EHF-1环氧防火涂料性能评价
王昊1，2，3，王华进1，2，赵薇1，2，李志士1，2，王明强1，2，姜清淮1，2，张有慧4
(1.海洋化工研究院有限公司，山东青岛 266071；2.海洋涂料国家重点实验室，山东青岛 266071；3.内蒙古航天红峡化工有限公司，呼和浩特 010076；4.海洋石油工程(青岛)有限公司，山东青岛 266520)
0 前言
随着近年来我国经济的快速发展，钢结构以其施工周期短、自重轻、强度高等优点广泛的应用于建筑行业中。然而在火灾发生时，钢结构在高温下会失去力学强度而可能导致坍塌，所以相对于混凝土结构，钢结构的耐火性能较差。钢结构防火涂料可使发生火灾时钢结构的温度上升缓慢，为救援赢得宝贵的时间。
环氧防火涂料以环氧树脂作为连接料。环氧树脂具有众多优点，如其固化时极小的体积收缩率使其具有良好的附着力，结构中不含酯键且固化后可形成三维网络结构，使其具有优良的耐化学品性能。相比于酚醛树脂，环氧树脂具有一定的柔性。环氧树脂可制成无溶剂体系，对环境危害极小。环氧树脂中含有羟基和环氧基两种活性基团，可以与多种固化剂反应进行固化。相比于以热塑性树脂为连接料的单组分防火涂料，环氧防火涂料有优良的耐酸碱介质、耐盐雾、耐湿热性能。无溶剂环氧防火涂料由于其极少或者没有VOC排放，几乎对环境没有危害。环氧防火涂料与单组分防火涂料的膨胀机理有很大不同，单组分防火涂料在高温灼烧下其树脂首先软化，之后形成泡沫状的膨胀炭层。单组分防火涂料受热时的膨胀倍率较大，形成的膨胀炭层厚度可达到原防火涂料涂层厚度的几十倍，但是其膨胀炭层的力学强度较小，在遇到如火焰的冲刷力等外力作用时会被破坏甚至脱落，从而丧失防火作用。相比于单组分防火涂料，环氧防火涂料以热固型树脂作为连接料，在受到高温灼烧后不会软化。通常环氧防火涂料的膨胀倍率不是很大，但是其膨胀炭层的硬度较高，可以在较大的冲击力下保持完整，可以广泛应用于石油化工厂及海上石油平台等需要耐烃类火灾、对膨胀炭层强度要求较高的钢结构建筑上。
防火涂料膨胀炭层的性质直接影响着防火涂料的性能，目前国内外对膨胀型防火涂料的研究较多，但是对于膨胀炭层强度、结构以及其对防火性能影响的研究较少，本文通过测试3种无溶剂环氧防火涂料的膨胀炭层，来研究膨胀炭层对防火涂料防火性能影响。
1 试验部分
1.1 防火涂料样品及样板制备
1.1.1 防火涂料样品制备
共3个无溶剂环氧防火涂料样品，分别为自制EHF-1环氧防火涂料、国外样品A和国外样品B。自制EHF-1环氧防火涂料配方如表1所示。
自制EHF-1环氧防火涂料A组分的制备方法为：称量环氧树脂到带有高速搅拌装置的反应釜中并在150 r/min的速度下搅拌，按照配方比例在搅拌中的环氧树脂中加入助剂BYK-P104和BYK-A530，混合均匀后在搅拌中加入剩余粉料，待粉料分散均匀后用三辊研磨机将其研磨至细度≤90 μm，之后出料并包装。
自制EHF-1环氧防火涂料B组分的制备方法为：称量固化剂到带有高速搅拌装置的反应釜中，在150 r/min的搅拌速度下加入助剂BYK-P104和BYK-A530，混合均匀后在搅拌中加入剩余粉料，待粉料分散均匀后用三辊研磨机将其研磨至细度≤90μm，之后出料并包装。
1.1.2 防火涂料理化性能样板制备
根据各理化性能测试标准制备测试样板、样条，养护期后测试。
1.1.3 防火涂料耐火性能样板制备
将3个样品的两组分按比例混合均匀后刮涂在涂有环氧云铁厚涂底漆的钢板上，钢板尺寸150mm×75 mm×1 mm，环氧防火涂料干膜厚度2 mm。室温下养护24 h后用来测试。
1.2 仪器设备
小型燃烧测试仪：自制；汽油喷灯：QD30-1，吴县市鑫鹤五金制品有限公司；热机械分析仪：Q400，美国TA Instruments公司；数码相机；游标卡尺；电热鼓风干燥箱：DHG-9075A，上海一恒科学仪器有限公司；高低温交变湿热箱：ER-04KA，爱斯佩克环境仪器(上海)有限公司；高低温恒湿试验箱：WD701，上海增达环境试验设备有限公司；循环腐蚀盐雾箱：Q-FOG，紫外光加速老化试验仪：QUV/SPRAY，美国Q-Lab公司；电子万能材料试验机：Instron 3369，美国INSTRON公司；高硬度橡胶硬度计：LX-D邵尔D型，上海六菱仪器厂。
2 性能测试
2.1 理化性能测试
本文采用UL 1709-2007标准进行理化性能的测试，测试了EHF-1环氧防火涂料、国外样品A和国外样品B的耐老化性能和耐环境性能。
2.2 耐火性能测试
采用自制小型燃烧测试装置测试环氧防火涂料耐火性能，图1为装置示意图，热电偶末端与样板背面接触测量样板中心温度，接触部位由保温材料包裹。使用汽油喷灯灼烧样板涂有防火涂料一面的中心部位，喷火口与样板距离大约10 cm。先点燃汽油喷灯，待其温度达到高(约900 ℃)后对样板进行灼烧并开始记录温度，测试时间1 h。
2.3 膨胀炭层强度测试
使用热机械分析仪对无溶剂环氧防火涂料膨胀炭层的强度进行测试。热机械分析仪通常用于测定高分子材料的热机械性能，在本文中使用热机械分析仪在恒定的温度下通过探针对膨胀炭层施加一个匀速增大的压力，测量膨胀炭层形变量随压力的变化。测试方法为切取1小块平整的正方体膨胀炭层放置于样品台上，使用直径为3 mm的圆柱形探针，放下探针使之与膨胀炭层上表面接触，关闭加热炉，设置测试温度恒定25 ℃、初始探针压力0.005 N、压力以0.05 N/min的速度增加到0.8 N，测量膨胀炭层形变量，得到形变-压力曲线。
3 结果与讨论
3.1 理化性能比较
通过对3种无溶剂环氧防火涂料样品的理化性能测试，得出3种样品均可通过UL 1709标准中的理化性能测试，见表2。在耐紫外光方面，EHF-1环氧防火涂料和国外样品A的涂膜变色较为轻微，国外样品B涂膜表面变为白色，较为明显。3种样品的抗拉强度由大到小顺序为：国外样品B＞EHF-1环氧防火涂料＞国外样品A。3种样品的硬度由大到小顺序为：EHF-1环氧防火涂料＞国外样品B＞国外样品A。
3.2 耐火性能比较
通过防火涂料背面升温曲线可以很好地评价防火涂料的耐火隔热性能，图2为3种防火涂料样品背面升温曲线，对比3种样品，EHF-1环氧防火涂料在前9 min温度上升较为迅速，在10 min之后温度上升变得非常缓慢，终稳定在266 ℃左右，国外样品A在前14 min温度上升较为迅速，在22 min之后温度上升较为缓慢，终稳定在276 ℃左右，国外样品B在前20min温度上升较为迅速，在28 min之后温度上升较为缓慢，终稳定在220 ℃左右。在快速升温阶段，3种样品的升温速率顺序为：自制样品＞国外样品A＞国外样品B，说明在受到高温灼烧后国外样品B的膨胀速度快，较快地形成了隔绝热量的膨胀炭层。3种样品的背面高温升为：国外样品A＞自制样品＞国外样品B。在60 min的耐火试验中国外样品B样板背面温度上升为缓慢，EHF-1环氧防火涂料次之，国外样品A样板背面温度上升快。
3.3 膨胀倍率测定
将干膜厚度为2 mm的3种防火涂料样板进行高温灼烧，当膨胀完全后平均选取3个点用游标卡尺测量膨胀炭层厚度，并计算3个样品的膨胀倍率，结果如表3所示。从表3看出，3种防火涂料的膨胀倍率分别为EHF-1环氧防火涂料的5.9、国外样品A的6.5和国外样品B的8.1。
3.4 膨胀炭层截面形貌对比
3.4 膨胀炭层截面形貌对比
将3种样品的膨胀炭层切开，用数码相机对膨胀炭层截面进行拍摄，如图3所示。从图3中看出，3种膨胀炭层都质地均匀，没有较大的空洞出现，自制样品的膨胀炭层为致密，国外样品A的膨胀炭层较为致密，国外样品B膨胀炭层结构较为疏松，空隙较大。
3.5 膨胀炭层强度测试
3.5 膨胀炭层强度测试
相比于以热塑型树脂为连接料的单组分膨胀型防火涂料，环氧防火涂料由于其以热固性树脂为连接料，在受到高温灼烧时其不会软化，所以环氧防火涂料的受热膨胀行为与单组分膨胀型防火涂料有很大不同，膨胀炭层的结构和强度也有很大的不同。本测试通过热机械分析仪测试无溶剂环氧防火涂料的膨胀炭层强度，3种环氧防火涂料膨胀炭层压力-形变曲线如图4所示。随着压力的增大，3种样品均发生垂直向下的形变，从图4中压力-形变曲线看出，EHF-1环氧防火涂料曲线的斜率较小，国外样品B曲线的斜率大，在压力达到0.8 N时自制样品的形变量为101.2 μm、国外样品A的形变量为595.5 μm、国外样品B的形变量为1 608.2 μm，从中看出3种样品膨胀炭层强度顺序为：EHF-1环氧防火涂料＞国外样品A＞国外样品B。观察3种膨胀炭层的压力-形变曲线可以看到，3条曲线上出现了形变量突增的现象，是由探针施加向下的力时挤压到膨胀炭层中的泡孔引起，3种样品的形变量突增分别为自EHF-1环氧防火涂料的10 μm、国外样品A的100 μm、国外样品B的300 μm，从中可看出3种膨胀炭层的强度为EHF-1环氧防火涂料＞国外样品A＞国外样品B，EHF-1环氧防火涂料燃烧后形成的隔热炭层具有更大的强度。
4 结语
本文通过测试3种环氧防火涂料的理化性能、耐火性能和其膨胀炭层的强度与其截面的形貌，得出：
(1)EHF-1环氧防火涂料的理化性能、耐环境性能和耐老化性能达到国外产品水平，能够满足海上石油平台的使用要求。
(1)EHF-1环氧防火涂料的理化性能、耐环境性能和耐老化性能达到国外产品水平，能够满足海上石油平台的使用要求。
(2)EHF-1环氧防火涂料的防火性能基本达到了和国外样品相同的水平。3种环氧防火涂料样品在受高温灼烧后可有效阻止热量传播，在一定时间内保护基材。经60 min耐火性能测试3种样品的背面高温升为：国外样品A＞EHF-1环氧防火涂料＞国外样品B；膨胀倍率：国外样品B＞国外样品A＞自制样品。采用数码相机对膨胀炭层截面形貌进行表征，并使用热机械分析仪测试3种样品的膨胀炭层强度，测试结果：自制样品＞国外样品A＞国外样品B。EHF-1环氧防火涂料在达到了与国外样品相当的隔热效果时，形成的膨胀炭层强度更高，在烃类火和喷射火焰的火灾情况下具有更好的防火效果。
