和乳化剂的作用是提高涂料的稳定性及可施工性和物理机械性能.

2. 7  溶剂
应选择毒性低、对人体无害且具有合适挥发速度的混合溶剂.

3  各组分含量对涂料性能的影响
钢结构防火涂料的主要性能是其耐燃特性,各组分的含量对超薄型防火涂料的防火性能有很大的影响,为选择最佳含量配比,我们对各组分的含量与涂料防火性能的关系进行了研究. 限于技术的原因,现仅对基体树脂、脱水碳化剂、成碳剂的含量与防火涂料的耐火性能之间的关系作一定的讨论.

3. 1  丙烯酸树脂含量对涂料耐火性能的影响
丙烯酸树脂与其它组分配伍,赋予涂层在正常条件下的使用性能以及高温下的难燃性和优异的膨胀性,它的含量对超薄型防火涂料的耐燃性能有直接的影响. 我们对丙烯酸树脂的含量与涂料耐火性能之间关系研究的结果如图1 所示. 由图1 可知,丙烯酸树脂的质量百分含量为21 %时,涂料的耐燃时间最长,可达到96min. 故基体树脂的最佳含量为21 %.

3. 2  磷酸三聚氰铵含量对涂料耐火性能的影响
磷酸三聚氰铵含量对膨胀型防火涂料性能的影响亦很大. 在实验过程中,磷酸三聚氰铵在一定温度下所分解出的酸能使多元醇脱水,从而形成不易燃烧的三维空间结构的碳化层. 关于对磷酸三聚氰铵含量与涂料耐燃时间之间关系的研究结果,如图2 所示. 从图2 可以看出,当磷酸三聚氰铵的含量为20 %时,防火涂料的耐燃时间最长. 故脱水碳化剂的最佳含量为20 %.

3. 3  季戊四醇含量对防火涂料耐火性能的影响
季戊四醇是形成三维空间结构泡沫碳化层的物质基础,对泡沫起着骨架作用,其含量对防火涂料的耐火性能起着十分重要的作用. 我们对成碳剂季戊四醇的含量与防火涂料耐火性能的研究结果,如图3 所示. 由图3可知,当季戊四醇的质量百分含量为9 %时,防火涂料的耐火时间最长,约为96. 6min ,所以季戊四醇的最隹含量为9 %.

4  结论
1. 采用丙烯酸树脂为主成膜物、磷酸三聚氰胺为脱水碳化剂、季戊四醇为成碳剂、硼砂为发泡剂、钛白为颜料、辅以适量的助剂和溶剂,所制备的超薄型钢结构防火涂料,在涂层厚度为2. 68mm 的条件下,耐火极限为96min. 2. 丙烯酸树脂、磷酸三聚氰胺、季戊四醇等的含量对涂料性能有明显的影响;综合各种因素考虑,丙烯酸树脂的最隹含量为21 % ,磷酸三聚氰胺的最隹含量为20 % ,季戊四醇的最隹含量为9 %. 3. 由于研磨工艺对涂料的细腻均匀性、致密结实性有着明显的影响,所以在制备防火涂料时应选取合适的研磨工艺.

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