超薄钢结构水性防火涂料的研制及耐火性能
张爱黎, 刘万鹏, 辛转红, 高 虹
(沈阳理工大学环境与化学工程学院, 辽宁沈阳 110168)
0 前 言
目前, 钢结构防火涂料朝着多功能、阻燃性、环保友好方向发展 。钢结构水性防火涂料降低了涂料成本, 保护了环境, 是极佳的环保型涂料 。超薄膨胀型钢结构防火涂料具有装饰性好、质量轻薄、便于施工、适应范围广等优点, 不仅适用于大型承重钢结构, 也适用于表面积较小的非承重型结构, 是未来的发展方向之一 。环氧树脂提高丙烯酸酯涂膜的粘接能力, 而苯丙乳液具有更强的发泡能力。本工作以水为溶剂,采用环氧丙烯酸乳液和苯丙乳液组合作基料, 添加无卤化阻燃剂制备了超薄型钢结构水性防火涂料, 考察了基料、膨胀阻燃体系的优化条件, 并对优化条件下所得涂料的耐火性能进行了研究。
1 试 验
1.1 试验材料和仪器
以环氧改性丙烯酸乳液和苯丙乳液为基料;聚磷酸铵(ＡＰＰ), 季戊四醇(ＰＥＲ), 三聚氰胺(ＭＥＬ), 钛白粉(ＴｉＯ2), 可膨胀石墨(100目), 丙二醇等;ＳＤ-202水性消泡剂;分散剂ＳＫ-5040;ＫＦＤ-1000金属清洗剂;以上均为工业品。研体, 钢片, 煤气喷灯;ＳＤＴ2960ＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＤＳＣ-ＴＧＡ差热-热重联用分析仪。
1.2 防火涂料的制备
1.2 防火涂料的制备
将表1中的固体粉末置于ＳＥＪ-400型高速分散机中均匀研磨30 ｍｉｎ, 至规定细度放入烧杯中;将水和助剂依次加入其中, 后加入基料乳液, 搅拌约30 ｍｉｎ后, 常温下密封, 静置24 ｈ即得到防火涂料。
注:助剂由ＳＤ-202水性消泡剂, 分散剂ＳＫ-5040, 助溶剂丙二醇组成, 含量分别为0.5%, 1.0%, 0.5%。
1.3 涂层的制备
用500, 1 000号砂纸分别将80ｍｍ ×80 ｍｍ ×1ｍｍ的Ｑ235钢片打磨至光亮, 用3% ＫＦＤ-1000金属清洗剂溶液于80 ℃清洗30 ｍｉｎ后取出, 烘干, 备用。将防火涂料充分搅拌后, 用毛刷涂覆在Ｑ235钢片的打磨面上, 每次涂覆0.3 ～ 0.5 ｍｍ, 保持表面均匀光滑, 待涂层表干后涂覆下一次, 控制终涂膜厚度不超过3ｍｍ, 涂覆比约为0.15 ｋｇ/ｍ2 。将涂好的试片平置, 放入烘箱(25 ℃)内干燥。
1.4 耐火性能测试
采用垂直燃烧方法进行简易评价 , 这也是防火涂料研究的通用方法。
2 结果与讨论
2 结果与讨论
2.1 基料配比对耐火时间的影响
2.1.1 乳液复配比例
苯丙乳液做基料膨胀发泡好, 但结构疏松, 空气对流强时易吹落;环氧改性丙烯酸乳液做基料, 附着力优异, 结构坚硬致密, 但膨胀发泡高度不够。将二者结合则能克服缺点, 突出优点。表2表明, 苯丙乳液与环氧改性丙烯酸乳液用量质量比为2 ∶1时, 涂料的耐火时间长, 发泡好, 炭层坚硬致密。
2.1.2 基料树脂用量
由图1可见, 基料树脂用量对防火涂料的耐火性能有很大影响:树脂用量(质量分数)为15% ～ 25%时,耐火时间延长;继续增加用量, 耐火时间反而缩短。其原因是树脂用量少, 不能起到和基材粘结的作用, 形成的炭质层容易脱落;树脂用量过多时, 膨胀阻燃体系含量减少, 不能形成很好的炭质层。因此, 适量的基料树脂能保证很好的耐火性能。基料佳用量为25%。
2.2 Ｐ-Ｃ-Ｎ膨胀阻燃体系配比对耐火时间的影响
保持防火涂料其他组分比例不变, 以膨胀阻燃体系中ＡＰＰ, ＰＥＲ, ＭＥＬ为影响因素, 采用Ｌ9 (34 )正交表设计试验(表3), 以耐火时间为考核指标, 试验结果见表4。由表4可知, 所得的较优水平为Ａ3Ｂ1Ｃ3 , 即ＡＰＰ佳用量25.0%, ＰＥＲ佳用量10.0%, ＭＥＬ佳用量15.0%。根据极差的大小, 可知影响的主次顺序为ＰＥＲ 3ＡＰＰ3 ＭＥＬ。按佳配方所得防火涂料耐火时间达到87ｍｉｎ。
2.3 不同填料的ＴＧ分析
在膨胀型防火涂料中随无机填料用量的增加, 涂膜发泡效果下降;不加填料, 炭质层灼烧严重, 残留物降低, 耐火性能下降。通过单因素试验研究了填料在涂料中的佳用量, 结果表明, ＴｉＯ2 占涂料总质量8.0%, 石墨占0.6%时, 防火涂料的耐火性能佳, 耐火时间达到1.5 ｈ。图2为4种防火涂料的ＴＧ曲线对比。图2表明, 防火涂料的涂层在升温分解过程中经历了2个阶段 :阶段的质量损失是由于防火涂料基料的分解和膨胀阻燃剂之间的化学反应产生不可燃气体和水分挥发溢出, Ａ, Ｂ, Ｃ, Ｄ的ＴＧ曲线中, 阶段质量损失的温度在200 ～ 450 ℃, Ａ曲线化学反应强烈, 质量损失达到60%;Ｂ, Ｃ曲线质量损失相近, 达到55%, Ｄ曲线质量损失仅为45%。以上情况说明添加无机阻燃剂能提高防火涂料的耐火性能。第二阶段的质量损失是由于炭化层的氧化消耗所致, 温度达到450 ℃以后, ＴＧ曲线都趋于平缓, 曲线Ｄ下降速率明显低于Ａ, Ｂ, Ｃ曲线;接近900 ℃高温时, 曲线Ｄ的质量损失明显小于曲线Ａ, Ｂ, Ｃ, 仅为60%, 而Ａ的质量损失到达83%。这说明添加无机阻燃剂后能降低炭化层的氧化消耗, 提高防火涂料的耐火性能。
2.4 防火涂料的ＴＧＡ-ＤＴＡ分析
涂料的ＴＧＡ-ＤＴＡ分析见图3, 可见防火涂料受热后失重不明显, 归因于制备试样时水分已被烘干;160℃开始试样失重明显, 182 ℃形成一个吸热峰, 这是ＰＥＲ发生晶型转变及树脂熔融相变引起的, 这时ＡＰＰ开始分解并与ＰＥ发生反应生成酯, 并释放出少量ＮＨ3 , 树脂基体开始软化, 变得黏稠;少量气体的释放带走部分热量, 形成205 ℃放热峰;210 ～ 270 ℃为树脂及ＰＥＲ少量受热分解放出水等小分子物质引起约10%的失重, 229 ℃附近产生一个小吸热峰;350 ℃有个放热峰, 说明ＭＥＬ加速分解;405 ℃形成一个放热峰, 体系中有ＮＨ3 , ＣＯ2 , Ｈ2Ｏ气体释出, 生成的酯进一步脱水炭化;600 ℃以后, 基本是炭化层氧化, 无大的放热峰。
从ＴＧ曲线可看出, 失重温度在200 ～ 500 ℃时, 失重率达到45%, 这个过程是涂料挥发作用的主要阶段,先是ＭＥＬ热分解, 放出不可燃气体, 随着ＡＰＰ分解为聚偏磷酸铵对ＰＥＲ作用, 形成碳骨架;500 ℃以后, 体系一直有微弱失重, 这是由于炭化层在热氧化条件下生成ＣＯ2 释出。
3 产品性能
参照ＧＢ 14907 -2002《钢结构防火涂料通用技术条件》对研制的水性超薄型钢结构防火涂料的性能进行了检测分析, 结果见表5。
4 结 论
(1)以水为分散介质, 用环氧改性丙烯酸乳液和苯丙乳液复合作为基料, 以ＡＰＰ, ＰＥＲ, ＭＥＬ为阻燃剂并加入ＴｉＯ2 及可膨胀石墨无机阻燃剂制备超薄膨胀型钢结构防火涂料, 涂层厚度不超过3 ｍｍ即具有较好的防火性能。
(2)无机阻燃剂ＴｉＯ2和可膨胀石墨与Ｐ-Ｃ-Ｎ组成的膨胀体系混合能提高超薄膨胀型钢结构防火涂料的耐火性能。
(3)防火涂料的耐火时间随复合基料的比例、用量、膨胀体系质量分数的增加呈先上升后下降的趋势,基料占25%, 膨胀阻燃剂ｍ (ＡＰＰ)∶ｍ (ＰＥＲ)∶ｍ(ＭＥＬ)为5 ∶2 ∶3, 无机阻燃剂用量为9%左右时, 防火涂料的耐火性能佳。
