0引言
鋼結(jié)構(gòu)是建筑領(lǐng)域廣泛使用的建筑材料，對(duì)其進(jìn)行防火耐熱保護(hù)的研究正日益受到人們的重視[1-3]。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是施涂于鋼構(gòu)件表面、遇火焰能形成耐火隔熱保護(hù)層、并具有一定裝飾作用的防護(hù)性涂料，按防火機(jī)理分為膨脹型和非膨脹型兩類，按涂層厚度分為厚型、薄型、超薄型，其中涂層厚度不超過(guò)3mm的超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料近年來(lái)發(fā)展迅速，市場(chǎng)份額占近90%。但是，這類阻燃涂料通常為溶劑型，采用鹵系阻燃劑制備，在生產(chǎn)和施工時(shí)，溶劑的揮發(fā)不僅造成不可再生石油資源的浪費(fèi)，而且污染環(huán)境；在火災(zāi)發(fā)生時(shí)釋放的有毒氣體嚴(yán)重威脅人們的生命、財(cái)產(chǎn)和賴以居住的環(huán)境的安全。因此，環(huán)境友好阻燃涂料的研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[4]。為此，本文以丙烯酸乳液為基體樹(shù)脂，以綠色環(huán)保的磷、氮非鹵阻燃劑和阻燃協(xié)效劑為阻燃體系，制備水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，系統(tǒng)考察了__
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1主要原料
丙烯酸乳液：工業(yè)品，固含量42%，中山市孫大化工有限公司提供；多聚磷酸銨(APP)：工業(yè)品；三聚氰胺(MEL)：工業(yè)品；季戊四醇(PTH)：工業(yè)品；其他相關(guān)原料、助劑均為市售。
1.2水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的制備
將計(jì)量的阻燃體系、相關(guān)助劑和去離子水混合均勻后，在球磨機(jī)上研磨，然后加入到高速攪拌的丙烯酸乳液中攪拌分散，即得水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。其中阻燃體系由APP、MEL、PTH組成的膨脹型阻燃劑和阻燃協(xié)效劑兩部分構(gòu)成。
1.3測(cè)試與表征
1.3.1耐火性能測(cè)試樣片的制備
按超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的施工工藝，涂刷在150mm×75mm×3mm的鋼板上，每次涂刷厚度約0.1mm，涂刷間隔約2h，直到用游標(biāo)卡尺測(cè)得涂層厚度為(1±0.05)mm，即得耐火性能測(cè)試樣片。
1.3.2防火涂料耐火時(shí)間的測(cè)定
采用自行設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易耐火測(cè)試裝置，將耐火性能測(cè)試樣片放置在固定于鐵架臺(tái)上的鐵圈上，涂層朝下，鐵圈與酒精噴燈口的垂直距離為7cm，熱電偶置于測(cè)試樣片的上方測(cè)量燃燒過(guò)程中鋼板溫度的變化。待噴燈火焰溫度升到1000℃時(shí)，將酒精噴燈移至測(cè)試樣片下方，直接燃燒防火涂層，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，把鋼板溫度升至300℃的時(shí)間作為涂層的耐火時(shí)間，同時(shí)采用數(shù)碼相機(jī)跟蹤拍攝防火涂層在燃燒初期、中期、后期的涂層變化情況，以評(píng)價(jià)涂層的阻燃性能。
1.3.3燃燒炭層的X射線衍射分析
采用日本理學(xué)公司D/MAX-YAD型陽(yáng)極轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀對(duì)燃燒形成的炭層進(jìn)行測(cè)試，CuKα輻射源(波長(zhǎng)λ=0.1542nm)，石墨單色器，掃描范圍2θ=1～50°。
2結(jié)果與討論
2.1防火涂料中膨脹型阻燃劑各組分的優(yōu)化
膨脹型阻燃劑是制備鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的關(guān)鍵材料，只有當(dāng)各組分配比合理時(shí)，它在燃燒時(shí)的成炭速度與氣體釋放速度才能相互匹配，使生成的炭化層在釋放氣體的沖擊下變成蓬松、均勻、結(jié)構(gòu)致密、孔隙封閉的炭層，此時(shí)的炭層熱傳導(dǎo)率最小，阻燃效果最優(yōu)[5-6]。為此，在防火涂料中其他組分比例不變的條件下，作者選用L9(34)正交設(shè)計(jì)法考察了膨脹型阻燃劑中APP、MEL、PTH三組分對(duì)涂料耐火性能的影響。以涂層的耐火時(shí)間作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以極差的相對(duì)大小作為判斷各因子對(duì)涂料耐火性能影響的依據(jù)，
因子A(APP)的極差最大，為67.5，因子B(MEL)的極差略高于因子C(PTH)的極差，分別為23.2和20.8，都顯著低于因子A的極差，可見(jiàn)，影響耐火時(shí)間的因子由主至次的順序?yàn)椋篈→B→C，即APP對(duì)涂層的耐火性能影響最大，MEL次之，PTH最小，三者的最佳質(zhì)量比為5∶3∶2。
2.2阻燃體系含量對(duì)防火涂料耐火性能的影響
本文選擇成炭效果好、性價(jià)比高的丙烯酸乳液作為水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的基料和成膜物質(zhì)，在涂料固含__量、乳液用量、阻燃體系中各組分的質(zhì)量比相同的條件下，考察了由膨脹型阻燃劑和阻燃協(xié)效劑構(gòu)成的阻燃體系的含量對(duì)防火涂料耐火性能的影響
隨著防火涂料中阻燃體系含量的增加，涂層的耐火時(shí)間顯著增大，當(dāng)防火涂料中阻燃體系含量增加至40.8%時(shí)，其涂層的耐火時(shí)間達(dá)最大值，為52.8min，但進(jìn)一步提高防火涂料中阻燃體系的含量，涂層的耐火時(shí)間又顯著降低，該結(jié)果與文獻(xiàn)[7]的報(bào)道基本吻合。作者認(rèn)為，當(dāng)阻燃體系含量適中時(shí)，涂層在燃燒時(shí)形成的膨脹炭化層既有較高的強(qiáng)度和致密性，又有較高的發(fā)泡高度，使得膨脹炭化層的隔熱性能較好，不容易被火焰沖破，顯示出較好的耐火性能；在阻燃體系含量過(guò)低時(shí)，在燃燒時(shí)涂層形成的膨脹炭層孔隙結(jié)構(gòu)不均勻，炭化層強(qiáng)度較低，膨脹高度較小，導(dǎo)致涂層耐火時(shí)間較短；在阻燃體系含量過(guò)高時(shí)，乳液中的成膜物質(zhì)含量相對(duì)較低，涂層與鋼材的附著力變差，使得燃燒時(shí)形成的大塊膨脹炭層夾帶涂層脫落，同樣導(dǎo)致涂層耐火時(shí)間較短。
2.3阻燃協(xié)效劑對(duì)防火涂料耐火性能的影響
對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料而言，涂層的耐火時(shí)間與阻燃劑的阻燃效率和涂料的粘結(jié)能力密切相關(guān)，因此，期望阻燃協(xié)效劑既能顯著提高阻燃劑的阻燃效率，又能提高涂料的粘結(jié)能力。為此，作者考察了兩種阻燃協(xié)效劑對(duì)防火涂料耐火性能的影響。
這兩種阻燃協(xié)效劑對(duì)涂層耐火時(shí)間的影響趨勢(shì)基本相同，即隨著阻燃協(xié)效劑含量的增加，涂層的耐火時(shí)間延長(zhǎng)，當(dāng)阻燃協(xié)效劑的含量增加到某一數(shù)值時(shí)，涂層的耐火時(shí)間達(dá)最大值，繼續(xù)增大阻燃協(xié)效劑的含量，涂層的耐火時(shí)間又呈下降趨勢(shì)，而且在防火涂料中添加這兩種阻燃協(xié)效劑后，其涂層的最大耐火時(shí)間都顯著高于國(guó)標(biāo)規(guī)定的大于60min的標(biāo)準(zhǔn)。但是這兩種阻燃協(xié)效劑的協(xié)同增效能力也存在明顯差異，阻燃協(xié)效劑1#在含量為5.1%時(shí)，其涂層即達(dá)到最大耐火時(shí)間，95.3min，而由阻燃協(xié)效劑2#制備的防火涂料的涂層的最大耐火時(shí)間只有89.0min，此時(shí)阻燃協(xié)效劑2#的含量卻達(dá)7.3%，比阻燃協(xié)效劑1#的添加量高了近50%，說(shuō)明阻燃協(xié)效劑1#具有更好的協(xié)同增效能力。
2.4防火涂料涂層燃燒時(shí)的形貌分析
涂層在高溫灼燒下開(kāi)始受熱熔融，隨著燃燒的繼續(xù)，APP開(kāi)始分解，釋放出不燃性氣體，同時(shí)生成的磷酸、聚磷酸或焦磷酸等物質(zhì)催化PTH和丙烯酸酯聚合物脫水成炭；進(jìn)入燃燒中期時(shí)(圖4b)，PTH脫水生成的水蒸氣和MEL分解產(chǎn)生的不燃性氣體使已處于熔融狀態(tài)的涂層膨脹發(fā)泡，形成黑色蜂窩狀炭化層；進(jìn)入燃燒的后期時(shí)(圖4c)，黑色蜂窩狀炭化層在持續(xù)的高溫灼燒下，炭化層中的碳逐漸被空氣中的O2消耗形成CO2逸出體系，同時(shí)有一部分附著力稍弱的炭化層在火焰的沖擊下被氣流帶走，最后剩下白色陶瓷質(zhì)的膨脹炭層。
2.5殘余炭層的X射線衍射分析
根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]的研究結(jié)果和阻燃協(xié)效劑1#中含有的TiO2組分，作者認(rèn)為，圖5中2θ在25.26°、37.88°、47.59°三處的衍射峰應(yīng)為T(mén)iO2的特征衍射峰，2θ在22.56°處的衍射峰應(yīng)為T(mén)iP2O7的特征衍射峰，其他位置出現(xiàn)的衍射條紋應(yīng)為無(wú)定型炭等有機(jī)物的非晶漫射。這些結(jié)果說(shuō)明，阻燃協(xié)效劑在高溫灼燒時(shí)參與了炭層的形成，并生成了的新物質(zhì)，該物質(zhì)對(duì)膨脹炭層有增強(qiáng)作用。
2TiO2+(NH4)4P4O122TiP2O7+4NH3+2H2O式(1)
3結(jié)語(yǔ)
(1)以丙烯酸乳液為基體樹(shù)脂，添加膨脹型阻燃劑和阻燃協(xié)效劑，制備了水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。當(dāng)膨脹型阻燃劑中多聚磷酸銨、三聚氰胺和季戊四醇按質(zhì)量比5∶3∶2進(jìn)行復(fù)配時(shí)，阻燃效果最佳。(2)在丙烯酸乳液中添加該阻燃劑35.7%，阻燃協(xié)效劑5.1%制得的防火涂料，當(dāng)涂層厚度為1.0mm時(shí)，耐火時(shí)間高達(dá)95.3min，明顯高于國(guó)標(biāo)規(guī)定的大于60min的標(biāo)準(zhǔn)。(3)防火涂料中的阻燃協(xié)效劑在燃燒時(shí)參與炭層的生成，對(duì)炭層有增強(qiáng)作用。 |
