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超薄型钢结构防火涂料的研制及其阻燃机理探讨,以溴碳苯丙乳液为基料,配以聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇等助剂,配制了超薄型钢结构防火涂料
2019年12月11日    阅读量:3499     新闻来源:中网信息    |  投稿

0 前言

钢结构以其坚固、质轻、不燃等优点成为高层化楼房、大跨度桥梁等现代建筑的主要承重构件,但是当温度达到470~500 ℃时,钢结构开始失去承载能力,而火灾火场温度达800~1 200 ℃,鉴于此钢结构防火成为现代建筑的重要问题[1]。


为提高钢结构建筑的耐火问题,20世纪70年代起国外开始采用防火涂料并取得了显著效果[2]。超薄型防火涂料厚度不超过3 mm,遇火膨胀发泡并形成一定厚度 的致密隔热炭化层,从而达到阻燃或延缓火焰扩展的目的中国建材网cnprofit.com


目前超薄型钢结构防火涂料存在品种少、价格高、涂装时严重开裂等缺陷,从而导致防火涂料装饰性差,防水、耐候性差,耐火时限短(50 min以下),不能满足《钢结构防火涂料通用技术条件》的要求[3]。


1 试验部分

1.1 主要原材料及规格

溴碳苯丙乳液、蒸馏水为自制,三聚氰胺、聚磷酸胺、季戊四醇、二甲基硅油、三氧化二锑、氯化石蜡、硼酸锌、膨润土、三氧化二钼、磷酸三丁酯、钛白粉为工业级。

1.2 主要试验仪器

主要试验设备有NH500型电子调温加热套、DJIC增力电动搅拌器、QFD型电动漆膜附着仪、QCJ型漆膜冲击器、QHQ-A型涂膜铅笔划痕硬度仪、QBY型漆膜摆杆式硬度计、QTY-10A型漆膜弯曲试验器、QZF锥形研磨机、GFJ高速分散机、HC-2氧指数测定仪、250 mL四口烧瓶、500 mL三口烧瓶、150 ℃温度计、加液漏斗、冷凝管、烧杯等。

1.3 超薄型钢结构防火涂料的制备

将适量的蒸馏水和配方量的聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇、三氧化二锑、氯化石蜡、氢氧化铝、膨润土、钛白粉等依次加入多用分散研磨机中进行高速分散30~60 min,分散至所需的细度,降低搅拌速度加入溴碳苯丙乳液再分散10~20 min即得产品。

1.4 超薄型钢结构防火涂料的性能检测

按《钢结构防火涂料通用技术条件》的要求制作涂层试板,养护,检测。


2 结果与讨论

2.1 基料阻燃机理的探讨

燃烧和阻燃都是十分复杂的过程,涉及很多影响因素和制约因素,将一种阻燃体系的阻燃机理严格划分为哪一种是很难的,实际上是很多阻燃体系同时以几种阻燃机理起作用[4]。溴碳苯丙乳液由多种单体构成,因而其热分解行为尤为复杂。但有一点可以肯定的是,当溴碳苯丙乳液在空气中受热燃烧时,主要按一种自由基降解机理进行分解。其热分解原理大致如下:

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从上述反应机理可知,溴碳苯丙乳液在空气中燃烧时,会产生大量自由基,从而引起自由基链降解反应。若在溴碳苯丙乳液中加入自由基捕获剂将可收到良好的阻燃效果。在含溴的溴碳苯丙乳液中,溴原子就能起到这种自由基捕获的作用。

从共价键的键能得知[5]:

C—C 347.3 kJ/mol

C—H 414.2 kJ/mol

C—Br 284.5 kJ/mol

C—O 359.8 kJ/mol

所以,可以推断出含溴的苯丙乳液在热分解时,键能较弱的下列划虚线部位先断裂:

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为了证实上述推断,对含溴的苯丙乳液进行了灼烧试验,并对灼烧后的产物进行了红外分析;灼烧后产物的红外光谱见图1。

溴碳苯丙乳液灼烧后的红外光谱

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波数1 730 cm-1处的强吸收峰为酯的C=O伸缩振动峰,波数762 cm-1、700 cm-1处吸收峰为苯环的单取代吸收峰,波数835 cm-1、943 cm-1之间无吸收峰说明苯环已由四取代变成了单取代,波数621 cm-1以下无吸收峰 ,证明上述推断是正确的。断键后生成的自由基碎片,特别是溴离子还能进一步反应生成HBr,而HBr能捕获传递燃烧链式反应的活性自由基(如OH·、O·、 H·),生成活性较低的溴自由基,致使燃烧减缓或终止。机理如下:

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在含溴的苯丙乳液中,苯丙乳液的阻燃作用主要是靠溴自由基在气相中进行上述反应,捕获促进燃烧反应的链增长自由基。此外,HBr为密度大的气体,又难燃,它不仅能稀释空气中的氧,而且能覆盖于材料表面,取代空气,致使材料的燃烧速度降低或自熄。



2.2 基料的用量对超薄型钢结构防火涂料性能的影响

基料用量的不同对钢结构防火涂料的性能也有不同的影响,基料树脂的用量对钢结构防火涂料的性能影响见表1。

基料树脂用量对防火涂料

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当树脂含量少时树脂不能完全包覆颜填料,当树脂用量多时由于树脂量过多,致使发泡不充分,此二者皆致树脂不能和发泡体系很好地相匹配。由表1可以看出,当基料占涂层干膜质量的60%时,钢结构防火涂料的耐火阻燃性能达到较佳。

2.3 基料的玻璃化温度对超薄型钢结构防火涂料性能的影响

玻璃化转变温度(Tg)是乳液的一个重要特性参数,它是乳液从玻璃态转变为高弹态的温度。乳液的玻璃化温度不同,对钢结构防火涂料的阻燃性能也有不同的影响,不同玻璃化温度的乳液对钢结构防火涂料阻燃性能的影响见表2。

不同Tg的乳液对钢结构防火涂料阻燃性能的影响

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当乳液的玻璃化温度过低或过高时,乳液较早或过晚地变成熔体,此二者皆不能很好地包覆燃烧过程产生的气体。从表2可见,同一类型不同玻璃化温度的溴碳苯丙乳液,当乳液玻璃化温度在15~20℃范围时,其阻燃性能较好。

2.4 膨胀催化剂对超薄型钢结构防火涂料性能的影响

考虑价格、性能、原料来源和对防水性能的要求,采用聚磷酸铵作为主催化剂。主催化剂的主要作用在于促使成炭剂脱水而形成不易燃烧的具有耐高温效果三维空间结构的炭化层,当聚磷酸铵含量过多或过少时都不能很好地形成这种三维空间结构,聚磷酸铵在干膜中的含量对膨胀型钢结构防火涂料性能的影响见图2。

聚磷酸铵含量对耐火时间的影响

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从图2可以看出,当聚磷酸铵的质量分数在13.0%~15.0%时,防火涂料的耐燃时间最长。

2.5 发泡剂对超薄型钢结构防火涂料性能的影响

膨胀型防火涂料只有借助于发泡剂的作用,才能在高温火焰作用下产生膨胀层。常见的发泡剂为三聚氰胺、双氰胺、氯化石蜡等。由于三聚氰胺物源丰富,受热时放出氨气,将炭质层吹成多孔的泡沫层同时本身也是一种碳化剂,因此选用三聚氰胺为防火涂料的发泡剂。图3为三聚氰胺在干膜中的含量对耐火时间的影响。

三聚氰胺在干膜中的含量对耐火时间的影响

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当发泡剂用量过多时将产生大量的气泡,从而导致炭化层不稳定,当发泡剂用量过少时由于产生的气泡过少,从而不能很好地形成蜂窝状结构,从图3中可以看出,三聚氰胺的最佳用量为9.0%~

11.0%(质量分数)。

2.6 成炭剂对超薄型钢结构防火涂料性能的影响

防火涂料使用的碳化剂为高碳多羟基化合物,选用成炭剂主要考虑材料的耐水性和在涂料中的分散性。考虑以上因素采用价廉易得的季戊四醇作为碳化剂。季戊四醇在干膜中的含量对防火涂料耐火性能的影响见图4。

季戊四醇在干膜中含量对耐火时间的影响

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碳化剂含量过少时,产生的炭层强度不够,含量过多时不能很好地发泡,由图4可知,当季戊四醇的质量分数为4.5%~5.5%时,防火涂料的耐火时间最长。

2.7 溴碳苯丙超薄型钢结构防火涂料的较优配方

通过试验,优选出溴碳苯丙超薄型钢结构防火涂料的较优配方,由此制备涂料,涂板制样,用涂膜火焰喷射燃烧测试仪(自制)进行涂层灼烧耐火试验,同时依据GB 14907-2002检测涂料性能;溴碳苯丙超薄型钢结构防火涂料的较优配方见表3,性能见表4。

溴碳苯丙超薄型钢结构防火涂料的较优配方

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溴碳苯丙超薄型钢结构防火涂料的性能

3 结语

本文研制的溴碳苯丙超薄型钢结构防火涂料由于采用了阻燃基料,解决了现有超薄型钢结构防火涂料阻燃时效短的弊端,并对基料的阻燃机理进行了简单的探讨。当基料占涂层干膜质量的60%、乳液玻璃化温度在15~20 ℃、聚磷酸铵在干膜中的含量为13.0%~15.0%(质量分数,后同)、三聚氰胺在干膜中的含量为9.0%~11.0%、季戊四醇在干膜中的含量为4.5%~5.5%时所得超薄型钢结构防火涂料的综合性能最优。该超薄型钢结构防火涂料生产工艺简便、施工应用容易、原材料来源广泛、价格便宜,在性价比方面有一定的优势,非常适合我国的国情。


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