水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的制備

該結(jié)構(gòu)具有輕重量、高強度和施工方便等優(yōu)點。它現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于大型建筑中，但鋼結(jié)構(gòu)的可靠性和抗熱性較差，容易加熱。當(dāng)自身溫度超過540c時，其機械強度幾乎發(fā)生變化。此時，該建筑無法支撐自身的質(zhì)量，導(dǎo)致坍塌，給人們的生活和財產(chǎn)帶來巨大損失。因此,必須對鋼結(jié)構(gòu)建筑進行防火保護,超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是涂覆于鋼結(jié)構(gòu)表面,遇到火災(zāi)的時候能形成隔熱保護層,具有施工操作簡單方便的優(yōu)點,同時又有一定的裝飾功能。目前,針對人們對于防火效果和環(huán)境保護的綜合考慮,水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的使用越來越廣泛。水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料主要由基料樹脂、膨脹體系和無機填料組成。基料樹脂主要有純丙乳液、硅丙乳液、氨基樹脂、苯丙乳液等;膨脹體系中主要包括脫水催化劑多聚磷酸銨、炭化劑季戊四醇、發(fā)泡劑三聚氰胺。目前市面上的防火涂料存在受熱膨脹后形成氣孔大小不均或發(fā)泡高度不夠等現(xiàn)象,采用可膨脹石墨改性防火涂料可以提高膨脹層的高度,但是使得膨脹炭層過于疏松,在火焰氣流的沖刷下容易脫落,從而失去了防火的效果。為了達到既能提高膨脹炭層的高度又能保證膨脹炭層不會從鋼板上脫落的目的,本研究選用了硼酸和可膨脹石墨為阻燃協(xié)效劑;系統(tǒng)考察了阻燃協(xié)效劑的用量及配比對防火涂料涂層的耐火極限、殘?zhí)苛恳约皻執(zhí)繉有蚊驳挠绊憽?實驗部分1.1化學(xué)試劑及試劑硅丙乳液(固含量42%):自制;多聚磷酸銨(APP):工業(yè)級,山東壽光衛(wèi)東化學(xué)有限公司;季戊四醇(PER)、三聚氰胺(MEL):工業(yè)級,上海化學(xué)試劑公司;二氧化鈦:工業(yè)級;硼酸:分析純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司;可膨脹石墨:工業(yè)級,青島古宇石墨有限公司。1.2防水性能1.2.1種子乳液的制備預(yù)乳液的制備:將去離子水、乳化劑A和乳化劑B以及引發(fā)劑過硫酸鉀(K2S2O8)攪拌均勻后,緩慢滴加丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)和功能單體丙烯酸-β-羥丙酯的混合單體,常溫乳化1h制得預(yù)乳液備用。種子乳液的制備:在裝有冷凝裝置、攪拌器和溫度計的四口燒瓶中加入適量的去離子水,計量的pH調(diào)節(jié)劑、乳化劑A和乳化劑B,升溫至50℃后緩慢加入BA和MMA混合單體,乳化完全后加入計量的引發(fā)劑K2S2O8,得到種子乳液。將種子乳液升溫至80℃,待種子乳液變藍后,再滴加上述預(yù)乳液,在預(yù)乳液向種子乳液滴加還剩1/3時,向四口燒瓶中加入適量的水解抑制劑乙二醇,然后緩慢加入計量的乙烯基三乙氧基硅烷(A-151),與預(yù)乳液同時滴加完畢,保溫熟化1h,降溫,用氨水調(diào)節(jié)pH至中性后出料,即得硅丙乳液。1.2.2聚乳酸液的制備將計量的阻燃體系、協(xié)同阻燃劑以及去離子水混合均勻后,在球磨機上研磨,達到一定的細度,然后加入到高速攪拌的乳液基料中攪拌分散混合均勻后。加入適量的助劑攪拌均勻后出料得到水性超薄膨脹型防火涂料。1.3復(fù)合涂層的退火性能測試參照鋼結(jié)構(gòu)防火涂料GB14907—2002《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》的規(guī)定,將制備的防火涂料涂刷在150mm×75mm×1mm的鋼板上,每次涂刷厚度約0.1mm,涂刷間隔約2h,直到用游標(biāo)卡尺測得涂層厚度為(2.00±0.2)mm,刷好后養(yǎng)護7d,即可進行耐火性能的測試。1.4防火性能測試1.4.1燃燒防火涂層的測試采用自行設(shè)計的簡易小室燃燒法測試裝置,將待測試的涂層樣板固定于鐵架臺的鐵圈上方,涂層朝下,樣板與酒精噴燈口的垂直距離為7cm,熱電偶置于樣板片的上方測量燃燒過程中鋼板背后的溫度變化。調(diào)整酒精噴燈的火焰溫度,使其達到1000℃左右,將酒精噴燈放到測試樣板的下方,使火焰直接燃燒防火涂層,并開始計時。把鋼板背面溫度升至300℃的時間作為涂層的耐火極限時間。1.4.2熱分解曲線測定將水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料涂膜干燥研磨成粉末狀,采用SDTQ600V5.0Build63型熱失質(zhì)量分析儀測定熱分解曲線。氮氣氣氛,升溫速率10℃/min,掃描范圍從室溫到700℃。1.4.3儲層密度分析數(shù)碼相機photo分析,采用Sony數(shù)碼相機拍攝防火涂料燃燒后的表面炭層形貌。1.4.4sem測試用于燃燒碳層的電子掃描采用JSM-6380型電子掃描電鏡對水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料燃燒生成膨脹炭層進行測試,觀察其形貌。2結(jié)果與討論2.1硼用量對涂料保水性的影響硼酸作為阻燃抑制劑具有良好的阻燃抑制效果,同時具有無毒、無污染的優(yōu)點,作為防火涂料的阻燃抑制劑在火災(zāi)發(fā)生時不會釋放出有害的氣體物質(zhì)。硼酸的TG曲線見圖1。如圖1所示,硼酸的熱失質(zhì)量主要有兩個步驟:首先硼酸在103℃時分解,其間質(zhì)量損失為28.3%(理論值29%)。這主要是因為硼酸脫水生成偏硼酸;第二步,偏硼酸脫水生成堅硬的礦物質(zhì)玻璃B2O3,最終的殘留質(zhì)量為54.8%。表1為不同硼酸含量的涂料的耐火極限。由表1可知,隨著硼酸用量的增加,防火涂料的耐火極限先增大后減小。當(dāng)硼酸的用量達到4%的時候,耐火極限最大,為74min。這是因為加入適量的硼酸,增加了膨脹炭層的致密度,使炭層不易脫離鋼結(jié)構(gòu)表面,從而使涂料的阻燃隔熱性能得到了提高。然而隨著硼酸的用量的增加,涂層膨脹高度降低。導(dǎo)致耐火極限減小,這可能是因為過量的硼酸會破壞原有的膨脹阻燃體系的協(xié)同阻燃效果,因而影響了涂層的防火極限時間。2.2發(fā)泡炭層不均勻不同EG含量對涂料耐火極限的影響見表2。由表2可知,在w(EG)<5%時,隨著EG用量的增加,耐火極限增加,在w(EG)=5%時,耐火極限為82min,這是因為EG形成氣孔細小均勻的涂層。沒有添加EG的炭層膨脹不均勻,氣孔較大。添加適量的EG時,由于EG受熱膨脹后變成長短不均的“蠕蟲”狀穿插在炭層結(jié)構(gòu)中,使發(fā)泡炭層均勻受熱,達到穩(wěn)定的隔熱目的,有效地延緩了溫度向鋼結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的時間。但是隨著EG用量的進一步增加,在涂層內(nèi)部應(yīng)力作用下,涂料的膨脹炭層過于松散,產(chǎn)生裂紋,給熱流和氧氣向鋼材傳導(dǎo)留下了通道,并導(dǎo)致膨脹涂層可能從鋼板上脫落,反而嚴重地降低了涂料的耐火極限。2.3膨脹涂層膠結(jié)碳質(zhì)層在防火涂料中同時添加w(硼酸)=4%,w(EG)=5%時,涂層在火焰的加熱下均勻地膨脹,形成結(jié)構(gòu)致密、孔隙均勻的炭質(zhì)層,膨脹涂層結(jié)構(gòu)完整,強度高,硼酸受熱形成的B2O3增加了炭層骨架的強度,保證膨脹的炭層有較高的致密度;EG膨脹后起到類似纖維材料的增強的作用,將無機炭層連接起來。使膨脹炭層仍然與鋼材表面有著良好的粘結(jié)力,其耐火極限時間達到93min,可見硼酸/EG發(fā)揮各自的優(yōu)勢產(chǎn)生了明顯的協(xié)同作用。防火涂膜燃燒后的照片見圖2。2.4eg/酸鈉改性的防火涂料的分解溫度圖3為防火涂料的TG曲線。如圖3所示,防火涂料(A)、(B)和(C)共有3個分解階段,其詳細分解情況,見表3。由表3可以看出,EG改性的涂料要比硼酸改性的涂料的分解溫度高,而EG/硼酸改性的涂料的分解溫度在上述兩者之間;EG/硼酸改性的防火涂料在700℃時最終的殘?zhí)苛渴?4%,比EG改性和硼酸改性的防火涂料都有較大的提高;這是因為EG比硼酸的分解溫度高,硼酸受熱分解成B2O3有效地提高了殘?zhí)苛?可見硼酸/EG可以起到協(xié)同改性防火涂料性能的作用。2.5未改性涂料殘?zhí)繉拥牧W(xué)性能圖4(a)、(b)、(c)和(d)分別是未改性、4%硼酸改性、5%EG改性和4%硼酸+5%EG改性的殘?zhí)繉拥腟EM圖像。從圖4可以看出,未改性涂料的殘?zhí)繉淤|(zhì)地疏松、孔洞較大;w(硼酸)=4%改性涂料的殘?zhí)繉庸羌苤旅?但是沒有形成較大的孔洞,不能有效提高耐火極限;添加w(EG)=5%的涂料燃燒后的殘?zhí)繉?雖然獲得了較疏松的膨脹層,但炭層骨架疏松,力學(xué)性能稍顯不足;而同時用w(硼酸)=4%,w(EG)=5%改性涂料的殘?zhí)繉釉讷@得致密的骨架結(jié)構(gòu)的同時,又形成了均勻的“蜂窩”狀結(jié)構(gòu),有效地提高防火涂料的耐火極限。3膨脹炭層添加量(1)硼酸作為阻燃抑制劑在受熱時脫水生成最終產(chǎn)物B2O3,提高了炭層的殘?zhí)苛?當(dāng)添加為w(硼酸)=4%時,最終的殘?zhí)苛繛?9%,耐火極限時間為74min。(2)EG作為物理膨脹阻燃劑,膨脹后形成“蠕蟲”狀結(jié)構(gòu)穿插于膨脹炭