环境友好型钢结构防火涂料的研制

1 概述
随着建筑业的快速发展,大体量、大跨度及造型特殊、功能复杂的建筑不断增多,钢结构在建筑中的应用日益广泛,利用钢结构防火涂料对钢结构进行防火处理是钢结构防火隔热保护的主要技术措施。在环保要求越来越高的今天,钢结构防火涂料不仅要有良好的耐火性能和理化性能,还要有较高的环保性能。早在20 世纪80 年代初,国外钢结构防火涂料产品开始进入我国市场。在工程应用上,最早进入国内市场的国外产品是英国的“Monokete Fireproofing UK-6”钢结构防火涂料和P20 钢结构防火隔热涂料[1],随后德国的“Water Based”38320 型钢结构防火涂料( 水溶型) 、英国的“Nullifire”钢结构防火涂料( 溶剂型) 和日本“立邦油漆”的超薄型钢结构防火涂料也陆续进入我国市场。我国在20 世纪80 年代初也开始了钢结构防火隔热保护技术研究工作,从最初研制的LG 钢结构防火隔热喷涂涂料和膨胀型LB 钢结构防火涂料到后来的SWB 室外钢结构膨胀防火涂料、SWH 室外钢结构隔热涂料和SCB 超薄膨胀型钢结构防火涂料等,产品技术不断成熟,性能不断提高。钢结构防火涂料的发展基本上已形成多品种、系列化,有溶剂型、水溶性、厚涂型、薄涂型和近年发展起的超薄型,以及室外和室内型等多种钢结构防火涂料。虽然这些产品的技术性能持续改进,但是在理化性能、耐火性能和绿色环保性能的最优兼顾上仍未取得重大突破,这是材料研究领域的一个重大瓶颈[2],也是我国钢结构防火保护技术研究的一项重要任务。为此,本文探索以弹性聚氨酯乳液为基料,改性多聚磷酸铵( APP) 为阻燃剂,按照高性能低成本的原则,通过单因素试验对涂料配方进行优化,力求促进钢结构防火涂料的综合性能得到有效改进。

2 实验部分
2. 1 主要原料及来源
①弹性聚氨酯乳液: 国内外企业生产; ②改性多聚磷酸铵阻燃剂: 捷尔思阻燃公司; ③钛白粉、硫酸钡、重钙: 均为工业品; ④各种水性助剂可市购。
2. 2 涂料基本配方及制备
( 1) 实验基本配方见表1。

( 2) 涂料的制备方法。按配方依次将自来水、阻燃剂、钛白粉等各种粉料及填料加入搅拌罐中,经800 ~1 000 r /min高速搅拌20 min,进入研磨机研磨2 h; 将制得的浆料在200 ~ 400 r /min 下加入乳液和助剂低速搅拌; 用水或增稠剂调节涂料黏度,并用pH 调节剂将体系pH 值调至8 左右。
2. 3 主要性能指标的检测依据
( 1) 耐火性能。耐火性能按GB 14907 - 2002《钢结构防火涂料》( 以下简称GB 14907) 进行测试,试件涂层厚度为2 mm。
( 2) 拉伸强度及延伸率。拉伸强度及延伸率采用ASTM D2370 - 2002《有机涂层拉伸性能试验方法》( 以下简称ASTM D2370) 进行测试。
( 3 ) 低温柔性。低温柔性采用Federal TestMethod No. 141a - 6221《涂层低温柔性试验方法》( 以下简称No. 141a - 6221) 进行测试。
( 4) 硬度。硬度采用ASTM D2240 - 2005《用硬度计测定橡胶硬度的试验方法》( 以下简称ASTMD2240) 进行测定。
( 5) 重量固体分和体积固体分。重量固体份和体积固体份分别采用ASTM D2369 - 2004《涂料不挥发物含量试验方法》( 以下简称ASTM D2369 ) 和ASTMD2697 - 2003《透明或着色涂料中不挥发物体积的测试方法》( 以下简称ASTM D2697) 进行测试。
( 6) 耐足踏时间。耐足踏时间按ASTM D1640 -2003《室温下有机涂料干燥、固化及成膜的试验方法》( 以下简称ASTM D1640) 进行测定。

3 结果与分析
3. 1 基料的选用及基料对涂料性能的影响
基料作为涂料的主要成膜物质,对涂膜的硬度、耐磨性、耐冲击性、耐水性、耐候性等其它物理化学性能起到决定性的作用,它必须使涂料成膜后具有良好的耐水性、附着力和化学稳定性,同时还必须在涂层受热时不妨碍整个阻燃体系的阻燃性能。弹性聚氨酯乳液具有优异的弹性和耐粘污性,以及良好的耐风化、耐水和耐侯性能,它能使涂料层与基体牢固结合,具有很好的抗裂性,同时拥有优秀的装饰性、保色性和不泛黄性,此外,还具有非凡的耐碱性,适合多领域应用。本文研制涂料的目标性能为: 延伸率≥200% ± 20%、拉伸强度≥1. 83 MPa、低温柔性为- 21℃@ 1. 2 cm 的圆心轴。针对以上性能,本文选择了国内外5 家企业生产的弹性聚氨酯乳液进行比较,按照基本配方进行试验,得出不同厂家乳液对涂料性能的影响结果( 见表2) 。从表2 可以看出,采用弹性聚氨酯乳液5 配制的涂料才能符合目标产品性能要求。
表2 不同厂家乳液对涂料性能的影响

3. 2 颜基比对涂料性能的影响及颜基比的确定
合理的颜基比不但赋予涂料优异的理化性能,而且可以将成本降到最低。本文预选了5 种比例的颜基比,主要考察了它们对涂膜拉伸强度、延伸率和低温柔性的影响,具体测试数据见表3。从表3 可以看出,当颜基比为1. 8 ∶ 1 时,可以同时满足三个目标性能的要求,从经济性考虑,选择1. 8∶ 1的颜基比也可较好地节约成本,因此最终将颜基比确定为1. 8∶ 1。
表3 不同颜基比对涂料性能的影响

3. 3 阻燃剂的选择及阻燃剂含量对涂料性能的影响
本文研制涂料的目标耐火性能是达到GB 14907的要求,且根据施工时涂料的厚度不同,保证其阻燃性能要达到3 ~ 10 年,同时必须具有绿色环保的特性,这就对阻燃剂提出了很高的要求。多聚磷酸铵( APP) 是磷氮系膨胀型无机阻燃剂,属于膨胀防火体系阻燃剂,广泛应用于防火涂料,由于其高含量的P、N 阻燃元素,使P - N 协效作用发挥出非凡的阻燃效能,同时它具有热稳定性好、水溶性小、近于中性和燃烧时无毒、无卤、低烟、不产生腐蚀性气体、不污染环境以及经久耐烧、持久阻燃等多种优点,迎合了当今生态环保的时代要求,且其原料来源丰富、价格便宜,是一种新型高效的绿色环保阻燃体系,代表着阻燃剂的发展趋势。特别是经过改性的多聚磷酸铵,极大地优化了理化、耐热、阻燃等各项性能,发烟量也变得更小,其应用效果将会更好。图1 和图2 分别
为多聚磷酸铵改性前后的扫描电镜( SEM) 图。



鉴于改性多聚磷酸铵( APP) 的上述优点,我们选择将其作为本文研制涂料的阻燃剂。经过对比多家产品,最后确定使用国内某知名阻燃剂企业( 捷尔思公司) 生产的改性聚磷酸铵。通过对加入5 种不同含量阻燃剂的涂料试件分别进行耐火性能测试,得出各种含量的阻燃剂对涂料耐火性能的影响结果( 见表4) 。
表4 阻燃剂含量对涂料性能的影响

从表4 可以看出,阻燃剂含量在30% 左右时,涂料的耐火性能可以达到目标性能要求,综合考虑涂料的性能和成本,最终确定阻燃剂含量为30%。
3. 4 涂料主要技术性能的检测结果
将本文研制的防火涂料送国家防火建筑材料质量监督检验中心按照相关标准进行检测,其主要技术性能的检测情况见表5。

从表5 列出的检测结果表明,本文研制的防火涂料在涂层厚度为2 mm( 含防锈漆厚度0. 08 mm) 时,耐火性能试验时间为74 min,完全符合国家标准规定的耐火极限要求,其余各项技术性能指标也均满足ASTM 的相关标准要求。
在进行耐火性能试验过程中,我们对炭层的变化情况进行了仔细观测,发现本文配方制备的防火涂料能在1 000℃以上的高温下与钢基材具有较强的黏结性,能使烧蚀层坚固、不脱落,表面形成了一层致密的保护层,增强了炭层强度,提高了炭层抗击火焰气流冲刷的能力,可有效避免炭层被火焰冲破或炭层脱落等现象,从而使炭层在整个测试过程中始终没有被鼓风吹开。相比之下,采用其它基料通过配方优化获得的防火涂料虽然具有较好的耐火时间,高温基材附着力也非常好,但是当正火温度升至1 000℃ 以上时,炭层表面会变成白色疏松状,造成炭层软化,强度减弱,鼓风时易被吹开,使钢基材露出,以致内部温度急剧上升,造成钢基材的机械性能急剧下降。由此可见,本文配方制备的防火涂料不仅具有良好的耐火性能,而且具有较好的高温理化性能,可大大拓宽其适用范围。

4 结束语
( 1) 采用弹性聚氨酯乳液为基料,能有效改善涂料的理化性能。
( 2) 优化了颜基比,确定当颜基比为1. 8∶ 1时,既能满足理化性能要求,又能降低涂料成本。
( 3) 选择改性多聚磷酸铵作为阻燃剂,赋予了防火涂料优良的耐火性能,在考虑低成本的情况下,经过试验优化,确定了当阻燃剂含量为30% 时,防火涂料的耐火性能达到目标性能要求。
( 4) 本文研制的防火涂料,其各项理化性能及耐火性能达到国际标准和国家标准的要求,且该涂料不含挥发成分,燃烧时无毒、无卤、低烟、无腐蚀性、无污染,实现了理化性能、耐火性能和环保性能的良好兼顾,是一种新型高效的环境友好型钢结构弹性防火涂料。

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