硼酸锌膨胀型防火涂料阻燃抑烟性能的研究

data-full-width-responsive="true"> 硼酸锌膨胀型防火涂料阻燃抑烟性能的研究宋晓卉1， 扈中武1， 谷晓昱1， 王华进2，李志士2， 张胜1， 李洪飞1( 1． 北京化工大学碳纤维及功能高分子教育部重点实验室，北京100029; 2． 海洋化工研究院有限公司海洋涂料国家重点实验室，山东青岛266071)引言钢结构作为高层建筑结构的一种形式，以其强度高、自质量轻、有良好的延伸性、抗震性和施工周期短等特点，在建筑业中得到广泛应用。但钢结构建筑发生火灾后，坍塌快、难扑救; 影响大、损失重;易毁坏、难修复。目前采用防火涂料进行阻燃被认为是有效的防火阻燃措施之一。从阻燃效果、装饰效果及经济成本角度考虑，膨胀型防火涂料应用得更为广泛，是当今防火涂料的发展趋势。膨胀阻燃剂是以磷、氮为阻燃元素的阻燃剂，相对于传统阻燃剂来说，具有涂层薄，防火性能好，装饰性能优良等特点，且一般不含有对环境危害极大的卤素。但在膨胀过程中，膨胀型防火涂料会释放大量浓烟和有毒气体，而烟和毒气是火灾中致死主要原因。因此，降低防火涂料的生烟性能有着非常重大的意义。本文以硼酸锌作为阻燃抑烟剂，对其防火涂料的阻燃抑烟性能做了相应的表征和分析。1 实验部分1． 1 实验原料纯丙乳液，增稠剂，成膜助剂，分散剂，消泡剂( 南通生达化工) ; 流平剂( 广东省石油化工研究院) ; 聚磷酸铵( 济南金盈泰化工有限公司) ，季戊四醇( 济南上善精细化工有限公司) ，三聚氰胺( 北京市津同乐泰化工产品有限公司) ; 钛白粉( 四川龙蟒集团) ; 硼酸锌( 北京化工厂)1． 2 防火涂料及试样制备1) 防火涂料制备。在研磨机中加入聚磷酸铵( APP) 、季戊四醇( PEＲ) 和三聚氰胺( MEL) 阻燃体系，加入钛白粉、抑烟剂硼酸锌( ZB) 。向研磨机内滴加少许分散剂，高速搅拌60 min; 加入适量比例的基体纯丙乳液，加入粘稠剂等四种助剂，低速搅拌60 min; 停止搅拌，出料。2) 涂覆。将制备后的涂料分别涂在25 mm 25 mm 2 mm 和100 mm 100 mm 2 mm 的共计6块钢片上，湿涂覆面质量为500 g /m2，干燥固化后，涂膜 为1 mm 左右。将样板至于干燥通风的环境下。保养七天后进行各项测试。1． 3 测试与表征1． 3． 1 烟密度测试试验采用JCY-2 建材烟密度仪( 南京江宁区分析仪器厂) ，参照GB /T8627-2007，样品尺寸为25 mm 25 mm 2 mm 小钢片，涂覆防火涂料 约为1 mm 对涂料产生的烟雾浓度进行测试。烟密度等级( SDＲ) 计算方法为:式中: S1为测量曲线与时间轴所形成的面积，mm2 ; S总为0 ～ 4 min 内，光吸收总面积，mm2。1． 3． 2 大板燃烧法参考GB /T15442． 2-1995 规定执行。实验基材选用100 mm 100 mm 2 mm 的不锈钢板，试件经防火涂料涂覆后，置于通风干燥的室内养护7 d; 将试件水平放置于试验架上，涂有防火涂料的一面向下，试件中心正对火焰，将测火焰温度的铠装热电偶水平放置于试件下方，测钢板温度的铜片表面热电偶放置于试件背火面钢板的中心位置; 通过外接微电脑装置记录火焰及钢板温度随时间的变化情况，将试样 从室温达到300℃的时间作为防火时间。测试装置如图1。1． 3． 3 热质量损失分析热质量损失( TGA) 采用HTC-1 热重分析仪( 北京恒久科学仪器厂) ，升温速率为10℃ /min，空气气氛。1． 3． 4 照片与扫描电镜分析本实验对防火涂料燃烧过程中的宏观形貌的变化进行跟踪观察，并采用HITACHI-S4700 型电子扫描显微镜( 日本日立) ，加速电压为20 kV 对燃烧后的防火涂料的内表面和断面残炭微观形貌进行分析。2 结果与讨论2． 1 耐燃时间测试图2 为涂有实验所制防火涂料的钢片在大板燃烧的条件下达到耐火极限( 300℃) 的时间。由图2可以看出，随着硼酸锌添加量的增加，耐燃时间出现先增加后减小的趋势。其中，添加18． 75 份硼酸锌时耐燃时间最长，达到了126． 3 min。添加一定量的硼酸锌有效提高了膨胀阻燃体系成炭率，提高了炭层的致密性，防火隔热的效果增强。另一方面，硼酸锌作为一种阻燃剂，在固相中可在较高的温度下熔化，并形成玻璃体覆盖层，封闭聚合物表面，起隔绝空气的作用，进而令耐燃时间增长。但是，过量的硼酸锌会令防火涂料表面出现裂痕，影响其物化性能，进而形成的炭层致密性遭到破坏，致使耐燃时间下降。2． 2 防火涂料的热质量损失图3 为不同硼酸锌添加量下防火涂料的热质量损失( TGA) 曲线。由图3 可见，所有样品TGA 曲线都分为三个阶段。第一个阶段在230 ～ 290℃，热质量损失率达到10%左右，这是因为聚磷酸铵的分解产物焦磷酸与TiO2反应生成了TiP2O7，以及基体中的小分子分解与残留水分的蒸发所致。第二个阶段在290 ～ 410℃，是防火涂料中各组分开始大量分解的过程，是整个过程的主要质量损失区，质量损失高达40%左右，主要发生的反应有涂层熔融，聚磷酸铵在290℃分解放出NH3、H2O 和磷酸，进而热解脱水放出聚偏磷酸和焦磷酸，这些物质与季戊四醇、纯丙乳液等含羟基有机物发生脱水成炭反应，在泡沫层中形成碳骨架。与此同时，发泡剂三聚氰胺在296℃分解生成不燃性气体NH3，和已生成的水蒸气等气体在稀释空气中氧气浓度的同时，促使已熔融软化的成膜物质持续膨胀发泡，最后生成致密坚硬的黑色蜂窝状炭化层。而后，在410 ～ 600℃阶段中，在持续高温反应当中，炭层中的炭与O2发生反应生成CO2，并且带走了一部分残炭。最后只剩下了一些无机骨架，其主要成分是磷系与钛系化合物。