粉煤灰对钢结构阻燃涂料的影响
郝炯，刘英炎，谭小群，邓建麟，甘林儒(北京理工大学珠海学院化工与材料学院广东 珠海 519085)
1 前言
膨胀型钢结构阻燃涂料广泛施涂于建筑物和构筑物钢结构构件表面，能形成耐火隔热保护层，以提高钢结构耐火极限。涂料的阻燃体系多采用的是P-N-C 膨胀阻燃体系，加以无机耐火材料(SiO2、A12O3 等)匹配。降低钢结构阻燃涂料遇火时释放的毒性气体及烟雾，是阻燃涂料的研究热点之一。抑烟剂是一种消除材料在燃烧中产生的烟雾和有害气体的化合物，通过特殊的化学作用，能够使阻燃材料在燃烧时的生烟量降低，同时能够在一定程度上提高阻燃性和氧指数，提高阻燃材料的抑烟及阻燃性能。
通常使用的抑烟剂有金属氧化物、硼化物、金属氢氧化物等。粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收集下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物，主要组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2 等。
笔者以有机硅改性苯丙乳液为基料，以聚磷酸铵为脱水催化剂，三聚氰胺为发泡剂，季戊四醇为成碳剂，六偏磷酸钠为分散剂，设想以粉煤灰为抑烟剂，改变粉煤灰用量，配制一系列阻燃涂料试样，测定涂料烟密度以及阻燃性能，通过实验研究粉煤灰对膨胀型钢结构阻燃涂料的影响。
笔者以有机硅改性苯丙乳液为基料，以聚磷酸铵为脱水催化剂，三聚氰胺为发泡剂，季戊四醇为成碳剂，六偏磷酸钠为分散剂，设想以粉煤灰为抑烟剂，改变粉煤灰用量，配制一系列阻燃涂料试样，测定涂料烟密度以及阻燃性能，通过实验研究粉煤灰对膨胀型钢结构阻燃涂料的影响。
2 实验
2.1 主要原料
基材：除锈钢板(长66 mm，宽58 mm，厚1.8 mm)，珠海市金鼎建材；基料：有机硅改性苯丙乳液AP-999A，安徽安平建材有限公司；脱水催化剂：高聚合度结晶II-型聚磷酸铵，上海凌峰化学试剂有限公司；发泡剂：三聚氰胺，上海凌峰化学试剂有限公司；成炭剂：季戊四醇(分析纯)，天津市大茂化学试剂厂；分散剂：六偏磷酸钠，天津市大茂化学试剂厂；溶剂：蒸馏水，北京理工大学珠海学院实验室；抑烟剂：粉煤灰，珠海发电厂。
2.2 仪器设备
CZF-3 水平垂直燃烧测定仪，南京雷炯仪器设备有限公司；JCY-2 建材烟密度测试仪，南京雷炯仪器设备有限公司；电热恒温鼓风干燥箱，嘉兴市中新医疗仪器有限公司；电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；游标卡尺，上海力衡仪器仪表有限公司。
2.3 膨胀型钢结构防火涂料的制备
用 电 子 天 平 精确称取聚磷酸铵(APP)14.4 g、季戊四醇(PER)3.6g、三聚氰胺(MEL)6.72 g、六偏磷酸钠2.4 g 各16 组，再按表1 的数量分别加入粉煤灰，将每组材料放入玻璃研钵中进行研磨，待研磨精细后放入一次性纸杯中。再用电子天平精确称量15 g 有机硅改性苯丙乳液，依次加入各纸杯中，再各加入20 mL蒸馏水，用玻璃棒充分搅拌，配制成16 组阻燃涂料。
2.4 钢板上防火涂料的涂刷
首先用除锈剂对小钢板进行除锈，清洗干净后放入电热恒温鼓风干燥箱中进行干燥，电热恒温鼓风干燥箱的温度设定为70℃。待钢板完全干燥后，将调配好的防火涂料用刷子均匀涂刷在钢板上，刷完层后即放入电热恒温鼓风干燥箱中干燥。烘干后取出钢板继续涂刷第二层，再放入烘箱烘干。每次涂刷的方向尽量与上一次的交叉，这样可以降低涂料层出现裂痕的几率。连续重复进行涂刷、烘干步骤，并使用游标卡尺测量涂料的厚度，直至涂料厚度在2 mm±0.2 mm 时结束涂刷。涂刷好的钢板放在通风处晾置12 小时左右即可用于实验。
2.5 实验与分析
2.5.1 耐火性能测试
以 CZF-3 水平垂直燃烧测定仪作为燃烧装置，用SDF-2 型防火涂料测试仪热电偶及温控显示器作为燃烧时的温度计，火焰温度测得940 ℃。把试样垂直放在燃烧测定仪上固定好，把热电偶固定在钢板背面，用本生灯对涂料进行灼烧，每255 s 记录钢板背面温度，共记录30 次。加入不同粉煤灰含量的防火涂料试样燃烧过程中钢板背面达到的高温度见图1，其达到高温度的时间见图2。
由图 1 可知，未加入粉煤灰的对照组涂料燃烧过程中钢板背面高温度为233 ℃，加入粉煤灰的15 组试样高温度在168 ℃至273 ℃之间，其中有8 组试样低于对照组的233 ℃。高温度低的试样是第13 组。在实验范围内，试样燃烧过程所达到的高温度与阻燃涂料中粉煤灰的含量不呈线性关系。加入粉煤灰的量处于特定比例时，能降低涂料燃烧后的高温度。但并非所有加入粉煤灰的试样都能降低涂料燃烧后的高温度。
由图 2 可知，加入粉煤灰的试样升到高温度所用时间有4组比未加入粉煤灰的对照组涂料的1.77h 长，长的是粉煤灰用量为10g 和13g 的两个测试组，时间都为1.91h。粉煤灰含量改变，试样升到高温度所需时间变化很大，短者仅为0.28h。
2.5.2 烟密度的测试
2.5.2 烟密度的测试
用JCY-2 建材烟密度测试仪对已制备完成的16 组耐火钢板进行烟密度测试，燃气为煤气，调节燃气压力为0.1MPa。16 组阻燃涂料烟密度测试数据见表2。
由表 2 可知，未加入粉煤灰的对照组涂料烟密度等级为24.02，加入粉煤灰的15 组试样的烟密度全部低于对照组，其中有12 组烟密度等级小于15。第13 组试样烟密度等级小，为6.24。烟密度等级与粉煤灰的用量不呈线性关系。
3 结论
在本实验中，以聚磷酸铵(APP)14.4 g、季戊四醇(PER)3.6 g、三聚氰胺(MEL)6.72 g、六偏磷酸钠2.4 g、有机硅改性苯丙乳液15 g 作为基本阻燃涂料组分，分别加入1~15 g 粉煤灰进行对比实验。结果表明，加入粉煤灰的量处于特定比例时，能降低涂料燃烧后的高温度，部分试样升到高温度所需时间延长；15 组试样的烟密度均低于对照组涂料。其中，粉煤灰含量13 g 的试样在试验条件下抑烟效果佳、燃烧后高温度低、升至高温度所需时间长。
