水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的制備

該結(jié)構(gòu)具有輕重量、高強(qiáng)度和施工方便等優(yōu)點(diǎn)。它現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于大型建筑中，但鋼結(jié)構(gòu)的可靠性和抗熱性較差，容易加熱。當(dāng)自身溫度超過(guò)540c時(shí)，其機(jī)械強(qiáng)度幾乎發(fā)生變化。此時(shí)，該建筑無(wú)法支撐自身的質(zhì)量，導(dǎo)致坍塌，給人們的生活和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失。因此,必須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行防火保護(hù),超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是涂覆于鋼結(jié)構(gòu)表面,遇到火災(zāi)的時(shí)候能形成隔熱保護(hù)層,具有施工操作簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又有一定的裝飾功能。目前,針對(duì)人們對(duì)于防火效果和環(huán)境保護(hù)的綜合考慮,水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的使用越來(lái)越廣泛。水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料主要由基料樹(shù)脂、膨脹體系和無(wú)機(jī)填料組成?；蠘?shù)脂主要有純丙乳液、硅丙乳液、氨基樹(shù)脂、苯丙乳液等;膨脹體系中主要包括脫水催化劑多聚磷酸銨、炭化劑季戊四醇、發(fā)泡劑三聚氰胺。目前市面上的防火涂料存在受熱膨脹后形成氣孔大小不均或發(fā)泡高度不夠等現(xiàn)象,采用可膨脹石墨改性防火涂料可以提高膨脹層的高度,但是使得膨脹炭層過(guò)于疏松,在火焰氣流的沖刷下容易脫落,從而失去了防火的效果。為了達(dá)到既能提高膨脹炭層的高度又能保證膨脹炭層不會(huì)從鋼板上脫落的目的,本研究選用了硼酸和可膨脹石墨為阻燃協(xié)效劑;系統(tǒng)考察了阻燃協(xié)效劑的用量及配比對(duì)防火涂料涂層的耐火極限、殘?zhí)苛恳约皻執(zhí)繉有蚊驳挠绊憽?實(shí)驗(yàn)部分1.1化學(xué)試劑及試劑硅丙乳液(固含量42%):自制;多聚磷酸銨(APP):工業(yè)級(jí),山東壽光衛(wèi)東化學(xué)有限公司;季戊四醇(PER)、三聚氰胺(MEL):工業(yè)級(jí),上?；瘜W(xué)試劑公司;二氧化鈦:工業(yè)級(jí);硼酸:分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;可膨脹石墨:工業(yè)級(jí),青島古宇石墨有限公司。1.2防水性能1.2.1種子乳液的制備預(yù)乳液的制備:將去離子水、乳化劑A和乳化劑B以及引發(fā)劑過(guò)硫酸鉀(K2S2O8)攪拌均勻后,緩慢滴加丙烯酸丁酯(BA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)和功能單體丙烯酸-β-羥丙酯的混合單體,常溫乳化1h制得預(yù)乳液備用。種子乳液的制備:在裝有冷凝裝置、攪拌器和溫度計(jì)的四口燒瓶中加入適量的去離子水,計(jì)量的pH調(diào)節(jié)劑、乳化劑A和乳化劑B,升溫至50℃后緩慢加入BA和MMA混合單體,乳化完全后加入計(jì)量的引發(fā)劑K2S2O8,得到種子乳液。將種子乳液升溫至80℃,待種子乳液變藍(lán)后,再滴加上述預(yù)乳液,在預(yù)乳液向種子乳液滴加還剩1/3時(shí),向四口燒瓶中加入適量的水解抑制劑乙二醇,然后緩慢加入計(jì)量的乙烯基三乙氧基硅烷(A-151),與預(yù)乳液同時(shí)滴加完畢,保溫熟化1h,降溫,用氨水調(diào)節(jié)pH至中性后出料,即得硅丙乳液。1.2.2聚乳酸液的制備將計(jì)量的阻燃體系、協(xié)同阻燃劑以及去離子水混合均勻后,在球磨機(jī)上研磨,達(dá)到一定的細(xì)度,然后加入到高速攪拌的乳液基料中攪拌分散混合均勻后。加入適量的助劑攪拌均勻后出料得到水性超薄膨脹型防火涂料。1.3復(fù)合涂層的退火性能測(cè)試參照鋼結(jié)構(gòu)防火涂料GB14907—2002《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》的規(guī)定,將制備的防火涂料涂刷在150mm×75mm×1mm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(2.00±0.2)mm,刷好后養(yǎng)護(hù)7d,即可進(jìn)行耐火性能的測(cè)試。1.4防火性能測(cè)試1.4.1燃燒防火涂層的測(cè)試采用自行設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易小室燃燒法測(cè)試裝置,將待測(cè)試的涂層樣板固定于鐵架臺(tái)的鐵圈上方,涂層朝下,樣板與酒精噴燈口的垂直距離為7cm,熱電偶置于樣板片的上方測(cè)量燃燒過(guò)程中鋼板背后的溫度變化。調(diào)整酒精噴燈的火焰溫度,使其達(dá)到1000℃左右,將酒精噴燈放到測(cè)試樣板的下方,使火焰直接燃燒防火涂層,并開(kāi)始計(jì)時(shí)。把鋼板背面溫度升至300℃的時(shí)間作為涂層的耐火極限時(shí)間。1.4.2熱分解曲線(xiàn)測(cè)定將水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料涂膜干燥研磨成粉末狀,采用SDTQ600V5.0Build63型熱失質(zhì)量分析儀測(cè)定熱分解曲線(xiàn)。氮?dú)鈿夥?升溫速率10℃/min,掃描范圍從室溫到700℃。1.4.3儲(chǔ)層密度分析數(shù)碼相機(jī)photo分析,采用Sony數(shù)碼相機(jī)拍攝防火涂料燃燒后的表面炭層形貌。1.4.4sem測(cè)試用于燃燒碳層的電子掃描采用JSM-6380型電子掃描電鏡對(duì)水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料燃燒生成膨脹炭層進(jìn)行測(cè)試,觀察其形貌。2結(jié)果與討論2.1硼用量對(duì)涂料保水性的影響硼酸作為阻燃抑制劑具有良好的阻燃抑制效果,同時(shí)具有無(wú)毒、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn),作為防火涂料的阻燃抑制劑在火災(zāi)發(fā)生時(shí)不會(huì)釋放出有害的氣體物質(zhì)。硼酸的TG曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。如圖1所示,硼酸的熱失質(zhì)量主要有兩個(gè)步驟:首先硼酸在103℃時(shí)分解,其間質(zhì)量損失為28.3%(理論值29%)。這主要是因?yàn)榕鹚崦撍善鹚?第二步,偏硼酸脫水生成堅(jiān)硬的礦物質(zhì)玻璃B2O3,最終的殘留質(zhì)量為54.8%。表1為不同硼酸含量的涂料的耐火極限。由表1可知,隨著硼酸用量的增加,防火涂料的耐火極限先增大后減小。當(dāng)硼酸的用量達(dá)到4%的時(shí)候,耐火極限最大,為74min。這是因?yàn)榧尤脒m量的硼酸,增加了膨脹炭層的致密度,使炭層不易脫離鋼結(jié)構(gòu)表面,從而使涂料的阻燃隔熱性能得到了提高。然而隨著硼酸的用量的增加,涂層膨脹高度降低。導(dǎo)致耐火極限減小,這可能是因?yàn)檫^(guò)量的硼酸會(huì)破壞原有的膨脹阻燃體系的協(xié)同阻燃效果,因而影響了涂層的防火極限時(shí)間。2.2發(fā)泡炭層不均勻不同EG含量對(duì)涂料耐火極限的影響見(jiàn)表2。由表2可知,在w(EG)<5%時(shí),隨著EG用量的增加,耐火極限增加,在w(EG)=5%時(shí),耐火極限為82min,這是因?yàn)镋G形成氣孔細(xì)小均勻的涂層。沒(méi)有添加EG的炭層膨脹不均勻,氣孔較大。添加適量的EG時(shí),由于EG受熱膨脹后變成長(zhǎng)短不均的“蠕蟲(chóng)”狀穿插在炭層結(jié)構(gòu)中,使發(fā)泡炭層均勻受熱,達(dá)到穩(wěn)定的隔熱目的,有效地延緩了溫度向鋼結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的時(shí)間。但是隨著EG用量的進(jìn)一步增加,在涂層內(nèi)部應(yīng)力作用下,涂料的膨脹炭層過(guò)于松散,產(chǎn)生裂紋,給熱流和氧氣向鋼材傳導(dǎo)留下了通道,并導(dǎo)致膨脹涂層可能從鋼板上脫落,反而嚴(yán)重地降低了涂料的耐火極限。2.3膨脹涂層膠結(jié)碳質(zhì)層在防火涂料中同時(shí)添加w(硼酸)=4%,w(EG)=5%時(shí),涂層在火焰的加熱下均勻地膨脹,形成結(jié)構(gòu)致密、孔隙均勻的炭質(zhì)層,膨脹涂層結(jié)構(gòu)完整,強(qiáng)度高,硼酸受熱形成的B2O3增加了炭層骨架的強(qiáng)度,保證膨脹的炭層有較高的致密度;EG膨脹后起到類(lèi)似纖維材料的增強(qiáng)的作用,將無(wú)機(jī)炭層連接起來(lái)。使膨脹炭層仍然與鋼材表面有著良好的粘結(jié)力,其耐火極限時(shí)間達(dá)到93min,可見(jiàn)硼酸/EG發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生了明顯的協(xié)同作用。防火涂膜燃燒后的照片見(jiàn)圖2。2.4eg/酸鈉改性的防火涂料的分解溫度圖3為防火涂料的TG曲線(xiàn)。如圖3所示,防火涂料(A)、(B)和(C)共有3個(gè)分解階段,其詳細(xì)分解情況,見(jiàn)表3。由表3可以看出,EG改性的涂料要比硼酸改性的涂料的分解溫度高,而EG/硼酸改性的涂料的分解溫度在上述兩者之間;EG/硼酸改性的防火涂料在700℃時(shí)最終的殘?zhí)苛渴?4%,比EG改性和硼酸改性的防火涂料都有較大的提高;這是因?yàn)镋G比硼酸的分解溫度高,硼酸受熱分解成B2O3有效地提高了殘?zhí)苛?可見(jiàn)硼酸/EG可以起到協(xié)同改性防火涂料性能的作用。2.5未改性涂料殘?zhí)繉拥牧W(xué)性能圖4(a)、(b)、(c)和(d)分別是未改性、4%硼酸改性、5%EG改性和4%硼酸+5%EG改性的殘?zhí)繉拥腟EM圖像。從圖4可以看出,未改性涂料的殘?zhí)繉淤|(zhì)地疏松、孔洞較大;w(硼酸)=4%改性涂料的殘?zhí)繉庸羌苤旅?但是沒(méi)有形成較大的孔洞,不能有效提高耐火極限;添加w(EG)=5%的涂料燃燒后的殘?zhí)繉?雖然獲得了較疏松的膨脹層,但炭層骨架疏松,力學(xué)性能稍顯不足;而同時(shí)用w(硼酸)=4%,w(EG)=5%改性涂料的殘?zhí)繉釉讷@得致密的骨架結(jié)構(gòu)的同時(shí),又形成了均勻的“蜂窩”狀結(jié)構(gòu),有效地提高防火涂料的耐火極限。3膨脹炭層添加量(1)硼酸作為阻燃抑制劑在受熱時(shí)脫水生成最終產(chǎn)物B2O3,提高了炭層的殘?zhí)苛?當(dāng)添加為w(硼酸)=4%時(shí),最終的殘?zhí)苛繛?9%,耐火極限時(shí)間為74min。(2)EG作為物理膨脹阻燃劑,膨脹后形成“蠕蟲(chóng)”狀結(jié)構(gòu)穿插于膨脹炭