固化剂对钢结构用超薄膨胀型水性环氧防火涂料性能的影响

固化剂对钢结构用超薄膨胀型水性环氧防火涂料性能的影响
王国建1,2 钱 晖2
(1. 先进土木工程材料教育部重点实验室(同济大学),上海 200092;2. 同济大学材料科学与工程学院,上海 200092)

0 引言
作为现代建筑的主要形式,钢结构在常温下具有高强度、强耐荷能力、制造安装使用便捷等特点。但钢结构建筑抗火性能差的特点也非常明显,因此必须对钢结构采取防火保护措施[1]。涂刷防火涂料以其施工方便、质量轻、成本低、不受构件几何形状限制等特点,成为应用范围最广、效率最高的钢结构防护方法[2]。目前,防火涂料向低污染、高性能方向发展。水性环氧涂料以其不燃、无毒、无味、施工简便、无溶剂排放、适用范围广等优点而受到人们的青睐[3]。环氧树脂本身是热塑性的线形结构,在常温和一般加热条件下不会固化,因而不具备良好的机械强度等性能,必须加入固化剂,通过固化交联反应,环氧树脂才可改变原来可溶可熔的性质而变成不溶不熔的网状结构,从而显现出各种优异的性能[4]。固化剂与环氧乳液的交联程度对基料树脂的性能起着决定性的影响,进而影响涂料的防火性能与防腐性能。本文通过制备一系列的防火涂层和环氧胶膜,采用燃烧测试、扫描电镜、耐酸碱测试、交联度测试等方法,研究了固化剂对环探索研究氧涂料防火与防腐性能的影响。

1 实验部分
1.1 实验原料
环氧乳液AB-EP-20:工业级,浙江安邦新材料发展有限公司;固化剂H208B:工业级,上海汉中化工有限公司;聚磷酸铵(DP > 1 000):工业级,山东寿光卫东化工有限公司;三聚氰胺:工业级,山东鲁明化工有限公司;季戊四醇、二氧化钛:化学纯,国药集团化学试剂有限公司;海泡石:工业级,湖南长沙恒昌化工有限公司;可膨胀石墨:工业级,保定市艾可森碳素制品有限公司;水性消泡剂Foamer 805:工业级,赢创德固赛化学有限公司。

1.2 防火涂料及样板制备
按表1 配方称取乳液、防火助剂、填料和其他助剂。在容器中加入适量的水、助剂、填料和防火助剂等,经搅拌混合、三辊研磨到要求细度后,加入乳液和固化剂,混合均匀制得防火涂料。把防火涂料涂刷在打磨除锈后的钢板(150 mm×70 mm×1 mm)上,经24 h 后再涂刷1 遍,直至涂层厚度达到(2±0.2)mm。养护7 d 后,进行防火性能测试。

1.3 测试与表征
1.3.1 防火性能测试
将制得的样板用煤气灯灼烧,样板高度置于煤气灯的火焰还原层。用热电偶测量钢板背面的温度,并通过数据记录器(台湾群特有限公司Center 305 型)记录并绘制曲线,每2 s 记录1 次。
测试结束后,用500 万像素的数码相机拍摄炭化层的表面形貌,并用游标卡尺测量受火点的炭化层厚度定为其膨胀厚度,膨胀厚度与涂层原厚度之比即为防火涂料的发泡倍率。然后将炭化层切开,继续拍摄炭化层的内部结构。

1.3.2 膨胀炭层微观泡孔结构的观察
用小刀将炭层剖开,采用S-2360N 型(HITACHI公司)扫描电子显微镜在15 kV 交流电压下拍摄炭层剖面的形貌并进行观察对比。

1.3.3 耐酸性和耐碱性测试
依据GB 14907—2002 钢结构防火涂料标准进行耐酸性和耐碱性测试。将制得的样板用松香与石蜡的混合熔体封边,在常温下干燥。放置到5% 的NaOH 溶液、5%的盐酸溶液中,观察涂层是否起层、脱落、开裂。

1.3.4 环氧乳液交联程度的测试
通过环氧乳液膜的凝胶含量来表征其交联度。乳液成膜后称取一定量的胶膜,将其放置在以丙酮为溶剂的索式抽提器中提取24 h。将抽提后的胶膜在100℃下烘干至恒重。抽提并干燥后的胶膜质量与胶膜原质量之比即为其凝胶含量,亦即交联度。

2 结果和分析
2.1 固化剂/ 乳液配比对涂层防火性能的影响
在其他参数保持不变的条件下改变固化剂的用量,采用相同的制备工艺配制了6 组防火涂料,固化剂占环氧乳液用量分别为5%、10%、15%、20%、25%和30%。然后进行耐火性能的测试,用热电偶记录钢板背面的温度变化。图1 是6 种防火涂料的样板在燃烧测试中钢板背温随受热时间变化的曲线。

从图1 中可以看出:改变环氧树脂基料中固化剂的用量,防火涂料的防火性能发生明显变化。当固化剂用量为25% 与30% 时,钢板背温的起始升温速率较高,在整个升温过程中钢板的背温亦相对较高,升温速率较大,其中固化剂用量为30% 的升温速率和钢板的背温始终最高,在60 min 后钢板背温达到近302℃;固化剂用量为5%、10%、15%、20% 的4 种样品的性能相差不多,起始升温速率相对较低,升温过程中钢板背温也相对较低,并且在近60 min 处都达到平衡温度,均在270~290℃左右;固化剂用量为20%的样品的起始升温速率明显较低,整个升温过程中钢板的背温也相对较低,钢板背温在50 min 左右达到最终的平衡温度270℃.固化剂本身在树脂的交联过程中参与反应,所以能通过固化剂在树脂中导入新结构,从而提高树脂的性能[5]。交联形成的网状结构也对涂层的发泡性造成直接影响。表2 展示了采用不同用量固化剂配制的防火涂料的钢板背面平衡温度、涂层膨胀倍率以及环氧乳液胶膜的交联度之间的关系。
从表2 可以看出:固化剂用量为5% 的防火涂料,其环氧乳液胶膜的交联度较小,仅有11.13%,从而导致涂料受热时熔融黏度较小,不能有效地包裹住防火助剂分解产生的气体,使得涂料的膨胀倍率较低,并且升温速率较快,钢板平衡温度亦较高。随着固化剂用量的提高,胶膜的交联度不断加大,炭层的膨胀倍率亦呈现增大的趋势,其中固化剂用量为20%时,环氧乳液胶膜的交联度达到78.98%,炭层膨胀倍率最大,钢板平衡温度最小。当固化剂用量继续增大到25% 和30% 时,环氧乳液胶膜的交联度分别达到86.62% 和87.59%,交联度非常高,这可能导致基料在涂层表面形成的保护膜非常“结实”,过密的网状结构使得炭层的膨胀受到阻碍,防火助剂分解出的气体亦无法均匀扩散。随着分解出的气体逐渐增多,原有的空隙在体积不断增大的气体作用下被不断扩大,有限的炭层总体积被扩大成极大的孔洞,影响炭层的隔热性能,钢板平衡温度亦达到最高。

2.2 固化剂用量对炭化层泡孔结构的影响
防火涂料燃烧时生成的炭化发泡层,可显著改善材料的隔热性,因此对其下层基材有着显著的保护作用,保护程度取决于炭化发泡层的化学物理结构[6]。随着固化剂用量的增加,环氧乳液与固化剂的交联度也随之增大。环氧胶膜的交联度很大程度上决定了基料树脂的性质,从而进一步影响涂料燃烧时的炭层发泡情况。图2 是不同固化剂用量的防火涂料的炭层泡孔结构。固化剂用量分别为5%、10%、15% 的样品的发泡炭层虽较为致密,但发泡不均匀。而固化剂用量为20% 的样品的炭层剖面相对致密均匀,仅出现少量的小孔,发泡情况好,炭层强度较高。固化剂用量分别为25%、30% 的2 个样品,其炭层均有较大的孔洞出现,尤其以固化剂用量为30% 的样品的炭层中的孔洞最大,导致炭层强度偏低。由此可以得出:只有当环氧乳液交联程度适中时,涂层受火熔融、软化后,才能正常地形成有效的炭层,并均匀地膨胀起来,形成均匀的大小适中的孔隙,最终形成均匀致密的炭层,有效地保证热量传递速度的降低。此时,涂层受火后不但膨胀倍率高,并且升温速率低,钢板背温也较低。

进一步分析炭层的微观发泡结构,图3 是固化剂用量分别为15%、20%、30% 的防火涂料炭层的SEM照片。从中可以明显看出三者膨胀情况的差别:固化剂用量为15% 的样品的发泡并不完整,并且泡孔分布不均匀,炭层不致密,影响了炭层的强度;固化剂用量为20% 的样品的炭层结构较好,发泡完整,泡孔大小适中并且均匀致密,有少量较大的孔,炭层强度较高;固化剂用量为30% 的样品泡孔很大,泡孔分布极不均匀,炭层强度较低。

2.3 固化剂用量对涂层耐酸耐碱性的影响
腐蚀性介质不仅能够破坏防火涂料中基料的结构,还能够溶解部分带有亲水性基团的防火助剂,从而导致涂料的防火及防腐蚀性能明显降低[7]。环氧乳液固化体系交联度越大,形成的网络密度越大,体系外部的酸碱腐蚀性分子越不容易侵入涂料中去,涂层也越不易被腐蚀。固化剂用量对防火涂料耐酸耐碱性的影响见表3。

如表3 所示:随着固化剂用量的增大,体系的交联度不断增大,涂层的耐酸性和耐碱性均增加。从总体上来看,耐碱性优于耐酸性。这一结果与文献[4]报道相一致。但是当固化剂用量继续增大,环氧乳液交联程度过高时,形成的涂层太硬太脆。一旦出现了涂层开裂、涂层与基材脱离等现象,就会导致明显的起泡、脱落、开裂等不良后果。研究发现:当固化剂用量超过20%(交联度为78.98%)时,涂层的耐酸性开始下降;当固化剂用量超过25%(交联度为86.62%)时,涂层的耐碱性开始下降。
由此可见,控制合适的交联度,不仅对保证涂层的防火性能是必要的,对提高涂层的防腐蚀性能也是至关重要的。

3 结语
(1) 通过调节固化剂用量可以改变环氧树脂基料防火涂料的防火及防腐性能。
(2) 环氧乳液固化体系的交联度对防火涂料的防火性有决定性的影响。环氧乳液交联度过低或过高时,涂料的防火性能均较差;只有环氧乳液交联度适中,涂层受火后才能形成有效的隔热炭层,得到最佳的防火性能。
(3) 随着固化剂用量的增加,涂料的防腐性能显著提高。但当其用量过大时,涂料的防腐性能反而会下降。
(4) 在研究中,固化剂用量为20% 时,涂料的防火与防腐综合性能最好。

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注