空心玻璃微珠改性丙烯酸乳液防火涂料防火性能研究

空心玻璃微珠改性丙烯酸乳液防火涂料防火性能研究

陈伟红,周亮,杨迎,伍建荣
(中国人民武装警察部队学院消防工程系,河北廊坊065000)

0 引言
在建筑装饰装修过程中大量采用易燃和可燃材料容易引发火灾事故。防火涂料是指涂覆在物体表面,阻止或延缓火焰在材料中蔓延的一类涂料[1]。按分散介质可将其分为溶剂型和水性2 类,水性防火涂料是以水作为分散介质,用水性树脂或乳液聚合物做基料,具有无毒、环保的优势[2]。丙烯酸乳液是最常用的水性涂料基料,研究发现,添加5%脲醛树脂可使丙烯酸乳液涂料的耐火时间延长45%[3]。添加适量的可膨胀石墨,当涂层厚度为3.0 mm 时,丙烯酸乳液防火涂料的耐火极限可达1.0 h[4]。空心玻璃微珠是近年来发展起来的一种新型粉体材料,粒度介于10~250 μm,堆积密度为0.1~0.3 g/cm3,具有轻质和隔热等优点。本文利用机械搅拌法制备空心玻璃微珠丙烯酸乳液防火涂料,研究了空心玻璃微珠用量、空心玻璃微珠粒径和聚磷酸铵等因素对涂料表面火焰传播特性的影响。

1 实验
1.1 原材料
丙烯酸乳液、氟碳流平剂FC-54、增稠剂AT-07(丙烯酸乙酯甲基丙烯酸共聚物)、消泡剂,北京东联化工有限公司;聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇,工业品,市售;空心玻璃微珠,河北省秦皇岛奥格集团,其主要性能指标及主要化学成分分别见表1 和表2。

基板:标准石棉板、橡树标准木、一级5 层胶合板。

1.2 主要仪器设备
电子天平,ES1000E-25 型,沈阳电子天平有限公司;防火涂料测试仪,SDF-2 型,南京市江宁区分析仪器厂。

1.3 实验方法
将一定比例的空心玻璃微珠与丙烯酸乳液混合,加入一定量增稠剂、分散剂、消泡剂和氟碳流平剂,分别制得非膨胀型和膨胀型空心玻璃微珠丙烯酸乳液防火涂料(其配方分别见表3 和表4,质量比)。按GB 12441—2005,将涂料均匀涂覆于基材表面,在温度为(23±2)℃、相对湿度为(50±5)%条件下干燥24 h,保证质量恒定(相隔24 h 前后2 次称量的质量变化不大于0.5%)。在SDF-2 型防火涂料测试仪上测试试件表面火焰长度,计算火焰传播比值(FSR),并记录背火面温度随时间的变化。
表3 空心玻璃微珠非膨胀型丙烯酸乳液防火涂料配方

2 结果与讨论
2.1 空心玻璃微珠用量对非膨胀型丙烯酸乳液防火涂料防火性能的影响
2.1.1 对FSR 和试件背火面最高温度的影响
为考察对非膨胀型丙烯酸乳液防火涂料防火性能的影响,测试了不同空心玻璃微珠用量时,火焰传播比值FSR 和试件的背火面最高温度,结果见图1。

由图1 可知,随空心玻璃微珠用量增加,FSR 和背火面温度均呈先降低后升高的趋势。当用量为6%时,火焰传播长度和背火面温度较未添加之前分别下降约30%和15%,此后再增加空心玻璃微珠用量,涂料的FSR 和背火面温度反呈逐渐增大的趋势。

2.1.2 对试件表面火焰传播特性的影响
为了研究试件表面的火焰传播特性,考察了空心玻璃微珠不同用量时火焰传播长度随时间的变化,结果见图2,不同用量时试件表面烧损情况见图3。

图2 空心玻璃微珠用量对试件表面火焰传播特性的影响

图3 空心玻璃微珠不同用量时非膨胀型丙烯酸乳液防火涂料试件表面火焰烧损情况对比

由图2 可知,空心玻璃微珠用量对试件表面火焰传播特性有显著影响。当用量为2%和10%时,火焰传播长度增长迅速,在受火105 s 后即达到37.5 cm,之后又逐步增长到45.0cm;而用量为6%时火焰传播长度增长缓慢,前135 s 基本稳定在17.5~20.0 cm,之后逐步增长到最大值32.5 cm。这主要是当用量过低时,防火涂料中空心玻璃微珠不能在基材表面形成完整覆盖层,隔热性能有限,受热分解速度快,表面火焰烧损严重[如图3 中(b)、(c)所示];而当微珠用量过大时,由于涂层受火后出现开裂脱落,防火隔热性能降低[如图3 中(e)所示]。

2.2 空心玻璃微珠对膨胀型丙烯酸乳液防火涂料防火性能的影响
文献[5]报道,当聚磷酸铵(APP)、三聚氰胺(MEL)和季戊四醇(PER)的质量比为10∶4∶7 时,涂料受火后膨胀性能最好。为研究空心玻璃微珠对丙烯酸乳液膨胀型防火涂料防火性能的影响,固定APP、MEL 和PER 的质量比为10∶4∶7。表5 为空心玻璃微珠不同用量时,火焰传播比值FSR 和背火面最高温度。图4 和图5 分别为空心玻璃微珠不同用量时,试件背火面温度和表面火焰传播长度随时间的变化曲线,图6 为空心玻璃微珠不同用量时试件表面烧损情况。
表5 空心玻璃微珠用量对膨胀型丙烯酸乳液涂料防火性能的影响


图4 空心玻璃微珠用量对试件背火面温度的影响

图5 空心玻璃微珠用量对试件表面火焰传播特性的影响

由表5、图4、图5 和图6 可知,对膨胀型丙烯酸乳液涂料而言,随着空心玻璃微珠用量增大,火焰传播速度、传播比值和试件背火面温度逐步升高,涂料防火性能逐渐下降。这主要是因为添加空心玻璃微珠后涂料的膨胀性能受到抑制。空心玻璃微珠的加入影响了涂层的膨胀效果,致使涂层的发泡厚度降低,且导致涂层在受火后出现开裂脱落的现象,用量越大,影响效果越显著,防火性能下降越明显。未添加空心玻璃微珠时,涂料受火后体积迅速膨胀,阻止热量向内部传递,基材热分解速度较慢,前135 s 内火焰长度一直稳定在12.5 cm,最大值仅为17.5 cm[见图5、图6(a)];当用量为2%时,涂料膨胀作用受限,涂层出现轻微裂纹[见图6(b)],150 s 火焰长度即达25 cm,防火性能下降;而当用量增至4%时,涂料几乎失去膨胀性能,涂层开裂严重[见图6(c)],致使基材受热分解速度加快,表面火焰长度明显增加,背火面温度显著升高。

3 结语
(1)添加空心玻璃微珠可改变非膨胀型丙烯酸乳液涂料的防火性能。随着空心玻璃微珠用量增加,火焰传播比值FSR和背火面温度均呈先降低后升高的趋势。当用量为6%时,火焰传播长度和背火面温度较未添加之前分别下降约30%和15%,此后再增加空心玻璃微珠用量,涂料的火焰传播比值和背火面温度反呈逐渐增大的趋势,防火性能下降。
(2)空心玻璃微珠属于无机材料,其防火性能主要源于其物理隔热作用。当用量适宜时,空心玻璃微珠可在材料表面形成完整的覆盖层,其优异的中空隔热结构可提高涂料的防火性能。
(3)对膨胀型丙烯酸乳液涂料而言,空心玻璃微珠不但抑制涂料中阻燃膨胀元素发挥作用,而且引起涂层开裂,使涂料防火性能下降。空心玻璃微珠用量越大,对涂料的膨胀性能抑制越明显。采用适当的改性剂对其表面进行处理,提高其与膨胀型涂料的相容性是今后研究的方向。.

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