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      一種水性室內(nèi)膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的制備

      2021-06-28 08:10:48陳劍華王建川黃維智
      合成材料老化與應(yīng)用 2021年3期
      關(guān)鍵詞:陶瓷纖維海泡石炭層

      陳劍華,陳 卓,王建川,朱 遠(yuǎn),黃維智

      (1廣州集泰化工股份有限公司,廣東廣州510670;2黃山聯(lián)固新材料科技有限公司,安徽黃山245200)

      2019年6月1日起正式實施的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 14907-2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》,對水性室內(nèi)膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料提出了更高的要求,例如增加了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的隔熱效率試驗、pH值要求、隔熱效率偏差性能測試以及提高了涂料的耐水性能要求[1]。目前市場上的水性涂料產(chǎn)品存在耐火極限不達(dá)標(biāo)、耐水性不好、膨脹倍率不夠、炭層不致密、炭層附著力差等種種缺陷[2]。

      1 實驗部分

      1.1 材料

      原料:纖維素,亞什蘭;分散劑,陶氏;消泡劑,迪高;pH調(diào)節(jié)劑AMP-95,巴斯夫;成膜助劑,醇酯十二,陶氏化學(xué);鈦白粉,市售;APP,普塞呋;PER,柏斯托;MEL,歐希埃;乳液A和B,市售。

      1.2 水性室內(nèi)膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的制備

      按照表1的實驗配方及工藝,在設(shè)定的轉(zhuǎn)速下,依次加入各物料,制備得水性防火涂料。

      表 1 水性膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料基礎(chǔ)實驗配方Table 1 Basic formulation of waterborne intumescent fire-retardant coating

      1.3 樣板的制備

      樣板的制備及主要性能測試方法按照GB 14907-2018 進(jìn)行。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 乳液的選擇

      在水性膨脹型防火涂料中,樹脂乳液是主要成膜物質(zhì),它既能將防火涂料中的各個組分粘結(jié)成一個整體,又能在火焰中熔融炭化,促進(jìn)膨脹炭層的產(chǎn)生。因此,樹脂乳液很大程度上影響涂料的理化性能。通常將兩種或多種乳液復(fù)配,獲得綜合性能平衡的涂料產(chǎn)品。按照表1中的基礎(chǔ)配方,將兩種水性聚醋酸乙烯酯乳液A和B 按照表2不同比例混合,乳液總質(zhì)量分?jǐn)?shù)占配方25%,當(dāng)w(A)∶w(B)為1∶1混合時,炭層的致密性較好,膨脹倍率為30倍,炭層不會脫落,48h自來水浸泡不會起泡,耐火極限達(dá)105min。從表2還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)A比例大時,膨脹炭層更致密;乳液B比例大時,膨脹倍率高,最高可達(dá)40倍。另外復(fù)配之后的乳液,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低,添加較少比例的成膜助劑便可成膜。這兩種乳液按表2各種比例混合,48h自來水浸泡都不會起泡。

      表2 水性醋酸乙酯共聚物乳液不同配比時涂層性能測試結(jié)果Table 2 Coating performance test results of emulsions A and B in different proportions

      2.2 三元膨脹阻燃體系的選擇

      本實驗方案的防火涂料的膨脹阻燃體系由脫水成炭催化劑聚磷酸銨(APP)、成炭劑季戊四醇(PER)、發(fā)泡劑三聚氰胺(MEL)組成。防火涂層受熱,溫度升到200~300 ℃時,APP分解生成磷酸和揮發(fā)性物質(zhì);溫度上升到280~350 ℃,PER在強(qiáng)酸催化作用下發(fā)生分子內(nèi)或分子間脫水酯化,酯類最終分解炭化;溫度上升到280~380 ℃,MEL逐步分解釋放揮發(fā)性產(chǎn)物,涂層開始發(fā)泡膨脹形成蜂窩狀或海綿狀的炭質(zhì)泡沫層和有機(jī)殘留物,該炭化層熱導(dǎo)率小且厚度大,它粘附在鋼材上延滯了熱量傳向被保護(hù)基材的速度,避免火焰和高溫直接進(jìn)攻鋼構(gòu)件,起到了再阻隔作用;溫度高于600℃,有機(jī)殘留物熱降解最終形成白色無機(jī)物[3-4]。

      根據(jù)表3中各膨脹阻燃填料的比例,按照基礎(chǔ)配方表1中各組分的用量,選擇w(A)∶w(B)=1∶1作為混合乳液的配方,制備鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,涂層性能見表3。當(dāng)w(APP)∶w(PER):w(MEL)比例為20∶10∶10時,炭層最致密,膨脹倍率為35,炭層不會脫落,自來水浸泡48h不起泡,耐火極限達(dá)100min。另外,填料在水中的溶解度(表4)影響涂層的耐水性,選用的高聚合度的APP(聚合度n>1000)和MEL微溶于水,PER由于其分子結(jié)構(gòu)有四個親水性的羥基,水溶性在三者中最大,通過選擇合適的比例,可以達(dá)到48h浸泡自來水不起泡。

      表3 APP/PER/MEL不同配比時涂層性能測試結(jié)果Table 3 Coating performance test results of APP/PER/MEL in different proportions

      表4 膨脹阻燃體系填料水溶性測試結(jié)果Table 4 Water solubility of flame retardants

      2.3 填料的選擇

      鈦白粉表面經(jīng)過包膜處理后,可以提高其耐候性、分散性、光澤度及化學(xué)穩(wěn)定性。選用金紅石型(R型)鈦白粉,它具有較低的吸油量,特殊的表面處理后其在水性體系中潤濕分散性更佳,涂層附著力最強(qiáng),最為致密,耐水性最好[5]。海泡石的層鏈狀結(jié)構(gòu)及陶瓷纖維的線狀結(jié)構(gòu),使膨脹的炭層形成連續(xù)固相骨架,而氣相則連續(xù)存在于纖維材料的骨架間隙之中。這種特殊的結(jié)構(gòu)使炭層能經(jīng)受火焰和氣流的沖擊,提高了中長期防火隔熱效果。

      鈦白粉、海泡石和陶瓷纖維按照一定比例復(fù)配,如表5所示,w(鈦白粉)∶w(海泡石):w(陶瓷纖維)比例為9∶1∶2時,耐火極限達(dá)103min,其他各項性能指標(biāo)都較優(yōu)異。

      表5 鈦白粉/海泡石/陶瓷纖維不同配比時涂層性能測試結(jié)果Table 5 Coating performance test results of TiO2/ Sepiolite/Ceramic fiber in different proportions

      2.4 涂料的綜合性能

      乳液、阻燃劑體系及填料以最佳比例投料,制備的水性室內(nèi)膨脹性鋼結(jié)構(gòu)防火涂料各性能測試結(jié)果都符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),ⅤOC未檢出,測試結(jié)果見表6。

      表6 性能測試結(jié)果Table 6 Properties of paint sample

      3 結(jié)論

      (1)通過兩種不同的醋酸乙烯酯乳液A和B的復(fù)配發(fā)現(xiàn),乳液A炭層更致密,乳液B炭層膨脹倍率更高。當(dāng)A和B按照1:1復(fù)配時,炭層的致密性和膨脹倍率得到較好平衡,涂層耐水性好,耐火極限達(dá)到105min。

      (2)選用低水溶性的APP、PER及MEL,APP:PER:MEL質(zhì)量比為20:10:10時,炭層致密,膨脹倍率高,耐火性能好,涂層泡水48h不起泡。

      (3)選用金紅石型(R型)鈦白粉、特殊層鏈狀結(jié)海泡石及線狀結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維,當(dāng)鈦白粉:海泡石:陶瓷纖維質(zhì)量比為9:1:2時,涂層綜合性能優(yōu)異。

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