贝壳粉对饰面型防火涂料阻燃性能的影响分析
胡箫，王亚东，叶继红，李柯萱( 浙江海洋学院石化与能源工程学院，浙江舟山316022)
2 测试结果分析
2. 1. 2 贝壳粉浓度对失重的影响
2. 2 测试板表象分析
浙江省舟山市嵊泗县是驰名中外的“贻贝之乡”，贻贝养殖加工已成为舟山群岛新区海洋经济的一个重要经济支柱产业。舟山群岛新区的设立，对发展海洋经济起到了模范作用，探索可持续发展战略，成为这个海滨城市的主要发展目标。但其各种废弃物已不可避免的成为可持续发展应该优先考虑的因素。
随着人们安全消防意识的不断提高，防火涂料被广泛使用。膨胀型防火涂料，其常温下成膜后与普通漆膜无异。但在火焰或高温的作用下，可以有效降低基材表面通过膨胀炭层传递到的热量，从而使基材得以较好的保护。
优质贝壳粉具有防火阻燃的功效，因此，试着将这两种材料混合，把贝壳粉特有的性能有效的应用到防火涂料中，本文探究贝壳粉对防火涂料性能的影响，并找出贝壳粉与防火涂料对防火性能的佳配比范围。
1 材料的主要成分及准备
1. 1 材料主要成分分析
废弃的贻贝的主要成分为95%碳酸钙和少量的壳质素。一般可分为3 层，外层是黑角质层( 壳皮) ，褐色、薄而透明，能防止被碳酸侵蚀; 中层为棱柱层( 壳层) ，较厚，由外套膜边缘分泌的棱柱状的方解石构成; 内层为珍珠层( 底层) ，由外套膜表面分泌的叶片状霰石( 文石) 叠成，其中方解石和霰石的主要化学成分为碳酸钙( CaCO3)。
TAPN － 01 膨胀型防火涂料耐火成分主要有: 聚林酸氨，氨三聚氢氨，季戊四醇，氯化石蜡，钛白粉，丙烯酸乳液，聚醋酸乳液，防沉剂等，其中不含石棉、甲醛类等挥发性有害物质。膨胀型防火涂料在较高温度下生成一层稳定的难燃性炭质覆盖层，或者分解生成泡沫状物质，覆盖于木材的表面。从宏观上看，这种难燃性炭质覆盖层的形成对木材的防火阻燃性能有以下四种作用:
( 1) 隔断外界火焰和热量对木材的继续燃烧和热辐射作用;
( 2) 防火涂料层的软化、溶解、受热膨胀等过程产生的物理变化，以及涂料中各组分的化学反应，都会吸收大量的热量，从而降低了火焰对木板的表面温度，延长了火焰传递时间;
( 3) 难燃性炭质覆盖层覆盖在木板的表面，使木材因热分解而生成的可燃性烟气难以逸出，阻止这些可燃性气体与空气接触发生燃烧事故，减缓木材受高温氧化时被降解的速度。
1. 2 贝壳粉在防火涂料中应用的原理
干贝壳粉在隧道炉中以900 ～ 1 000 ℃温度煅烧，会发生分解反应，其煅烧所得产物主要为生石灰，即氧化钙( CaO) ，以及产生大量二氧化碳，从而降低了在燃烧炉中氧气的浓度，使测试板在燃烧的过程中不能充分燃烧，降低了火焰燃烧程度。贝壳粉煅烧反应式如下:
在煅烧过程中，温度高低与煅烧时间过长过短，都会影响贝壳粉的分解。表1 中记录测试过程中各组试板前4 min 内火焰平均燃烧温度，以及在关闭燃气开关阀第5 min 时的火焰温度。
由表1 可知，测试中的温度控制在900 ～ 1 000 ℃之间，碳酸钙能充分分解生成氧化钙及二氧化碳。
1. 3 测试准备
实验采用隧道燃烧法测试火焰传播性能、阻火性能和耐火性能。实验前把隧道炉和控制记录箱平稳放在牢固的工作台上，安装好仪器。实验前首先调节喷灯火焰温度，使火焰呈蓝色状态，温度记录仪控制在( 900 ± 20) ℃为宜。试板表面平整光滑、木质基材表面无节疤、无缺陷、纹理与长度方向一致，木板的规格为长600 mm、宽90 mm、厚6 ～ 8 mm。橡木板的规格为长600 mm、宽90 mm、厚8 ～ 10 mm。五层胶合板的规格为长600 mm、宽90 mm、厚6 ～ 8 mm。试板在涂防火涂料之前应在温度( 25 ± 1) ℃，相对湿度60% ～ 70%的条件下调节恒重。
实验仪器具体见表2。
实验仪器具体见表2。
实验使用的贝壳为贻贝粉，实验前先把贻贝洗干净，置于烘箱中烘干，用碾磨器磨碎，用200 目左右筛子筛除比较大的颗粒，把筛选好的贝壳粉放于密闭容器中，防止其重量和性能发生改变。实验中，先开启燃气开关阀，点燃燃料气调整燃气供给量。液化石油气供给量为860 mL/min。初始空气供给量以火焰内部发蓝，中部火焰温度达到约900 ℃左右为宜。保持隧道炉系统此刻的工作状态，各阀门的位置不变，关闭燃气开关阀，停止液化石油气的供给。将处理过的石棉标准板的光滑面向下，放置在试板支架内，再盖上绝热盖板。开启液化石油气准备供气，点燃液化石油气的同时启动记时仪。观察喷灯火焰沿试件底侧面扩展的情况，每隔15 s 记录火焰前沿达到的长度值，直至4 min 末停止记录。试验进行至5 min 时，关闭液化石油气开关阀，依次取下盖板和试件。取相邻三个火焰前沿达到的长度大值为高火焰传播读数，取这三个数据的平均值，即为石棉试板的火焰传播值，同理，测出橡木板的火焰传播值。
使用五层胶合板测试贝壳粉防火涂料，贝壳粉与防火涂料的配比一共采用7 个浓度梯度，各浓度0%、1%、3%、5%、7%、10%、15%，每个浓度使用5 块相同试板。涂在试板上的混合液料按照500 g /m2 涂覆。实验过程中的具体步骤与测试石棉板火焰传播值的步骤一样。因数据比较多，限于篇幅，所以下表中只列举了各组数据的平均值，具体数据见表3。
2. 1 测试数据分析
2. 1. 1 贝壳粉浓度对火焰传播比的影响
从图1 可以看出，贝壳粉的加入会对火焰传播比产生一定的影响。首次实验的贝壳粉含量分别是5%、10%、15% 进行。测试结果发现，随着贝壳粉浓度的增加，火焰传播比随浓度的增加而降低，数据中，只有浓度为5% 的测试组的火焰传播比低于纯防火涂料，所以5% 的配比有效，10%、15% 对防火性能会有阻碍作用。所以在第二次测试时，分别设置浓度梯度在5%左右，依次是1%、3%、7%。发现当浓度在3% ～ 5% 之间，贝壳粉防火涂料的防火性能有很大程度的提高; 当浓度为7. 8%左右时防火性能与纯防火涂料相接近，当浓度大于7. 8%时，防火性能会随着贝壳粉的加入而降低。
2. 1. 2 贝壳粉浓度对失重的影响
从图2 可以看出，贝壳粉的加入会对测试板碳化失重产生一定的影响。实验中发现贝壳粉含量以5%、10%、15% 进行时，随着贝壳粉浓度的增加，测试板失重量随浓度的增加而增加。而且数据中只有浓度为5% 的测试组的测试板失重量低于纯防火涂料，所以5% 的配比有效，10%、15% 增加火焰对木材的燃烧作用，木材失重严重，所以在第二次测试时，分别设置浓度梯度在5%左右。依次是1%、3%、7%，发现当浓度在3% ～ 5%之间，贝壳粉浓度对测试板失重的影响较小，防火性能有很大程度的提高，所以适当增加贝壳粉的浓度会增强防火性能。当浓度为10%，测试板的失重接近纯防火涂料的，随着贝壳粉的不断加入测试板的失重在不断增加，防火性能不断降低，会导致防火性能降低。综上得出，贝壳粉与防火涂料的配比小于10%时，对防火性能有积极地作用。
2. 1. 3 贝壳粉浓度对平均碳化体积的影响
从图3 可以看出，贝壳粉的加入会对木材碳化体积产生一定的影响。实验中发现贝壳粉配比以5%、10%、15% 进行时，随着贝壳粉浓度的增加，碳化体积随贝壳粉浓度的增加而增加，所测结果中发现，当贝壳粉配比浓度为5%、10% 测试组的碳化体积低于纯防火涂料，所以5%、10% 的贝壳粉配比实验组有效，15%的贝壳粉浓度会增加火焰对木材的燃烧作用，导致碳化严重。所以在第二次测试时，分别设置浓度梯度在5%和10%左右，依次是1%、3%、7%。发现当贝壳粉浓度在3% ～ 5%之间，对碳化体积影响较小，木材防火性能有很大程度的提高; 当贝壳粉浓度大于12%左右的时候，贝壳粉的加入会对防火涂料的性能产生负面影响。
2. 2 测试板表象分析
涂有0%、1%、3%、5%、10%、15% 贝壳粉的防火涂料，燃烧后火焰灰烬的照片如图4 ～ 图6 所示。
2. 3 图像分析
经过测试，计算出每组浓度梯度试板的平均火焰长度，平均火焰传播比值，平均失重及平均碳化体积，后根据防火涂料性能表得出防火涂料的防火等级，如表4 所示。
从表4 和图1 ～ 图3 中可以得出，当贝壳粉浓度小于10%的时候防火性能保持在一级，但是当贝壳粉浓度超过10% 发现随着贝壳粉的加入，会导致防火涂料在防火阻燃方面的性能有所减弱。
具体原因分析:
( 1) 虽然贝壳粉燃烧后产生的二氧化碳和氧化钙能提高防火涂料的性能，但是当配比浓度高于7. 8% 时，木板上单位面积的防火涂料量减少，燃烧后形成的碳化层变薄，火焰传播的面积变大，导致碳化体积变大，木板被破坏的程度越深，使防火性能的降低。
( 2) 当贝壳粉加入浓度过小的时候，防火涂料中贝壳粉的含量几乎没有，比如测试中贝壳粉浓度为1% 的测试组，贝壳粉高温分解产生的二氧化碳和氧化钙的量太少，不会对结果产生影响。
3 结论
( 1) 贝壳粉与防火涂料的大配比浓度为7. 8%，一旦超过7. 8%贝壳粉会对防火涂料的火焰传播值产生负面作用降低防火涂料的防火性能。
( 2) 贝壳粉的浓度不能小于3%，否则不会对防火性能产生任何效果。
( 3) 当贝壳粉的配比浓度在3% ～ 5%之间的时候，混合涂料的的防火性能好，实际应用中控制贝壳粉配比浓度在3% ～5%为宜。
