基料树脂对超薄型钢结构防火涂料性能的影响

data-full-width-responsive="true"> 1 引言钢结构是目前建筑的主要结构之一，钢结构建筑因其具有自重轻、基础造价低、安装容易、施工快、周期短、投资回收快、施工环境污染少、抗震性能好等综合优势而在各种建筑中得到广泛使用。钢结构构件虽然是不燃材料，但在火灾中随着温度的升高，其强度也有很大变化；如钢结构无保护层，大约15 min 后，当温度达到500 ℃，其强度下降一半，失去平衡稳定性，造成钢结构建筑物一部分或全部坍塌毁坏。目前，钢结构的防火保护形式主要有：混凝土包覆、防火板包覆、轻质防火卷材包覆、喷涂耐火纤维、喷涂钢结构防火涂料等。而钢结构防火涂料是目前最经济有效的保护手段。钢结构防火涂料按照其防火原理，可分为膨胀型和非膨胀型两大类。非膨胀型防火涂料是通过下述作用来防火的：其一是涂层自身的难燃性或非燃性；其二是在火焰或高温的作用下能释放出灭火性气体并形成非燃性的无机层隔绝空气。非膨胀型防火涂料主要是无机隔热型的。目前市场上销售的防火涂料，90%左右都是膨胀型的。膨胀型防火涂料成膜后，在常温下是普通的漆膜；在火焰或高温作用下，涂层发生膨胀炭化，形成一个比原来厚度大几十倍甚至上百倍的非易燃的海绵状的碳质层，它可以隔断外界火源对基材的加热，从而起到隔热防火的作用。2 超薄型钢结构防火涂料基料树脂的选择21 不同基料树脂超薄型钢结构防火涂料的配制超薄型钢结构防火涂料通常含有基料树脂、发泡剂、成炭剂、脱水成炭催化剂、防火添加剂、无机颜填料和辅助剂等。基料树脂也称黏结剂或基料，它是涂料中的连续相，也是最主要的成分。基料树脂的性质对于涂料的性能（如保护性能、机械性能等）起主要作用。基料树脂一般为有机材料，在成膜前可以是聚合物也可以是低聚物，但涂布成膜后都形成聚合物膜。基料树脂可分为两大类：一类是转换型或反应型，另一类是非转换型或挥发型。前者在成膜过程中伴有化学反应，一般均形成网状交联结构，因此，基料树脂相当于热固型聚合物。转换型又分为两类，一类是气干型的，在常温下可交联固化，如醇酸树脂等；另一类是烘烤型的，需在高温下完成反应，如氨基树脂等。非转换型的成膜仅仅是溶剂挥发，成膜过程中聚合物未发生任何化学反应，基料树脂是热塑型聚合物，如氯化橡胶等。基料树脂对膨胀型防火涂料的性能有重大影响，有时对于涂料体系膨胀与否起决定性作用。它与其它组分相配合，既保证了涂层在正常工作条件下具有优异的附着性和正常的理化性能，又能在火焰或高温下使涂层具有难燃性和优异的膨胀效果。要得到高效的膨胀隔热炭化层，涂层中有机树脂的熔融温度、发泡剂的分解温度及泡沫炭化的温度必须配合恰当。当涂层受热时，首先是基料树脂软化熔融，引起整个涂层的软化、塑化，这时发泡剂达到分解温度，释放出非燃性气体，并使涂层膨胀成泡沫层，同时成炭催化剂分解生成磷酸，聚磷酸呈熔融的黏稠体作用于泡沫层，使涂层中的含羟基有机物发生脱水成炭反应，当泡沫达到最大体积时，泡沫凝固炭化，使生成的多孔的海绵状炭化层定形，泡沫的发泡效率取决于组分之间反应速率的协调配合。膨胀型防火涂料可以采用的基料树脂主要有氨基树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂、醇酸树脂、聚氨酯、氯化聚乙烯、高氯化聚乙烯、过氯乙烯、氯化橡胶、酚醛树脂、氯化橡胶改性环氧树脂、苯丙乳液、纯丙乳液、硅丙乳液等。但是这些树脂各有其不同的特点，为了选择更合适的钢结构防火涂料基料树脂，选择相同的阻燃体系、组分配比、工艺流程、测试方法，对燃烧前后的涂料进行综合评定（见表1）。注：表中数值5 代表发泡能力最好、质量损失最少、柔软性最大、致密性最好、附着力最大、价格最低，1 则反之；依次类推。超薄型钢结构防火涂料可以采用小型测试方法来验证其质量，该测试方法是通过测试发泡能力、质量损失、涂层的表观、发泡层的硬度、发泡层的致密性、附着力等来综合评定膨胀防火涂料的优劣。防火阻燃体系中各组分：基料树脂约占总体系的20%~ 30%，催化剂聚磷酸铵（聚合度1 000 以上）占25%~ 30%，成炭剂季戊四醇（单季戊四醇含量不小于92%）占10%~ 15%，发泡剂三聚氰胺（含量不小于998%）占10%~ 15%，另外，钛白粉（BA01-01）占2%~ 7%，溶剂（或水）占10%~25%，有机膨润土、消泡剂和流平剂等少量。22 不同基料树脂超薄型钢结构防火涂料性能测试将以不同基料树脂配制的防火涂料均匀地刷涂在尺寸为150 mm100 mm3 mm 的钢板上，涂刷时应注意表面平整，尽量不使其表面凹凸不平。涂刷好后将试件放在室温（25 ℃左右），相对湿度为50%左右的试刷架上，将涂有防火涂料的一面向上，使其自然风干，大约6 h 以后，待涂料表面基本干燥后，取相同的防火涂料在其表面再次涂刷，反复3 ~ 5 次，直到厚度达到20mm 左右。最后，将涂有防火涂料的钢板置放于电热烘箱中，50 ℃条件下烘至恒量。超薄型钢结构防火涂料成膜后，在常温下是普通的漆膜；在火焰或高温作用下，涂层发生膨胀炭化，形成一个比原来厚度大几十倍甚至几百倍的非燃的蜂窝泡沫状炭质层，它可以隔断外界火源对基材的加热，从而起到防火保护的作用，如图2 所示。以传热公式表示如下：Q传导的热量。公式中由于涂层膨胀后形成的蜂窝状泡沫炭化层厚度（L）要比未膨胀的厚度大几十倍，甚至可达200倍，此外，一般涂层的导热系数（）为（116310-4）~（814110-4）W/（m2K），而泡沫炭化层的 要小得多[接近气体的 即232610-5 W/（m2K）]，因此，通过泡沫炭化层传给底材的热量Q 只有未膨胀涂层的几十分之一，甚至几百分之一，从而有效地阻止了外部热源对基材的作用。⑴发泡能力取出待测试件，选取至少5 个不同的涂层部位，用磁性测厚仪分别测量其厚度，取其测点厚度的平均值，此数值即为涂层厚度。测量厚度后，放置于铁架台上，用汽油喷灯点火在900 ～ 1 000 ℃条件下进行测试。当涂料完全膨胀发泡、炭化，钢板背面温度达到500 ℃时，停止试验。取燃烧过的试件表面泡层的最高点到钢板表面的距离为发泡高度，发泡高度与涂层厚度的比值记为发泡倍数，来判断膨胀防火涂料的发泡能力。⑵涂层的质量损失百分比将燃烧过的试件放置冷却至室温，准确称量到01g。一组试件有2 个，取其燃烧前后质量损失的平均值，保留一位小数，此数值即为防火涂料的质量损失，质量损失与燃烧前涂层质量的百分比定为质量损失百分比。⑶涂层的表观包括涂层与钢结构的附着力、涂层的硬度、耐水性等理化性能，可参照相关国家标准进行测试。⑷发泡层的硬度和致密性根据观察分别将燃烧后的涂层进行硬度和致密性的辨识，分为5 个等级，硬度和致密性最大为5 级。23 不同基料树脂超薄型钢结构防火涂料性能分析⑴氨基树脂、氯化聚乙烯、过氯乙烯、高氯化聚乙烯、氯化橡胶涂膜附着力较好，发泡很快，发泡不均匀，发泡持续时间较短，泡层松软较致密，炭化物较多，厚度最高，炭化层硬度差，在强火焰和气流下容易被烧穿或吹落，炭化较彻底，这几种基料树脂制成的防火涂料多为溶剂型涂料，主要适宜对炭化层强度要求不是很高但膨胀倍数要求高的饰面型防火涂料和电缆防火涂料，不适用在钢结构耐火极限大于30 min 的场合（见图3、图4）。泡较慢，发泡不均匀，发泡持续时间短，泡层不致密，炭化物较少，厚度最低，炭化层硬度好，炭化不彻底，这几种基料树脂制成的防火涂料由于发泡倍数不够，防火隔热效果较差，不太适合单独做超薄型钢结构防火涂料的基料树脂（见图5、图6）。⑶苯丙乳液、纯丙乳液、硅丙乳液附着力较差，发泡较慢，发泡不均匀，发泡持续时间短，泡层不致密，炭化物较少，厚度较低，炭化层硬度好，炭化不彻底，这几种基料树脂制成的防火涂料由于发泡倍数不够，且孔洞较大，防火隔热效果不够理性，只适合做薄型钢结构防火涂料的基料树脂，不适合做超薄型钢结构防火涂料的基料树脂（见图7、图8）。⑷丙烯酸树脂、有机硅树脂、环氧树脂、氯化橡胶改性环氧树脂与钢结构的附着力好，尤其是环氧树脂和氯化橡胶改性环氧树脂，且与钢结构表面的防锈漆附着较好，发泡较慢，发泡均匀，发泡持续时间长且能够持续发泡，泡层较致密，炭化物较多，厚度较高，炭化层呈鳞片石墨状且硬度好，炭化不彻底，有较多底层物（见图9、图10），这几种基料树脂制成的防火涂料由于发泡倍数高，其密度在003 ～ 005 g/cm3 之间，防火隔热效果理想，适合做超薄型钢结构防火涂料的基料树脂。这几种基料树脂还各有特点，丙烯酸树脂适合耐候性要求高的场合，有机硅树脂适合耐高温的场合，环氧树脂适合危险性更大的烃类火灾保护场合，如石油平台等，氯化橡胶改性环氧树脂适合耐腐蚀的场合，但不适合室外场合（见图11、图12）。3 结语钢结构防火涂料的发展是随着整个化工行业的进步而发展的，随着涂料树脂新产品的不断出现，为选择合适的超薄型钢结构防火涂料基料树脂提供了更为广阔的空间，同时钢结构防火涂料所用基础原料合成工艺的改进、产品质量的提高，为提高钢结构防火涂料的理化性能、防火性能、装饰性能，降低成本等方面起到积极的推动作用。