水性超薄型室内钢结构防火涂料的制备

水性超薄型室内钢结构防火涂料的制备 程学军,黄尚文,刘新巨,黄思鹏,赵其勋 (北京市新达世纪树脂有限责任公司,北京 101102) 0 前 言 采用防火涂料对钢结构进行防火保护是经…

水性超薄型室内钢结构防火涂料的制备
程学军,黄尚文,刘新巨,黄思鹏,赵其勋
(北京市新达世纪树脂有限责任公司,北京 101102)

0 前 言
采用防火涂料对钢结构进行防火保护是经济、简便、有效的方法之一。水性环境友好型室内超薄型钢结构防火涂料,指涂层使用厚度不超过3 mm的钢结构防火涂料,这种钢结构防火涂层在受到火灾时,膨胀发泡形成致密的防火隔热层,该防火隔热层延缓了钢材的温度快速升高,提高了钢结构的耐火极限。这类水性环境友好型防火涂料是这几年快速发展起来的新品种。
本实验简单介绍了水性室内超薄型钢结构防火涂料的组成和性能。

1 实验部分
本文主要关注防火涂料中不同原料的添加量,对防火涂料涂层耐火性能等重要性能指标进行实验研究,防火涂料的配方将影响涂料的最终性能。
钢结构建筑物在温度250 ℃以内,钢材的性质变化很小;温度达到300 ℃以上时,钢材强度逐渐下降;达到450~650 ℃时,通常只有15 min左右强度降为0,致使钢结构垮塌,将产生灾难性的后果。因此,钢结构必须涂刷防火涂料进行保护,提高耐火极限,达到建筑设计防火规范要求。
根据以上原理,防火性能测试:采用自行搭建的简易装置,参照大板燃烧法,测试时,样板防火涂层朝下,调节酒精喷灯出火焰为蓝色,样板背面放置2支500 ℃温度计,温度计上面盖上水泥石棉板;测试中,记录钢板背面温度随时间的变化,测试总时长为120min,钢板背面的温度升温始终不超过200 ℃。
1.1 实验原料及配方
本实验所需实验原料、仪器及配方如表1~表3。
实验中所用的主要原料
实验主要仪器
实验基础配方
1.2 生产工艺
将原材料1~9按次序放入搅拌分散罐中,1 200 r/min高速分散20~25 min,降低转速到800 r/min,计量依次加入10~15原材料,调整黏度合格后可进行包装,产品检测黏度在120 KU,pH值=8。
1.3 样板制备及性能测试
1.3.1 样板的制备
将制好的防火涂料样品喷涂在150 mm×250mm×1.2 mm的钢板上,为了防止底材生锈,在钢板上预涂了自制的水性带锈防锈底漆一道,底漆干燥后喷涂防火涂料,喷完后水平放置,自然晾干,每隔12 h再喷涂一遍防火涂料,直至涂层厚度达到(2.5±0.2) mm,在标准养护室(23±2) ℃养护至涂层干燥,制得钢防火样板12块。
1.3.2 耐火性能自测
防火涂层干膜厚度2.5 mm,样板放在座式酒精喷灯灯头上6 cm处,在样板背面放上500 ℃温度计,时刻记录。钢板背面的温度在180~280 ℃,钢板背面颜色无变化,3块样板在座式酒精喷灯灯头上6 cm处,都喷烧120 min,防火膨胀涂层以最高点计算,膨胀高度16~24 mm,膨胀炭层致密坚固。在振动实验台上振动样板,黑色炭防火层没有脱落,说明防火涂层与钢板黏结力优异,防火隔热膨胀黑色炭层隔热效果优异。
2 结果与讨论
2.1 钛白粉和硅藻土添加量对防火效果的影响
钛白粉和硅藻土在隔热防火炭层呈主要地位,设置4种不同的m(硅藻土)∶m(钛白粉)方案组成配方,钛白粉和硅藻土的总添加量分别占防火涂料总质量的5%、7.5%、10%、12.5%,进行对比实验(结果见表4),以找出较佳的添加量,达到最好的防火隔热效果。
4种方案防火涂料炭层测试结果
用座式酒精喷灯进行防火涂层喷烧膨胀实验,以膨胀层的高度和炭层强度为评判标准,当添加量在5%和7.5%时,达不到理想防火效果,当二者的添加量在10%和12.5%时,隔热防火效果达到120 min,钢板背面温度不会超过195~200 ℃。
2.2 APP、MFL、PER的添加量对防火效果的影响
2.2.1 阻燃剂的选择
实验采用聚磷酸铵作为阻燃剂之一,含磷、含氮量高,是防火涂料中的脱水成炭催化剂,也是防火涂层的助发泡剂,对发泡炭化层的形成起着关键的作用,并对无烟燃烧和有烟燃烧都有抑制作用。聚磷酸铵是磷系阻燃剂,具有微烟、无毒、水溶性低、热稳定性好(热分解温度在280~290 ℃)。
2.2.2 成炭剂的选择
防火膨胀层的成炭剂是形成三维空间不易燃的泡沫炭化层的物质基础,对泡沫炭化层起着骨架的作用。本实验采用含高碳的多羟基化合物季戊四醇。季戊四醇含碳量高,热分解温度与催化剂发泡剂相接近,都在280 ℃左右,能在聚磷酸铵分解产生酸的作用下脱水成炭,与填料钛白粉、硅藻土、可膨胀石墨粒子的综合作用下,最终形成良好的膨胀隔热发泡层。
2.2.3 发泡剂的选择
膨胀型防火涂料的特点是涂层遇到火焰时,能迅速放出不燃性的气体,如氨气、二氧化碳、水蒸气等,使涂层膨胀起来,并且在涂层内形成不易燃的三维海绵状的炭层结构。本实验采用三聚氰胺作为防火涂料的发泡剂,它的热分解温度为250 ℃。
2.2.4 最佳方案
在聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇3种阻燃物质配比上,选取了4种不同的添加方案,制备了防火涂层,计划找出最佳防火效果的比例,具体方案如下。
方案1:m(APP)∶m(MFL)∶m(PER)=15∶8∶6
方案2:m(APP)∶m(MFL)∶m(PER)=20∶10∶8
方案3:m(APP)∶m(MFL)∶m(PER)=24∶12∶10
方案4:m(APP)∶m(MFL)∶m(PER)=27∶13.5∶13≈2∶1∶1
这4种方案防火涂层,经过喷烧实验,结果见表5。
4种方案防火涂料炭层测试结果
可以看出,方案3和方案4组合添加量,炭层膨胀高度和强度都比较好,该阻燃体系与钛白粉、硅藻土、膨胀石墨结合密实,硅藻土含二氧化硅90%,在高温下热稳定性坚固,具有良好的阻燃效果。
2.3 可膨胀石墨添加量对防火效果的影响
可膨胀石墨的石墨粒子是天然鳞片石墨经加工制成的,粒子细度在80~100目,膨胀倍数是120~140倍。防火涂层遇到火焰时,脱水催化剂分解生成磷酸,聚磷酸呈熔融的黏稠体作用于泡沫层,膨胀型石墨因石墨间插入的酸根分子受热膨胀向外溢散,使石墨层间的距离拉开而形成蠕虫状物,在多种组分的配合下,形成软质炭膨胀层。在座式酒精灯蓝色火焰的直接喷烧下,火焰的温度约是1 000~1 180 ℃,石墨膨胀层坚实、不飞散、发烟很少,膨胀层无龟裂,炭化层强度较高,能抗振动和燃气冲刷。可膨胀石墨既是发泡材料,也是主要的隔热材料,显著提高了耐火时间。可膨胀石墨在添加1%时,膨胀石墨没有明显隔热作用;在添加量达到2%~3%时,石墨膨胀物充满了炭化层,涂层无龟裂;在添加量达到4.5%~5%时,石墨粒子受热快速飞出,使膨胀层比较疏松,使炭层强度受到影响。因此,石墨添加量不宜过多,在2%~3%比较合适。
2.4 成膜物质707与水性纳米无机硅的添加量实验
当用水性纳米无机硅添加量在总量的5%时,膨胀层很低,只有4~6 mm,而且不均匀,达不到防火效果;无机硅过多,抑制了防火层的膨胀,就依次降低纳米无机硅的添加量,具体方案如下。
方案1:m(707)∶m(纳米无机硅)=6∶4
方案2:m(707)∶m(纳米无机硅)=7∶3
方案3:m(707)∶m(纳米无机硅)=8∶2
方案4:m(707)∶m(纳米无机硅)=10∶1
这4种方案防火涂层,经过喷烧实验,结果见表6。
4种方案防火涂料炭层测试结果
从以上实验看出,当成膜物质707与水性纳米无机硅添加比例达到10∶1时,达到比较理想的隔热防火效果。
2.5 防火涂料理化性能检测结果
检测所采用的标准是GB 14907─2018《钢结构防火涂料》。检验结果见表7。
防火涂料的理化性能检测结果
3 结 语
(1)硅藻土和钛白粉的添加量在10%~12.5%时,防火阻燃效果达到120 min,钢板背面温度不超过200℃;硅藻土添加量为8%、钛白粉添加量为4.5%,这样的添加比例达到满意的经济防火效果。
(2)可膨胀石墨的加入能够显著改善炭层膨胀的高度和强度,提高耐火极限。通过实验,可膨胀石墨粉的加入量为2%~3%。
(3)在膨胀防火涂料配比中,聚磷酸铵与三聚氰胺及季戊四醇的最佳配比为2∶1∶1为宜。
(4)成膜物质707乳液与水性涂料专用纳米无机硅(GN-90)的配比为10∶1,制备涂料之前先混合均匀,这样可以提高涂层的耐水性和黏结强度。
(5)本实验配制的水性超薄型室内钢结构防火涂料,耐火时间和性能达到标准要求,水性无毒无味,属于环境友好型。原材料来源广泛,生产工艺和施工简单,具有良好的防火性、装饰性。可以广泛应用于室内钢结构、厂房、体育馆等建筑物,具有广阔的发展前景。

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