摘要：以丙烯酸類乳液為成膜物質(zhì)，以季戊四醇、三聚氰胺、聚磷酸銨與無機(jī)增強(qiáng)填料作為阻燃體系，制備了水性超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。采用模擬大板燃燒法對防火涂料的耐火性能進(jìn)行了研究，系統(tǒng)考察了乳液種類、顏基比以及無機(jī)填料對防火性能的影響，確定了無機(jī)填料的最佳用量。研究結(jié)果表明：以硅丙乳液作為基料樹脂，當(dāng)體系顏基比未3.5以及珍珠巖的添加量為7%時(shí)，防火涂料的耐火時(shí)間能達(dá)到128.7min；珍珠巖與炭質(zhì)層的生成具有明顯的協(xié)同效應(yīng)，這大大提高了炭質(zhì)層的強(qiáng)度，而且還表現(xiàn)出顯著的隔熱效果。

關(guān)鍵詞：水性超薄型防火涂料，丙烯酸乳液，無機(jī)填料，珍珠巖，顏基比，耐火時(shí)間

隨著社會(huì)城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，鋼結(jié)構(gòu)由于其自身質(zhì)量輕、力學(xué)性能優(yōu)異、施工方便等優(yōu)點(diǎn)在建筑領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性強(qiáng)，耐火性能差，在自身達(dá)到540℃的臨界溫度后，其機(jī)械強(qiáng)度會(huì)急劇下降，從而導(dǎo)致建筑物不能承重而坍塌，因此，需要對鋼結(jié)構(gòu)采取防火保護(hù)措施，而在鋼結(jié)構(gòu)上涂覆一層防火涂料是一種既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的方法|1 q!。目前，市場上銷售的多為溶劑型防火涂料，水性防火涂料的市場化還不成熟。但是，從節(jié)能環(huán)保和保護(hù)人身安全的角度來看，水性防火涂料的研發(fā)與推廣將是今后的必然趨勢[4。本研究以丙烯酸類乳液為成膜物質(zhì)，以非鹵膨脹體系和增強(qiáng)填料

為阻燃體系，制備出了一種高效的水性超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，并系統(tǒng)地考察了影響防火涂料耐火性能的各方面因素。

1  實(shí)驗(yàn)部分

1.1  主要原料

聚磷酸銨(APP)：工業(yè)品，云南天耀化工有限公司生產(chǎn)；三聚氰胺(MEL)：工業(yè)品，濟(jì)南金盈泰化工有限公司生產(chǎn)；季戊四醇(PER)：工業(yè)品，青島新材料科技工業(yè)園發(fā)展有限公司生產(chǎn)；珍珠巖：工業(yè)品，黎明珍珠巖保溫材料廠生產(chǎn)；硅藻土：長白縣青山源硅藻土有限公司生產(chǎn)；其余原料、助劑均為市售。

1.2主要儀器

JSF-400型攪拌砂磨分散多用機(jī)：上海普申化工機(jī)械有限公司；熱電偶：河南豫華儀器有限公司；酒精噴燈：洛陽金瀾教學(xué)儀器設(shè)備有限公司。

1.3水性超薄型防火涂料的制備

將一定量的水、分散劑、消泡劑等助劑加入分散罐中，在攪拌過程中加入阻燃體系與增強(qiáng)填料，以3500 r/min高速分散30 min后，加入丙烯酸乳液，以800 r/min的轉(zhuǎn)速低速分散20min后出料，即得水性超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。

1.4測試與表征

1.4.1防火樣板的制備

將120 mm×50 mm×0.5 mm鋼板去銹，除油，噴涂一層約50 m的防銹底漆，然后用刷筆將涂料分若干道涂在已處理過的鋼板上，具體操作是：先涂刷第一道涂層，等表干后，再涂刷第二道，總共涂刷7～8遍，直到涂膜厚度達(dá)到(1.8±0.2) mm為止。將樣板水平放置，干燥養(yǎng)護(hù)7d后進(jìn)行耐火測試。

1.4.2防火涂料耐火時(shí)間的確定

模擬大板燃燒法，采用自行設(shè)計(jì)的簡易耐火裝置。用試管夾夾住樣板，涂層朝下，酒精噴燈的噴口對準(zhǔn)樣板的中心位置，噴口距樣板的垂直距離約為7cm。樣板的背面中心位置與熱電偶接觸，考察鋼板背面溫度的變化；并在熱電偶傳熱桿的上方壓一木塊，保證熱電偶的接觸點(diǎn)與鋼板緊密接觸。待酒精噴燈火焰穩(wěn)定后，移至樣板的下方，同時(shí)開始用秒表記錄時(shí)間。鋼板背溫達(dá)到280℃所用的時(shí)間即為防火涂料的耐火時(shí)間。

2結(jié)果與討論

2.1防火涂料乳液種類的選擇

丙烯酸樹脂具有耐候性能好、附著力高等優(yōu)點(diǎn)，不同類型的丙烯酸基料樹脂由于結(jié)構(gòu)上的差異會(huì)產(chǎn)生不同的耐火性能^[5-6]。同時(shí)，有研究學(xué)者還將Si、P等元素引入到樹脂中，改性后的丙烯酸樹脂將自身具有一定的阻燃作用，將它應(yīng)用到防火涂料中，也能對防火涂料起到積極的作用^[7]。為此，在實(shí)驗(yàn)中考察了5種不同的丙烯酸類乳液對涂層耐火性能的影響，并對膨脹炭質(zhì)層的形態(tài)與結(jié)構(gòu)作了觀察與記錄，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表l所示。

從表1可以看出，以上述5種不同的丙烯酸乳液作為成膜物質(zhì)都具有較為理想的發(fā)泡效果，其膨脹倍率都能達(dá)到15倍左右，其中以純丙乳液d為基料，涂層膨脹倍率甚至能達(dá)到18倍，這說明丙烯酸乳液與膨脹阻燃體系具有一定的匹配性；但是，以苯丙乳液和純丙乳液為基料，在遇火灼燒的過程中發(fā)現(xiàn)涂層與鋼板底材都會(huì)有不同程度的分離或者具有脫落現(xiàn)象，這一方面是由于這兩種基料樹脂的軟化點(diǎn)較低，且與膨脹阻燃體系( PER、MEL、APP)三者的分解溫度相差很大，當(dāng)涂層遇火灼燒時(shí)，膨脹阻燃體系還未完全脫水、炭化，形成致密炭質(zhì)層，涂層就已開始軟化，成“沸騰狀”，從而導(dǎo)致其高溫附著力較差；另一方面，在膨脹炭質(zhì)層內(nèi)部存在較大的氣孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)灼熱的火焰氣流不斷沖擊炭質(zhì)層表面時(shí)，炭質(zhì)層首先被氧化成白色的無機(jī)層，之后被火焰擊穿而導(dǎo)致小面積脫落；但是由于都是部分脫落，底部仍殘留一層致密的隔熱耐火層，起到脫落后期防火作用，延長了耐燃時(shí)間。而以硅丙乳液為基料，當(dāng)涂膜遇火灼燒時(shí)，一般是硅原子上的有機(jī)基團(tuán)發(fā)生氧化斷裂分解，形成的無機(jī)硅氧主鏈結(jié)構(gòu)能使它與底材在高溫時(shí)緊密結(jié)合，而不會(huì)發(fā)生分離現(xiàn)象。因此，從炭質(zhì)層的形貌結(jié)構(gòu)和耐燃時(shí)間來看，硅丙乳液可以作為較為理想的成膜物質(zhì)。

2.2顏基比對防火涂料防火性能的影響

在涂料中，顏料與基料是重要的組成部分，在顏料和基料已經(jīng)確定的條件下，涂層的結(jié)構(gòu)與性能往往取決于兩者之間的比值。從膨脹阻燃機(jī)理來看^[8]，顏基比太高或者太低都不利于涂膜達(dá)到最佳的綜合性能，因此，在防火涂料的配方設(shè)計(jì)中，顏基比往往存在一個(gè)臨界平衡值，當(dāng)顏基比達(dá)到這個(gè)數(shù)值時(shí)，防火涂料具有最佳的耐火性能。為此，本實(shí)驗(yàn)考察了顏基比對防火涂料耐火性能的影響，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2和圖l所示。

從表2可以看出，隨著顏基比的增加，膨脹炭質(zhì)層的膨脹高度、炭化體積以及炭層強(qiáng)度都有逐漸增大增強(qiáng)的趨勢，這是因?yàn)殡S著顏基比的增加，顏填料不斷增加，膨脹阻燃體系在涂料中的含量也不斷提高，這必然導(dǎo)致涂膜將具有更多成炭的物質(zhì)基礎(chǔ)，因而遇火能表現(xiàn)出更佳的膨脹效果，產(chǎn)生更多的炭化物，也使得炭質(zhì)層愈發(fā)堅(jiān)固，抵御火焰氣流的沖擊。從圖l可以看出，耐燃時(shí)間與顏基比的關(guān)系曲線成單峰狀，即隨著顏基比的增加，耐燃時(shí)間經(jīng)歷了一個(gè)先增大后減小的過程，當(dāng)P/B=3.5時(shí)，耐燃時(shí)間達(dá)到峰值。這主要是因?yàn)楫?dāng)顏基比較小時(shí)，基料樹脂的含量過大，其一方面會(huì)抑制涂膜的膨脹發(fā)泡，另一方面也會(huì)使涂層在遇到火焰灼燒時(shí)易發(fā)生熔融墜落，同時(shí)，膨脹阻燃體系含量過低，這些因素共同造成涂膜在較低顏基比時(shí)的耐火性能不理想。但是，顏基比過高時(shí)，基料樹脂的含量過低，會(huì)降低涂膜與底材的附著力，在遇火高溫時(shí)與底材發(fā)生分離，而且過少的樹脂也難以捕捉到發(fā)泡的氣體，在炭質(zhì)層中易形成較大的泡孑L，同時(shí)，膨脹阻燃體系過多，一方面發(fā)泡迅速，會(huì)使得炭質(zhì)層更加密實(shí)、厚重，但是也會(huì)讓涂層在高溫時(shí)的附著力降低，從而影響其耐火性能。因此，存在一個(gè)合適的顏基比，基料樹脂與膨脹阻燃體系的比例匹配，能使涂層具有最佳的耐火時(shí)間。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)P/B=3.5時(shí)，涂層的耐火時(shí)間達(dá)到最佳值。

2.3不同填料的影響

膨脹型防火涂料中少量的無機(jī)填料，對炭質(zhì)層內(nèi)部的泡孑L分布、泡徑分布、炭質(zhì)層的膨脹效果以及其強(qiáng)度等都有著很大的影響，從而影響到防火涂料的耐火性能。目前國內(nèi)外對眾多阻燃協(xié)效填料都做了大量的研究，發(fā)現(xiàn)可膨脹石墨、絹云母都能提高炭層強(qiáng)度，從而增強(qiáng)耐火性能^[9-10]。此外，將納米粒子引入到防火涂料中，也顯著提高了其防火性能^[11]。

在本次試驗(yàn)中，重點(diǎn)考察了幾種新型的具有阻燃耐火功能的填料對防火涂料的影響，即保持配方中其余組分的用量不變，僅改變填料的種類，比較了它們的炭質(zhì)層的結(jié)構(gòu)與形貌狀況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3和圖2所示。

結(jié)合表3和圖2可以看出，添加不同無機(jī)填料對防火涂料耐火性能的影響具有明顯的差異。玻璃微珠的加入使得防火涂料在耐火階段的前期、中期表現(xiàn)出良好的隔熱效果，這是因?yàn)椴Ａ⒅楸旧淼亩嗫捉Y(jié)構(gòu)就具有隔熱作用，大量的玻璃微珠在一起就形成了隔熱層，延緩鋼板背溫的上升；但是玻璃微珠對炭質(zhì)層強(qiáng)度的提高不是很明顯，并且降低了膨脹高度，這可能是因?yàn)樗鼘μ抠|(zhì)層的膨脹具有一定的抑制作用，造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)有點(diǎn)疏松，因此炭層逐漸被擊穿造成后期鋼板背溫迅速升高。玻璃粉的加入進(jìn)一步降低了炭質(zhì)層的膨脹高度，但是卻提高了炭質(zhì)層的強(qiáng)度，這是因?yàn)椴ＡХ墼诟邷叵聲?huì)發(fā)生熔融，覆蓋在炭質(zhì)層中起到粘附作用，提高了炭質(zhì)層的致密程度和強(qiáng)度，起到了高溫隔熱的作用。硅藻土同樣具有多孔隔熱作用，因此鋼板背溫在防火早期升溫較慢，但是硅藻土的加入?yún)s使炭質(zhì)層表面有裂紋且結(jié)構(gòu)疏松，這是因?yàn)楣柙逋敛荒苡行У卦鰪?qiáng)炭質(zhì)層的強(qiáng)度，造成氣體從內(nèi)部急劇沖出，使得炭層表面開裂、不平整，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不緊湊。葉臘石和斜綠泥石都是耐火材料，它們的加入都表現(xiàn)出在高溫具有較好的隔熱防火性能，但是加入葉臘石與加入斜綠泥石相比，葉臘石的加入降低了膨脹高度，提高了炭質(zhì)層的強(qiáng)度，延長了耐燃時(shí)間，這可能是因?yàn)槿~臘石對炭層具有強(qiáng)烈的增強(qiáng)作用，不但提高其強(qiáng)度，并且提高了與底材結(jié)合程度，增強(qiáng)了耐燃效果；而斜綠泥石卻不能有效地提高炭層強(qiáng)度，造成炭層在灼燒過程中發(fā)生脫落，降低了耐火效果。而加入膨脹珍珠巖，炭層強(qiáng)度堅(jiān)硬，內(nèi)部厚實(shí)、致密，在灼燒過程中沒發(fā)生脫落，這是因?yàn)檎渲閹r一方面具有隔熱耐火作用，有助于提高耐燃時(shí)間；另一方面，珍珠巖在高溫下也能發(fā)生膨脹，它們穿插在炭層結(jié)構(gòu)中，增強(qiáng)了炭層的致密性。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇珍珠巖作為防火涂料的增強(qiáng)填料。

2.4珍珠巖的用量對耐火性  能的影響

在膨脹型防火涂料里，無機(jī)填料的用量會(huì)直接影響到炭質(zhì)層的膨脹效果、炭層強(qiáng)度、炭層形態(tài)等。加入少量的填料可以顯著提高炭層的強(qiáng)度，提高耐火極限；但是，若是填料加入過量，會(huì)對炭層產(chǎn)生嚴(yán)重的抑制作用，從而大大降低了耐燃時(shí)間。

本次試驗(yàn)著重考察了珍珠巖的用量對防火涂料耐火性能的影響，按照珍珠巖所占涂料體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1%、3%、5%、7%、9%、11%從，分別制備了6組涂料，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4。

從表4可以看出，當(dāng)珍珠巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、3%時(shí)，防火涂料受火焰灼燒都會(huì)出現(xiàn)鼓大泡、易脫落的現(xiàn)象，這是因?yàn)檎渲閹r的用量過低，致使阻燃體系的發(fā)泡速率要遠(yuǎn)大于珍珠巖的抑制作用，因此在炭層內(nèi)部極易形成大泡孔降低耐燃時(shí)間。而當(dāng)珍珠巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、7%、9%時(shí)，防火涂料都能達(dá)到較為理想的耐火效果，這是因?yàn)榇藭r(shí)珍珠巖起到了較好的增強(qiáng)作用，使得炭層緊湊，而且發(fā)泡速率與珍珠巖的抑泡作用達(dá)到基本平衡，所以炭層內(nèi)部孔徑均一且呈密實(shí)蜂窩狀。但是，當(dāng)珍珠巖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到11%時(shí)，防火涂料在灼燒過程中會(huì)發(fā)生大面積脫落，脫落的涂膜表面有大量呈沸騰狀的鼓泡，這可能是因?yàn)檎渲閹r的添加量過多，它對炭層的膨脹有過強(qiáng)的抑制作用，造成氣體在炭層內(nèi)部積聚，當(dāng)氣體累積到一定程度時(shí)，內(nèi)部過高的氣壓將使氣體沖落涂層，因此嚴(yán)重降低了防火效果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，珍珠巖的添加量在5%～9%能使防火涂料具有優(yōu)異的防火性能。

3結(jié)語

(1)實(shí)驗(yàn)對比了5種不同類型的丙烯酸乳液，發(fā)現(xiàn)以硅丙乳液作為防火涂料的成膜物質(zhì)，它在遇火焰高溫時(shí)能與底材緊密結(jié)合，與阻燃體系相匹配，具有優(yōu)異的防火效果。

(2)當(dāng)防火涂料體系的顏基比P/B=3.5時(shí)，防火涂料耐火性能最佳。

(3)對比7種無機(jī)填料，添加珍珠巖能有效增強(qiáng)炭層強(qiáng)度、提高耐燃時(shí)間。

(4)當(dāng)珍珠巖的添加量在5%～9%時(shí)，防火涂料耐火性能最佳。