PMS室外膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料老化與使用壽命預(yù)測(cè)研究

楊守生，王學(xué)寶，陳振邦，孟 濤，馮海生

(1.中國(guó)人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000； 2.荊州市消防支隊(duì)，湖北 荊州 434000)

0 引言

膨脹型防火涂料因其自重輕、涂刷厚度小、美觀性好和良好的施工性能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)以及木材、電線電纜等可燃基材的阻燃，推遲或阻止引燃過(guò)程，延緩火災(zāi)蔓延，提高保護(hù)基材的耐火極限。其作用機(jī)理是成膜物質(zhì)和膨脹阻燃體系在受熱過(guò)程中產(chǎn)生復(fù)雜的物理、化學(xué)變化形成具有隔熱作用的炭層[1-2]。室外膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料因使用環(huán)境因素會(huì)受到日光、雪、雨、霧、暴曬和溫差以及酸、堿、鹽霧等的長(zhǎng)期作用，其組成成分將產(chǎn)生降解或溶出，導(dǎo)致性能下降，耐久性縮短[3]?？茖W(xué)評(píng)估防火涂料的耐久性對(duì)發(fā)揮其保護(hù)作用具有積極意義。本文通過(guò)人工加速紫外老化試驗(yàn)及自然暴露試驗(yàn)研究PMS室外膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐老化性能，并對(duì)其使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品及試件

目前通過(guò)消防產(chǎn)品合格評(píng)估的室外膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料品種較多，但市場(chǎng)上的產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，試驗(yàn)樣品選擇的是業(yè)界公認(rèn)的涂料，已知其關(guān)鍵組分為氨基樹(shù)脂、甲基丙烯酸共聚樹(shù)脂、聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇，具有優(yōu)良的耐火性能。

試件：用砂紙將鋼板(Q235普通碳素鋼150 mm×150 mm×2 mm)表面打磨干凈，用無(wú)水乙醇等有機(jī)溶劑擦去鋼板表面的雜質(zhì)；待鋼板表面干燥后，根據(jù)涂料實(shí)際使用要求涂刷一層底漆，底漆干燥后，分多次涂刷防火涂料，干燥后測(cè)其實(shí)際涂層厚度。

1.2 試驗(yàn)儀器

紫外老化試驗(yàn)機(jī)KW-UV3，承德鑫馬測(cè)試儀器有限公司(使用UVA-351燈管，光譜范圍275～390 μm)；色差儀NR20XE，三恩公司；ZQS6-2000高精度粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試儀，北京盛世科技有限公司；防火涂料耐火極限測(cè)試儀(自制)等。

1.3 老化試驗(yàn)

1.3.1 人工加速紫外老化試驗(yàn)

試驗(yàn)條件參考GB/T 14522—2008[4]，設(shè)定紫外輻射強(qiáng)度為1.55 W·m-2，輻射時(shí)黑板溫度為50 ℃。老化周期為200，400，800，1 600 h。

1.3.2 自然暴露試驗(yàn)

將試件固定在如圖1所示的試驗(yàn)架上，置于河北廊坊武警學(xué)院2號(hào)試驗(yàn)樓樓頂，朝南放置。室外暴露規(guī)定時(shí)間取樣測(cè)試。

圖1 室外暴露試驗(yàn)實(shí)物圖

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 色度測(cè)量及色差計(jì)算

色度是不包括亮度在內(nèi)的顏色的性質(zhì)，它反映的是顏色的色調(diào)和飽和度。依據(jù)GB/T 11186[5]測(cè)量試樣表面的色度，按照五點(diǎn)采樣法，5次后取平均值，作為試樣的色度。將老化后試樣的色度與老化處理前試樣的色度按公式(1)計(jì)算色差，得到老化前后樣品的色差變化值。

1.4.2 粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試

參照J(rèn)GJ 110—2008[6]進(jìn)行測(cè)試，記錄粘結(jié)力峰值，測(cè)量脫落面積，根據(jù)公式(2)計(jì)算粘結(jié)強(qiáng)度。

粘結(jié)強(qiáng)度(MPa)=

脫附拉力(N)/脫附面積(mm2)

(2)

1.4.3 耐火極限測(cè)試

耐火極限測(cè)試采用自制的防火涂料耐火極限測(cè)試裝置，如圖2所示。其內(nèi)部溫度按照ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫，如圖3所示，背溫?zé)犭娕际緮?shù)達(dá)到300 ℃時(shí)停止試驗(yàn)，并記錄所需時(shí)間即為防火材料的耐火時(shí)間。涂層厚度及基材對(duì)防火涂料耐火極限影響較大，為便于比較分析，扣除基材與涂料厚度對(duì)結(jié)果的影響，定義防火涂料的折算耐火性能如式(3)、式(4)。

折算耐火時(shí)間(min)=[樣品耐火極限(s)-帶漆鋼板耐火極限(s)]/60

(3)

折算耐火性能(min·mm-1)=折算耐火時(shí)間(min)/涂料平均厚度(mm)

(4)

圖2 防火涂料耐火極限測(cè)試裝置

圖3 升溫曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 人工加速老化與PMS涂料涂層性能的關(guān)系

2.1.1 色差變化

對(duì)老化不同周期的試件測(cè)試色度，經(jīng)計(jì)算得色差值，如表1所示。可見(jiàn)，PMS防火涂料的色差變化呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，可能因?yàn)樵诶匣瘯r(shí)間段紫外線使顏填料發(fā)生褪色泛白，涂料白度增加，長(zhǎng)時(shí)間輻照使得樹(shù)脂降解老化泛黃，使涂料白度下降。

表1 PMS紫外老化不同時(shí)間下的色差值

2.1.2 粘結(jié)強(qiáng)度變化

室外型涂料由于長(zhǎng)期暴露在室外，其附著能力是保證其牢固附著在基材上的重要指標(biāo)。圖4為PMS防火涂料粘結(jié)強(qiáng)度隨老化時(shí)間的變化圖，可見(jiàn)老化時(shí)間越長(zhǎng)粘結(jié)強(qiáng)度越低，紫外線使樹(shù)脂降解失去粘結(jié)性。

圖4 PMS防火涂料粘結(jié)強(qiáng)度隨老化時(shí)間變化規(guī)律

2.1.3 耐火性能的變化

對(duì)不同老化周期的試件測(cè)試其耐火極限，利用式(3)、式(4)計(jì)算折算耐火時(shí)間和折算耐火性能，如表2所示。

將表2的老化時(shí)間與折算耐火性能作散點(diǎn)圖，并將散點(diǎn)進(jìn)行擬合得耐火性能隨老化時(shí)間衰減的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式：y=-0.0393x+104.1。從圖5發(fā)現(xiàn)，PMS防火涂料隨著紫外老化時(shí)間的增長(zhǎng)，其耐火性能呈線性下降。這種下降源于涂層受紫外線作用后形成炭層的膨脹倍率下降，如圖6所示。

表2 PMS防火涂料紫外老化不同時(shí)間后的耐火性能

圖5 老化時(shí)間與折算耐火性能的關(guān)系

2.2 PMS防火涂料自然暴露試驗(yàn)對(duì)性能的影響

2.2.1 外觀及色差變化

圖7、圖8分別為試件自然暴露前后的對(duì)比圖，顯示涂層嚴(yán)重變黃、出現(xiàn)開(kāi)裂，表明PMS防火涂料在室外暴露500 d后，已經(jīng)出現(xiàn)老化現(xiàn)象。表3顯示其色差的變化呈現(xiàn)出先慢后快再慢的色差變化速率，即S型的趨勢(shì)，采用Logistic曲線對(duì)色差進(jìn)行擬合，得到涂料的色差與老化時(shí)間的關(guān)系式：y=32.67/(1+5517e-1.189/x)。

圖6 PMS防火涂料膨脹倍數(shù)隨老化時(shí)間的變化

圖7 自然暴露前PMS防火涂料形貌照片

圖8 自然暴露后PMS防火涂料形貌照片

表3 自然暴露后PMS防火涂料涂層色差變化情況

2.2.2 自然暴露后防火涂料耐火極限的變化

表4為老化前后PMS防火涂料耐火性能?？梢钥闯?，PMS防火涂料自然暴露后防火性能顯著下降，經(jīng)500 d自然老化后，其折算耐火性能平均下降了67.1%。

2.3 人工加速老化與自然暴露老化相關(guān)性及涂料使用壽命預(yù)測(cè)

采用耐火性能作為防火涂料老化的判定依據(jù)，建立自然暴露老化與人工加速老化相關(guān)性關(guān)系，借GB 14907—2002要求防火涂料經(jīng)過(guò)耐候性后的耐火性能衰減不大于35%，因此將折算耐火性能下降35%作為防火涂料達(dá)到壽命終止的判斷依據(jù)。確定防火涂料折算耐火性能下降35%所需人工加速老化的時(shí)間，即人工加速老化壽命，經(jīng)倍率關(guān)系折算即可獲得涂料使用壽命。PMS防火涂料90 ℃人工加速紫外老化耐火性能下降35%需要927 h，經(jīng)計(jì)算獲得PMS防火涂料在自然老化時(shí)耐火性能下降35%，即達(dá)到壽命所需時(shí)間為927×13.5=12 514 h，約1.4 y。

表4 PMS防火涂料自然暴露后耐火性能變化

此估算涂料使用壽命。將人工加速老化與自然暴露老化試樣的折算耐火性能與老化時(shí)間作圖，獲得耐火性能與老化時(shí)間的關(guān)系，如圖9所示。

圖9 人工加速與自然暴露老化的PMS

根據(jù)圖9計(jì)算人工加速老化達(dá)到自然暴露老化同樣的耐火性能所需的時(shí)間，分別為745 h、1 029 h，取兩者平均值為887 h。這2個(gè)試樣實(shí)際經(jīng)歷了500 d的老化，即自然老化12 000 h相當(dāng)于在90 ℃下人工加速老化887 h，人工加速老化的老化速率是自然老化的13.5倍。

3 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)研究，可得結(jié)論：(1)紫外線對(duì)PMS防火涂料涂層性能影響顯著，涂層的色差變化呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，粘結(jié)強(qiáng)度和耐火性能隨照射時(shí)間延長(zhǎng)而明顯下降。(2)PMS防火涂料室外自然暴露后涂層表面開(kāi)裂、變黃，耐火性能下降顯著。經(jīng)500 d自然老化后，其折算耐火性能平均下降了67.1%。(3)PMS防火涂料人工加速老化與自然暴露老化具有相關(guān)性，人工加速老化速率是自然老化的13.5倍。根據(jù)自然暴露老化試驗(yàn)和人工加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)其使用壽命為1.4 y。