水性薄型钢结构防火涂料的研制

data-full-width-responsive="true"> 水性薄型钢结构防火涂料的研制季宝华1，方东1，2（1盐城师范学院，江苏盐城224002；2南京理工大学化工学院，江苏南京210094）0 引言随着城市经济和工业经济的快速发展，钢结构以其强度高、自重轻、延伸性好、抗震性强和施工周期短等特点，在建筑业中得到广泛应用，尤其在超高层建筑、大跨度厂房、体育馆、候机厅、候车厅等方面显示出强大的生命力。钢结构本身属于不燃材料，在常温下导热系数为58 W/（m℃），当温度达到750 ℃，导热系数几乎变成了常数，约为30 W/（m℃），传热速度很快，其强度会随着温度的升高而降低，在火灾中受热15 min 达到耐火极限，就会弯曲变形坍塌，失去承载能力。当采用钢材作构件时，其耐火极限应符合GBJ 6《建筑设计防火规范》、GB 50045 《高层民用建筑设计防火规范》、GB 50160《石油化工企业设计防火规范》等对各类建筑构件的燃烧性能和耐火极限的要求。在钢结构的表面喷涂防火涂料是一项重要的防火保护措施，防火涂料能隔离火焰直接灼烧钢结构，阻止热量迅速向钢基材传递，推迟了钢结构温升和强度变弱的时间，使其达到建筑设计防火规范所规定的耐火极限要求，保持钢结构在火灾中的耐热稳定性。厚型防火涂料涂层厚，表面粗糙，色彩差，不适于裸露的钢结构。与厚型防火涂料相比，薄型防火涂料多采用膨胀型阻燃体系，涂层薄，施工方便，装饰性好，价格较超薄型的低，既能满足装饰性需要，又能达到建筑设计防火规范要求，因此使用较为广泛，是钢结构防火涂料的主要发展方向。但是，国内外薄型钢结构防火涂料存在两个方面的缺陷：一是粘结强度不高，在施工和使用过程中易产生脱落、龟裂现象；二是耐火时间短。为了解决上述两个问题，我们选择水溶性乳胶为成膜物质，配以阻燃剂、添加增强剂及有关助剂，制备出了水性薄涂型钢结构防火涂料。1 实验11 试验材料改性丙烯酸乳液、聚磷酸铵（APP）、季戌四醇（PE）、三聚氰胺（MEL）、钛白粉（金红石型、粒径不大于45 m）、氯化石蜡（含氯量70%）、可膨胀石墨（80 目、膨胀倍率200）、凹凸棒粉等，以上均为工业品。12 实验仪器FO4 高速分散机、LX500 球磨机，江阴精细化工机械厂；AVATAR 360 红外光谱仪（KBr 压片，扫描次数32 次，在400～4000 cm- 1 范围内摄谱），美国Nicolet 公司；DM6801A 数字式温度表，深圳欣宝瑞仪器有限公司。13 配方设计薄型钢结构防火涂料一般选用对钢基材有良好的附着力、耐久性好、耐水性强的乳胶聚合物作基料，再配以阻燃剂、添加剂等组成，其阻火机理主要是涂料遇火时能膨胀发泡，形成一个比涂层厚几十倍乃至几百倍的难燃海绵状炭质层，这层难燃的炭质层能有效地阻断火焰对被保护钢材的直接加热，延缓钢材的温升，保护钢构件。本项目对常用的乳液进行了筛选，并配以P- C- N- Cl 防火体系组分，通过对比试验，确定了水溶性薄型钢结构防火涂料的配方（见表1）。14 工艺流程按配方量将水投入高速分散机，开动搅拌，加入氯化石蜡、可膨胀石墨和凹凸棒粉搅拌均匀，然后逐步加入聚磷酸铵（APP）、季戌四醇（PE）、三聚氰胺（MEL）、钛白粉，搅拌均匀，最后加入改性丙烯酸乳液、乳化剂、增稠剂等助剂，充分搅拌，送球磨机研磨6 h，细度达到80～100 m 后出料，即得防火涂料成品。2 实验结果与讨论21 原材料的选择211 基料树脂的选择基料树脂是薄型钢结构防火涂料的成膜基础，是主要成膜物质，对膨胀型防火涂料的性能起决定性作用。基料树脂还必须能与其它组分相匹配，构成一个有机的防火体系。水性薄型钢结构防火涂料常用的基料有改性丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液、偏氯乙烯乳液等。通过对比实验发现，改性丙烯酸乳液防火涂料的成膜性好，熔融温度高，碳化层完整、丰满，耐火时间长。因此，我们选择分子量高、分子量分布均匀的改性丙烯酸乳液作为成膜材料。212 阻燃体系的选择阻燃体系是膨胀型钢结构防火涂料能起防火作用的关键组分，它由脱水剂、成炭剂、发泡剂组成，在受热时能吸收大量的热，释放出捕获燃烧反应的自由基和不燃性气体，与基料树脂配合形成泡沫层骨架，与碳源作用使正常的燃烧反应转化为脱水反应，有效地把碳固定在碳骨架上，形成隔热、隔氧且导热系数很低的膨胀炭层。常用的膨胀阻燃体系P- C- N，在受热膨胀时由于发生剧烈的脱水放热反应，不利于炭层的阻化作用，炭质层强度低，有裂纹，易脱落，耐火时间短。P- C- NCl体系中的氯化石蜡可以在燃烧初期保护涂层，达到梯次防火的目的，但发泡层的强度随氯化石蜡含量的增加而下降[6]。可膨胀石墨热稳定性好，受热膨胀属于吸热物理过程，在阻燃体系中加入可膨胀石墨，不仅可以提高防火涂料的耐火性能和耐候性能，受热时还能和化学膨胀产生的膨胀层交联，使炭质层气孔更细小均匀，结构更致密[7]。本文所研制的水性薄型钢结构防火涂料是以聚磷酸铵（APP）作脱水催化剂，季戌四醇（PE）作炭化剂，三聚氰胺（MEL）、氯化石蜡和可膨胀石墨作发泡剂构成防火阻燃体系。213 填料的选择在防火涂料中添加填料可以改善防火涂料的耐候性、耐磨性、耐酸碱性和耐水性，提高防火涂料的防腐能力和粘结强度。常用的填料有硅藻土、粉状硅酸盐纤维、云母粉、高岭土、海泡石粉、滑石粉、钛白粉和凹凸棒粉。钛白粉的化学性质相当稳定，在一般情况下不与大部分化学试剂发生作用，分散性良好，耐候性好，光洁度高。凹凸棒黏土由于具有独特的层链状结构特征，独特的分散、耐高温和粘结力，价格低，常用作涂料的填充剂、流平剂、增稠剂和稳定剂。本文所研制的水性薄型钢结构防火涂料中的填料选用的是金红石型钛白粉和高黏凹凸棒粉。22 各组分含量对涂料性能的影响221 基料树脂含量的影响在保持阻燃体系和填料含量不变的情况下，改变改性丙烯酸乳液的用量，配制防火涂料，分别涂覆于30 mm30 mm的一级5 层胶合板上，待第1 道自然干燥后，再涂刷第2 道涂料，涂层厚度为1 mm，实干后采用模拟大板燃烧法，对各试板分别进行灼烧，记录试板背火面温度达220 ℃或试板烧穿的时间（耐燃时间），试验结果见表2。从表2 可以看出，由于改性丙烯酸乳液含炭量高，随着乳液含量的增加，炭质层的厚度增加，涂层的附着力增强，炭化层泡细且结构致密，热阻大，阻燃时间长。但乳液含量过高时，阻燃性能下降，因此，乳液的最佳含量为30%～35%。图1 为阻燃体系含量一定，不同含量改性丙烯酸乳液制得的防火涂料灼烧时试板背火面温度与灼烧时间的关系。