高性能膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料制備研究

呂金秋，宋維華，張愛黎

( 沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院， 遼寧 沈陽110168)

超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料之所以受到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樗哂杏昧可伲赡ず穸缺?，裝飾性好，施工方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料多為膨脹型，基料與膨脹阻燃體系配合，形成致密的碳化層起到阻燃作用[1]。高有機(jī)硅含量的硅丙乳液耐候性好，成膜性能優(yōu)異，同時(shí)水性涂料減少了VOC含量。氫氧化鋁是種應(yīng)用廣泛的無機(jī)阻燃劑，受熱分解成氧化鋁和水，氧化鋁和其他成膜物質(zhì)附著在鋼結(jié)構(gòu)表面，起到隔熱阻燃效果，反應(yīng)吸熱；同時(shí)生成的水分氣化吸收熱量，使鋼結(jié)構(gòu)表面降溫?？膳蛎浭墙陙碛糜诟纳品阑鹜苛闲阅茌^多的一種改性劑，但單獨(dú)使用容易導(dǎo)致形成的碳層疏松破裂[2]。研究以自制高硅含量硅丙乳液作為防火涂料基料，配合P-N-C膨脹阻燃體系，適量的納米氫氧化鎂與可膨脹石墨復(fù)配為無機(jī)阻燃劑，研制高效阻燃的膨脹型防火涂料。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑

基料硅丙乳液（自制）[3]，膨脹體系中成炭劑季戊四醇，發(fā)泡劑三聚氰胺與酸源聚磷酸銨為化學(xué)純，可膨脹石墨與氫氧化鋁為工業(yè)級。

1.2 防火涂料的制備

稱取配方量無機(jī)阻燃劑可膨脹石墨和氫氧化鋁，放入研缽中研磨30 min后在稱取配方量的季戊四醇、三聚氰胺及聚磷酸銨研磨；稱取水、定量的助劑（分散劑、成膜助劑、增稠劑等）放入燒杯中，電磁攪拌，混合均勻；將研磨好的填料分批量（每次加入量約為0.25 g）放入混合液的燒杯中，繼續(xù)分散；在分散好的混合液中加入硅丙乳液，再次分散得到穩(wěn)定的分散體系。

1.3 涂層制備

將80 mm×80 mm×0.8 mm的鋼片除油、除銹、磷化處理，干燥。 涂料使用水和增稠劑調(diào)粘后刷涂在處理好的鋼板上。刷涂第1道涂料后，等待表干（即手指輕觸涂膜表面，有些粘，但無涂料粘在手上，可認(rèn)為表面干燥）后，刷涂第2道，直到達(dá)到目標(biāo)厚度。自然晾干，待實(shí)干后再養(yǎng)護(hù)7天，進(jìn)行耐火性能測試。涂料初始配方見表1。

表1 防火涂料初始配方

初始配方中涂料固含量為43%，顏基比為2.67。

1.4 涂層防火性能的檢測

采用垂直燃燒法進(jìn)行耐火極限檢測[4]。當(dāng)火焰燃燒涂層時(shí)，用紅外溫度測定儀測試防火涂層的背面，即未涂防火涂料的一面溫度，記錄溫度達(dá)到350 ℃時(shí)需要的時(shí)間。達(dá)到350 ℃所需的時(shí)間即為涂層的耐火時(shí)間。觀察并記錄涂層發(fā)生的形態(tài)變化，著重觀察達(dá)到耐火極限的表面狀態(tài)，游標(biāo)卡尺測量涂層的膨脹高度。

2 結(jié)果與討論

2.1 顏基比對防火涂料性能的影響

在初始配方基礎(chǔ)上研究顏基比對鋼結(jié)構(gòu)防火涂料性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 顏基比對防火涂料性能的影響

表2中看到，當(dāng)顏基比為2時(shí)，涂層實(shí)干狀態(tài)、耐火時(shí)限、膨脹狀態(tài)都是最好的，當(dāng)顏基比不斷增加時(shí) ，耐火時(shí)限不斷下降，膨脹高度降低，且膨脹層出現(xiàn)脫落和膨脹速度慢等問題。

2.2 P-C-N配比對防火涂料性能的影響

研究了膨脹阻燃體系中發(fā)泡劑、成炭劑和酸性催化劑配比對涂料阻燃性能的影響，結(jié)果見表3。

表3 P-C-N配比對理化性能的影響

由表3可見，當(dāng)P-N-C配比為6:2:2時(shí)，涂層實(shí)干狀態(tài)最好，耐火時(shí)限最長，膨脹層無明顯缺陷，且致密均勻。同時(shí)，通過表3可以看出，當(dāng)碳源所占比例為0時(shí)，膨脹層無法膨脹，是由于當(dāng)沒有碳源的存在時(shí)，膨脹層中沒有碳骨架的支撐。

2.3 可膨脹石墨的用量對防火涂料性能的影響

考察了膨脹石墨不同用量時(shí)，與P-C-N膨脹阻燃體系的協(xié)同阻燃效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可見，可膨脹石墨的加入對阻燃時(shí)間有增強(qiáng)效果。但當(dāng)可膨脹石墨的用量達(dá)到 4%時(shí)，涂層顏色呈暗灰色，有固體顆粒。且耐火時(shí)限下降。所以可膨脹石墨雖然對阻燃效果有增強(qiáng)效果，但用量應(yīng)該適當(dāng)。

表4 可膨脹石墨的用量對涂料阻燃性能影響

2.4 P-C-N總量對防火涂料性能的影響

研究 P-C-N總量對涂料防火效果和理化性能影響，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 P-C-N總量對防火性能的影響

表5表明，當(dāng)用量為20%時(shí)，涂層呈暗灰色，有明顯固體顆粒，膨脹層脫落，但是耐火時(shí)限可以達(dá)到60 min。當(dāng)用量分別為30%和40%時(shí)，涂層狀態(tài)雖然比用量為20%時(shí)好，但耐火時(shí)限有所降低。

2.5 無機(jī)阻燃劑Al(OH)3與Mg(OH)2對防火涂料性能的影響

比較了常用無機(jī)阻燃劑Al(OH)3與Mg(OH)2在涂料膨脹阻燃體系中的協(xié)同作用，結(jié)果見表6。

表6 Al(OH)3與Mg(OH)2對本涂料防火性能影響比較

由表6中看到，無論是從涂層實(shí)干狀態(tài)、膨脹高度、膨脹層狀態(tài)來看，還是耐火時(shí)限來看，加入氫氧化鋁的防火涂料都優(yōu)于加入氫氧化鎂的的防火涂料。

2.6 涂料優(yōu)化后的性能檢測

防火涂料的主要成分包括基料、季戊四醇、三聚氰胺以及聚磷酸銨。各個(gè)成分之間相互影響，相互制約，對碳質(zhì)層耐火性能有較大影響。優(yōu)化配方下涂料的性能檢測結(jié)果如表7。

實(shí)測表干時(shí)間為1.2 h，涂層厚度1.00 mm時(shí)，耐火時(shí)間為87 min。

表7 優(yōu)化配方下防火涂料性能檢測結(jié)果

3 結(jié) 論

以自制較高硅含量硅丙乳液為基料、三聚氰胺、聚磷酸鹽及季戊四醇為膨脹阻燃體系，可膨脹石墨和氫氧化鋁作為無機(jī)阻燃劑研制了阻燃性能良好的超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。優(yōu)化配方為：顏基比2:1，可膨脹石墨和氫氧化鋁用量占阻燃劑用量 3%和2%，膨脹阻燃體系聚磷酸銨-季戊四醇-三聚氰胺三組分配比 6.46:2.77:2.77。優(yōu)化條件下，涂料細(xì)度10～15μm、涂層厚度為1 mm、耐燃時(shí)間為87 min，膨脹層致密，膨脹厚度為7 mm，強(qiáng)度高。理化性能均符合超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料 GB14907-2002要求。

[1]王錦成. 膨脹型防火涂料的阻燃機(jī)理及其研究進(jìn)展[J]. 化工新型材料,2005,33(10):21-24.

[2]Guojian Wang, Jianyun Yang. Influences of expandable graphite modified by polyethylene glucol on fire protection of waterborne intumescent fire resistive coating[J]. Surface and Coatings Technology, 2010, 204(21-22):3599-3605.

[3]辛轉(zhuǎn)紅, 張愛黎.高硅含量硅丙乳液的性能研究[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,29(4)：63-67．

[4]張愛黎，劉萬鵬，辛轉(zhuǎn)紅等. 超薄鋼結(jié)構(gòu)水性防火涂料的研制及耐火性能[J]. 材料保護(hù), 2010, 10: 20-22.