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超薄型钢结构防火涂料的研制超薄型钢结构防火涂料的研制成震

时间:2023年09月05日

超薄型钢结构防火涂料的研制,超薄型钢结构防火涂料的研制

超薄型钢结构防火涂的研制周子鹄 涂伟萍 摘要 本文对一超薄型钢结构防火涂料配方进行了改进,以氨基树脂和丙烯酸树脂为基料,调整了树脂和氯化石蜡的含量及阻燃体系等。得到的涂料配方干膜厚度为1mm时,其阻燃时间可达到60min以上。 关键词 防火涂料 钢结构 超薄型1. 引言现代建筑物的主要承重构件大都依赖于坚固又轻便的钢材,这些钢材赋予建筑物以宽阔、轻盈、而又不失稳固的建筑风格然而,钢材在高温火焰的直接灼烧下,一般只有15min的耐火极限,远远达不到国家规定的防火规范要求,会很快失去其承载能力。一旦发生这种情况,将对整个建筑物造成灾难性的后果。正因为如此,对这些钢梁采取有效的保护,使其避免受高温火焰的直接灼烧,从而延缓其坍塌时间,为消防救火提供宝贵的时间就显得十分重要。采用防火涂料进行阻燃的方法被认为是有效的措施之一。将防火涂料涂敷于材料表面,除具有装饰和保护作用外,由于涂料本身的不燃性和难燃性,能阻止火灾发生时火焰的蔓延和延缓火势的扩展,较好地保护了基材。 钢结构防火涂料按防火机理分为膨胀型和非膨胀型两类[1];按涂层厚度可分为厚涂型、薄涂型和超薄型[2,3,4,5],其中后两种一般为膨胀型。超薄型钢结构防火涂料为0~3mm厚,其涂层遇火受热即熔融、膨胀、发泡形成蜂窝状炭化层,使火焰得到隔离,大大降低传导至底层的热量,从而达到阻燃或延缓火焰扩展的目的。 现有一超薄型钢结构防火涂料配方,经分析得知该配方以氨基树脂作基料,APP、AB阻燃剂、三聚氰胺、季戊四醇构成阻燃体系。对该配方进行检验,分4次涂敷在30cm×15cm红丹防锈底漆的钢板上,发现其涂层易开裂,且其裂纹宽度超过0.5mm,涂层对基材的附着力较差。而且当涂在75cm×75cm的红丹防锈底漆钢板上,用煤气喷灯灼烧时,涂层受热易脱落,难以了解该阻燃体系的阻燃性能。因此,我们至少需要解决以下三个问题:解决涂敷时涂层开裂问题;解决涂层在灼烧时受热脱落问题;找出最佳阻燃体系。2. 试剂和仪器 氨基树脂、丙烯酸树脂,广州制漆厂;HCPE,奉化市裕隆新材料有限公司;APP,AB型阻燃剂,四川康威阻燃材料厂;季戊四醇,三聚氰胺,湖南衡阳化工厂;氯化石蜡,北斗代理;红丹环氧防锈底漆,广州制漆厂;助剂。 Red Evil Equipment,三辊机,钢板,模拟大板燃烧装置。3. 实验流程及装置首先加入一定量的树脂和氯化石蜡,再依次称量并加入好阻燃体系组分、颜填料、助剂,装入同重量的钢珠,用“快手”分散5~6小时后过滤备用。将所配制的涂料用溶剂稀释至合适的粘度后,涂敷于钢板上,观察其外观,并采用下列燃烧装置检验其阻燃性能。 4. 试验研究4.1 树脂组分的选择 树脂基料对膨胀型防火涂料的性能有重大的影响,与其它各组分配合,既保证了涂层在正常条件下具有各种使用性能,又能在火焰灼烧或高温作用下具有难燃性和优异的膨胀发泡效果。实验初期,我们主要采用加入丙烯酸树脂来解决其开裂问题。保持整个体系基本不变,仅改变基料组成,用丙烯酸树脂代替部分氨基树脂。将各次制得的涂料涂敷在小板和中板上进行观察表面开裂状况,并将中板放在酒精喷灯上灼烧中板,观察其阻燃发泡效果。表1 改变树脂基料配比的实验结果树脂配比比例氨基树脂——17%40%60%75%100%每次最大可涂敷厚度3mm2.5mm2mm1.5mm0.5mm0.5mm开裂状况不开裂不开裂不开裂不开裂不开裂容易开裂干燥状况难以表干和实干较难实干难以实干较易表干和实干易表干和实干易表干和实干燃烧结果发泡温度高较高较高较低较低低炭化层厚度很薄薄较薄较厚较厚厚通过对实验现象分析发现,加入丙烯酸树脂可以明显有助于改善原配方开裂的状况,。同时,氨基树脂含量越低,丙烯酸树脂加入越多,表面越不易开裂,不过其涂层难以实干。但丙烯酸树脂加入太多,其发泡炭化层厚度不高,阻燃性能较差。因此需要找出氨基树脂与丙烯酸树脂的最佳配比。当氨基树脂与丙烯酸树脂的配比为3:1时,即氨基树脂为75%时,只要涂敷量较少,其涂层不会开裂,故在氨基树脂与丙烯酸树脂的配比为3:1的附近数值进一步进行配比。经实验后,若丙烯酸树脂在树脂总量中占15%~20%时,分3~6次涂敷,每次涂敷量在0.5mm~1mm,且待涂层实干后再涂敷下一层,这样有利于涂层迅速干燥,可以保证涂层不会开裂。若采用HCPE树脂代替丙烯酸树脂,当其在基料总量中占30%以上时,所得涂层才会不易开裂。用中板进行燃烧实验,发现采用HCPE时其炭化层较厚,发泡小而且致密,炭化层与内层联接紧密,但炭化层太软,而采用丙烯酸树脂时的炭化层结构较硬。由于炭化层需要经受住一定的气流的,故选用氨基树脂与丙烯酸树脂作基料。4.2 基料含量的选择 根据上述结果配制得到的涂料中,基料为氨基树脂与丙烯酸树脂、氨基树脂与HCPE的复合树脂。将它们涂敷在90cm×90cm的大钢板上,用煤气喷灯大火灼烧,约3min左右时,涂层开始变软,有很小面积的涂层开始炭化发泡,但中间已开始隆起,大块涂料受热小坠。经研究分析,认为主要是由于涂层与底层的附着力还不够。虽然未灼烧之前涂层与底层联接较好,但涂料受热熔融后,熔融的树脂与底层的附着力承受不住涂层和炭化层的重量,就出现了涂层受热后开始大块下坠的现象。为解决涂层受热下坠的问题,保持阻燃体系以及颜填料的组分和含量不变,而增加涂料中树脂的量。将配制的涂料,分别涂敷在90cm×90cm×0.4cm的大钢板上,用煤气喷灯灼烧,观察实验结果。表2 以氨基树脂与丙烯酸树脂作基料,改变树脂含量后的燃烧结果树脂含量40%~45%35%~40%30%~35%燃烧结果炭化层厚度1cm~2cm4cm~5cm≤1cm发泡情况发泡小但疏松发泡细而致密泡大且疏松其它现象附着力好,但内层涂层受热变黄,炭化层太软。附着力较好,炭化层较硬。涂层受热易熔融下坠,附着力太差。阻燃效果较好好差 树脂的加入量在一定程度上对膨胀发泡效果有影响。树脂组分太少,涂层熔融时与底层的附着力较弱;但树脂组分太多,涂层发泡膨胀的炭化层约2cm厚,阻燃隔热效果与木结构防火涂料相近,但远未达到钢结构防火涂料的阻燃要求。因此,确定树脂加入量为35%~40%。4. 3 阻燃组分含量的改变 防火涂料是以APP、AB型阻燃剂、三聚氰胺和双季戊四醇构成防火阻燃体系。其中APP和AB型阻燃剂主要作为酸催化剂,三聚氰胺为发泡剂,双季戊四醇作为炭化剂。与季戊四醇相比,采用双季戊四醇,其炭化层质量较好,发泡呈圆形,细小而致密。但由于双季戊四醇价格太贵,且采用季戊四醇也可以达到防火要求,故在所设计的配方中,用季戊四醇代替原配方中的双季戊四醇。 在以氨基树脂和丙烯酸树脂为基料,且树脂含量为35%~40%时,仅改变APP、AB型阻燃剂、三聚氰胺、季戊四醇之间的比例,观察发泡情况,以确定阻燃体系。表3 阻燃体系的确定实验序号各组分在阻燃体系中的含量实验结果APPAB型阻燃剂三聚氰胺季戊四醇1#20%~25%35%~40%10%~15%25%~30%发泡细小致密,炭化层约4~5cm。2#20%~25%35%~40%20%~25%20%~25%发泡不高,但泡较大,炭化层约3cm。3#20%~25%35%~40%25%~30%10%~15%发泡较多,但泡较大,炭化层也不高,约2cm。4#25%~30%25%~30%15%~20%10%~15%发泡细小,但不多,且炭化层不高,约1~2cm。5#50%~55%—15%~20%25%~30%与4#相比,发泡较早,炭化层稍低一点,约1~1.5cm。由上表可知,1#阻燃体系的发泡炭化现象最好,故选用1#阻燃体系作为超薄型钢结构防火涂料的阻燃体系。4. 4 氯化石蜡含量的确定氯化石蜡在防火涂料中既是增塑剂,又是发泡剂和炭化剂。它在120℃以上开始分解,释放出氯化氢和水蒸气作为发泡剂。氯化石蜡的分解温度低于三聚氰胺和APP的分解温度,在120℃首先分解炭化,使已熔融的树脂膨胀炭化,阻止火焰直接灼烧到涂层上,减缓温度的急剧上升。而当涂层内温度达到250℃以上时三聚氰胺也开始分解发泡,进一步加强了发泡炭化效果,使炭化层增厚。因此,调整氯化石蜡的含量可以促使发泡时间及炭化层的形成早,形成多层次炭化,延缓涂层升温时间。但加入太多量的氯化石蜡,涂层较软,难以干燥好固化,且涂层硬度不够。经实验研究,当氯化石蜡加入量为6%~8%时,效果最好。5. 结果及验证 通过以上系列研究,确定超薄型钢结构防火涂料的配方中,以氨基树脂和丙烯酸树脂为基料,其中丙烯酸树脂在基料中约占15~20%。防火涂料配方中各物质组成及含量如下:表4 超薄型钢结构防火涂料配方物料组成基料氯化石蜡阻燃体系填料助剂含量35%~40%6%~8%40%~50%5%~12% 5%~12%按照上述配方配制涂料,并将所配制的涂料分4 次涂覆于100cm×100cm×0.4cm钢板上,每隔24小时才涂一次,放置4天待涂层完全实干后,涂层干膜厚度为1mm。置于煤气喷灯上灼烧,用秒表记录时间、热电偶记录钢板背面温度。按照升温曲线加大火焰,3min后涂层表面开始有出现熔融、发泡、炭化现象,但泡较大且不连续。随着火焰的加大和温度的升高,表面涂层基本已形成一层炭化层,但厚度较低,约1.5cm,与木结构防火涂料发泡炭化情况相似。如此持续15min后,炭化层厚度逐渐增加至4cm~5cm,应当为内层涂料开始熔融、发泡、炭化。灼烧20min后,用刮刀刮去钢板边缘处的炭化层,发现内层仍有较厚的白色涂层。总共灼烧62min后,但炭化层不再增厚,钢板背面温度达到300℃。停止灼烧,取下钢板,用刮刀刮开中间部分,里

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