水性鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的制備與性能研究

李楠 鐘圣韜 韓銳

摘要：成炭劑是水性膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中的一個(gè)重要組成部分。雙季戊四醇和山梨醇都可以用作成炭劑。本實(shí)驗(yàn)研究雙季戊四醇與山梨醇這兩種成炭劑的混合使用對(duì)水性膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火性能的影響。本實(shí)驗(yàn)以山梨醇的含量為變量一共合成了五種膨脹型防火涂料。采取熱失重分析（TG）、掃描電鏡（SEM）和隔熱效率測(cè)試分別對(duì)不同比例的雙季戊四醇/山梨醇防火涂料進(jìn)行燃燒過(guò)程分析、燃燒炭層結(jié)構(gòu)分析以及隔熱效率測(cè)試。SEM結(jié)果可以得出雙季戊四醇/山梨醇混合使用使炭層的結(jié)構(gòu)更加緊密;燃燒測(cè)試結(jié)果表明雙季戊四醇/山梨醇混合使用使耐火時(shí)間延長(zhǎng)，其中雙季戊四醇與山梨醇的比例為0.6：0.4的耐火時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)。因此，可以得出雙季戊四醇/山梨醇混合使用是通過(guò)提高炭層結(jié)構(gòu)緊密度，使炭層的高溫穩(wěn)定性更高，從而提高了炭層阻隔熱量的能力，達(dá)到改善防火效果的目的。

關(guān)鍵詞：水性膨脹型防火涂料;成炭劑;季戊四醇

防火涂料可涂覆于可燃性基材表面，降低被涂材料表面的可燃性，阻滯火災(zāi)的迅速蔓延，也可涂覆于結(jié)構(gòu)材料表面，以提高構(gòu)件耐火極限，是阻燃材料中的一個(gè)重要類(lèi)別。防火涂料涂附在木材、墻體、鋼材上，不僅能起到裝飾作用，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，更能提高材料的防火性能和耐火時(shí)間，起到保護(hù)物件、贏得搶救時(shí)間的作用。在眾多材料中，鋼材由于優(yōu)異的強(qiáng)度、韌度等優(yōu)點(diǎn)，在建筑中廣泛應(yīng)用。但是鋼易導(dǎo)熱、不耐火，使它在540℃時(shí)機(jī)械強(qiáng)度極速下降。然而，一般火場(chǎng)最終溫度在800～1200℃之間，火災(zāi)案例和科學(xué)實(shí)踐也表明未加保護(hù)的鋼材在火場(chǎng)溫度達(dá)到600℃就會(huì)完全失去剛性和強(qiáng)度，而火災(zāi)發(fā)生10min后裸露的鋼材溫度就達(dá)到700℃以上，極大地減少了救援時(shí)間。

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。防火機(jī)理如下：受熱時(shí)，基料中的成膜物質(zhì)會(huì)成為熔融態(tài)的成膜物質(zhì)。與此同時(shí)，脫水催化劑受熱產(chǎn)生的酸和成炭劑受熱產(chǎn)生的羥基反應(yīng)進(jìn)行酯化脫水，形成粘稠態(tài)的酯化產(chǎn)物。發(fā)泡劑受熱分解產(chǎn)生的惰性氣體使熔融態(tài)的成膜物質(zhì)和酯化產(chǎn)物的混合物膨脹形成均勻而致密的蜂窩狀或海綿狀的碳質(zhì)泡沫層，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。與此同時(shí)，釋放出來(lái)的大量惰性氣體，降低了空氣中的可燃?xì)怏w和氧濃度，使燃燒減緩或自熄。成炭劑是主要的發(fā)泡物質(zhì)，它的作用效果主要由兩個(gè)方面決定：其一為分子中碳含量與羥基的數(shù)目;其二為成炭劑的分解溫度。碳含量決定炭化速度，羥基數(shù)目決定脫水速度。因此，采用含碳量高，分解反應(yīng)速率低的多羥基化合物作為成炭劑較為適宜。雙季戊四醇有較多的碳量，分子中有多個(gè)羥基，山梨醇也是成炭劑的一種，單一的成炭劑不能提供足夠多的含碳量以及羥基，兩種成炭劑可互相配合，產(chǎn)生協(xié)同作用，提高炭層的強(qiáng)度。

一、實(shí)驗(yàn)部分

（一）實(shí)驗(yàn)原料

季戊四醇、山梨醇、聚磷酸銨、三聚氰胺、苯丙乳液、水、助劑以及填料等，具體配比如下表1所示

（二）實(shí)驗(yàn)步驟

將各原料按比例稱(chēng)號(hào)后先后混合攪拌，然后用高速攪拌機(jī)在3500r/min的速度下攪拌10min。按成碳劑比例（季戊四醇與山梨醇的比例分別為1：0;4：1;3：2;2：3;1：4）配制為5組涂料，分別標(biāo)記為1S、2S、3S、4S、5S。

將配置好的涂料均勻涂刷在標(biāo)準(zhǔn)鋼板和隔熱效率測(cè)試鋼板上。將5組樣品放于用馬弗爐作燃燒測(cè)試，當(dāng)馬弗爐爐溫升至800℃時(shí)關(guān)閉電源，觀察發(fā)泡情況及測(cè)試微觀形貌，測(cè)試發(fā)泡倍數(shù)。將涂刷有標(biāo)準(zhǔn)厚度鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的鋼板放置于隔熱效率測(cè)試爐中，按標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線測(cè)試鋼板背火面溫度至538℃時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

（一）燃燒測(cè)試結(jié)果分析

每組樣品涂3個(gè)小鋼板，將5組樣品放于用馬弗爐作燃燒測(cè)試，得到如圖2（從左到右為1S-5S，發(fā)泡倍數(shù)依次為20、30、40、32、25）各個(gè)樣品的發(fā)泡情況。

（二）掃描電鏡結(jié)果分析

從涂層燃燒后的炭層結(jié)構(gòu)可以判斷炭層結(jié)構(gòu)的致密度，從而推斷炭層的強(qiáng)度。從圖中可以看出1的碳層結(jié)構(gòu)中有細(xì)微小孔，有疏松，并且炭結(jié)構(gòu)之間的連接不是太緊湊。3S的炭層結(jié)構(gòu)無(wú)小孔和疏松，連接緊密。5S的炭層結(jié)構(gòu)中的小孔多，且炭層發(fā)泡程度不足。1S和5S的炭層骨架疏松，致密度差，形成較大的裂縫，這給熱量從外向基材傳導(dǎo)留下了通道;而3S的炭層無(wú)松孔，骨架完整，連接緊密，致密度好，從而增強(qiáng)了炭層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

（三）隔熱效率測(cè)試

隔熱效率測(cè)試是將刷好的大鋼板放置在隔熱效率測(cè)試爐里，通過(guò)熱電偶測(cè)得鋼板背面溫度，將之記錄、作圖得到時(shí)間-溫度曲線。從曲線的變化情況，可以得到鋼板背面溫度的變化曲線，以及鋼板的耐熱時(shí)長(zhǎng)。我們將1S、3S、5S樣品做隔熱效率測(cè)試，得到圖3。

從曲線可以看到，雙季戊四醇與山梨醇的比例為0.6：0.4時(shí)，即3S鋼板的背溫變化最緩慢，且當(dāng)大鋼板背溫到達(dá)540℃時(shí)，所用時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)，達(dá)1.6h。而當(dāng)雙季戊四醇與山梨醇的比例為0.2：0.8時(shí)，即5S鋼板的背溫變化明顯比純雙季戊四醇1S快，其耐熱時(shí)長(zhǎng)也沒(méi)有純雙季戊四醇長(zhǎng)。從而可以得出適當(dāng)量的山梨醇與雙季戊四醇協(xié)同作用能夠延長(zhǎng)涂料隔熱時(shí)間，從而提高耐火效果。

三、結(jié)語(yǔ)

從掃描電鏡結(jié)果可以得出適量山梨醇的加入使得炭層結(jié)構(gòu)致密度增加，提高了炭層的強(qiáng)度;隔熱效率測(cè)試可以得出適量的山梨醇與雙季戊四醇混用能夠延長(zhǎng)耐火時(shí)間，其中雙季戊四醇與山梨醇的比例為0.6：0.4的耐火時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)，達(dá)1.6h。雙季戊四醇與山梨醇是通過(guò)提高炭層結(jié)構(gòu)致密度來(lái)提高炭層強(qiáng)度，從而阻隔熱量，達(dá)到改善防火效果的目的。

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作者簡(jiǎn)介：

韓銳，男，四川成都人，任教于西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，副教授，博士，主要從事聚合物基復(fù)合材料、高性能綠色高分子材料等的研究。