无机成膜剂对膨胀型钢结构防火涂料成膜及防火性能影响的研究
2021-07-01 12:40 浏览:162
刘承友 但建明 乔 浩 齐 誉 乔秀文 洪成林 李洪玲＊
（石河子大学化学化工学院，新疆兵团化工绿色过程重点实验室，省部共建国家重点实验室培育基地，材料化工新疆维吾尔自治区重点实验室，石河子８３２００３）
钢结构具有韧性好、强度高、质轻、施工方便等优点，被大量应用于建筑业，钢结构的应用也符合建筑工业化、绿色化的发展方向。但钢结构承载能力和结构强度会随温度的上升而迅速下降，根据ＩＳＯ ８３４中温度曲线，火灾现场的环境温度可在１５ｍｉｎ内升至５４０℃，钢结构在此温度下会迅速升温、强度下降，进而导致建筑物倒塌，造成人员伤亡和财产损失，故提高钢结构耐火性能至关重要。实践证明，在钢结构表面涂覆防火涂料是提高钢结构耐火性能直接有效的方法。
在钢结构防火涂料组成中，成膜剂（基料）是组成涂料的基础，对涂料性能起着关键性作用。首先，基料起粘结作用，把涂料中各个组分粘合成整体，涂料干燥成膜后形成涂层；其次，涂层遇火时，有机基料炭化分解形成炭化骨架层。根据涂料基料的不同可将钢结构防火涂料分为有机防火涂料和无机防火涂料，有机防火涂料多为膨胀型涂料，无机防火涂料多为非膨胀型涂料。目前，市场上防火涂料以有机膨胀型防火涂料为主。
有机膨胀型防火涂料通常选用聚磷酸铵作为酸源，三聚氰胺作为发泡剂，季戊四醇作为成炭剂，即传统的Ｐ－Ｎ－Ｃ膨胀体系。有机膨胀型防火涂料基料为合成树脂类有机聚合物，易老化降解，在防火时会排放大量有毒烟气，危害人类健康，同时污染环境。与有机防火涂料相比，无机防火涂料具有环保、价廉、防火时间长、耐老化等优点，采用大量无机防火材料可减少有毒烟气的排放。但无机防火涂料的粘结力差，大部分无机刚性材料变形较小，可能影响高温膨胀形态及防火性能，故选择适宜的无机成膜剂对无机防火涂料性能起着至关重要的作用。
依据泡沫玻璃的发泡原理，本研究以低熔点玻璃粉为无机膨胀型防火涂料的高温熔剂，以氢氧化铝等作为阻燃剂，可再分散乳胶粉为辅助粘结剂，固液混合硅酸钠为成膜剂，制备出既具有良好成膜性能，又具有优异防火性能的无机膨胀型钢结构防火涂料，为无机膨胀型防火涂料的研究提供理论基础。
１ 实验部分
１．１ 原料与仪器
可再分散乳胶粉，上海锴源化工科技有限公司；氢氧化镁、碳酸镁、氢氧化铝、碳酸钙、氧化铝，均为分析纯，均购自天津市致远化学试剂有限公司；低熔点玻璃粉，山西富宏矿物制品有限公司；磷酸三丁酯，分析纯，购自天津市北联精细化学品开发有限公司；固体硅酸钠，分析纯，购自天津市福晨化学试剂厂；液体硅酸钠，工业级，购自永清县聚利得化工有限公司；实验钢板，工业级，购自石河子建材市场。ＸＹ系列精密电子天平，常州市幸运电子设备有限公司；恒星球磨仪（ＰＭ１００型），德国莱驰公司；表面热电偶（ＮＲ－８１５３３Ｂ型），泰州利友电热有限公司；酒精喷灯，江苏联合教学设备有限公司；自制小室燃烧装置。
１．２ 实验方法
１．２．１ 涂料的基本组成
通过大量前期实验研究，确定的无机膨胀型超薄钢结构防火涂料基本配方如表１所示。
注：配方中各组分均为质量分数。
１．２．２ 基底钢板的预处理
用洗洁精清洗钢板（２００ｍｍ×１００ｍｍ×１ｍｍ）除去表面油渍后，将其放入体积分数５％的稀盐酸中浸泡３０ｍｉｎ除去表面铁锈，浸泡结束后取出，用去离子水洗去表面酸性物质，再经细砂纸打磨光滑，用去离子水洗净后，用吹风机将钢板吹干待用。
１．２．３ 防火涂料样品的制备与养护
根据配方称量固相组分，于球磨仪中研磨干混５ｍｉｎ，再称量液相组分，加入助剂和适量水，于球磨仪中研磨湿混１０ｍｉｎ，将所得涂料浆液静置３０ｍｉｎ后涂抹在预处理的钢板上，形成约１００ｍｍ ×１００ｍｍ的涂覆面，涂料层厚度为（３±０．１）ｍｍ，每个配方制备３个样品。
根据ＧＢ １４９０７—２００２《钢结构防火涂料》，样品在湿度６０％±５％、温度２５℃条件下进行养护，养护１４ｄ后测试样品的成膜性能及防火性能。
１．２．４ 涂料性能测定
（１）涂层干燥时间的测试
使用指触法测定涂层干燥时间。用手指轻轻触碰涂层表面，无黏粘，认为表面干燥。
（２）涂层外观
按ＧＢ／Ｔ ９７７９—１９８８检测涂层外观，目测检查常温养护中涂层表面形态并拍摄照片，有无裂纹出现，利用九宫格法计算裂纹数。
（３）防火性能测试
通过自制小室燃烧装置对样品进行耐火时间测试。使用酒精喷灯对涂覆涂料的钢板进行灼烧，火焰温度１０００℃以上，距离涂层５ｃｍ，以模拟火灾现场温度，然后观察记录钢板背面的温度，实验时间６０ｍｉｎ，每隔３ｍｉｎ记录一次温度，以钢板背面高温度、膨胀倍数及灼烧后形态判定涂料的耐火能力。