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基料樹脂對超薄型鋼結構防火涂料性能的影響,分析了不同基料樹脂對超薄型鋼結構防火涂料性能如發泡能力,中國建材網,cnprofit.com
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基料樹脂對超薄型鋼結構防火涂料性能的影響,分析了不同基料樹脂對超薄型鋼結構防火涂料性能如發泡能力
2019年12月16日    閱讀量:63934    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

1 引言

鋼結構是目前建筑的主要結構之一,鋼結構建筑因其具有自重輕、基礎造價低、安裝容易、施工快、周期短、投資回收快、施工環境污染少、抗震性能好等綜合優勢而在各種建筑中得到廣泛使用。


鋼結構構件雖然是不燃材料,但在火災中隨著溫度的升高,其強度也有很大變化;如鋼結構無保護層,大約15 min 后,當溫度達到500 ℃,其強度下降一半,失去平衡穩定性,造成鋼結構建筑物一部分或全部坍塌毀壞。


目前,鋼結構的防火保護形式主要有:混凝土包覆、防火板包覆、輕質防火卷材包覆、噴涂耐火纖維、噴涂鋼結構防火涂料等中國建材網cnprofit.com。而鋼結構防火涂料是目前最經濟有效的保護手段。


鋼結構防火涂料按照其防火原理,可分為膨脹型和非膨脹型兩大類。非膨脹型防火涂料是通過下述作用來防火的:其一是涂層自身的難燃性或非燃性;其二是在火焰或高溫的作用下能釋放出滅火性氣體并形成非燃性的無機層隔絕空氣。


非膨脹型防火涂料主要是無機隔熱型的。目前市場上銷售的防火涂料,90%左右都是膨脹型的。膨脹型防火涂料成膜后,在常溫下是普通的漆膜;在火焰或高溫作用下,涂層發生膨脹炭化,形成一個比原來厚度大幾十倍甚至上百倍的非易燃的海綿狀的碳質層,它可以隔斷外界火源對基材的加熱,從而起到隔熱防火的作用。


2 超薄型鋼結構防火涂料基料樹脂的選擇

2.1 不同基料樹脂超薄型鋼結構防火涂料的配制

超薄型鋼結構防火涂料通常含有基料樹脂、發泡劑、成炭劑、脫水成炭催化劑、防火添加劑、無機顏填料和輔助劑等。

基料樹脂也稱黏結劑或基料,它是涂料中的連續相,也是最主要的成分?;蠘渲男再|對于涂料的性能(如保護性能、機械性能等)起主要作用?;蠘渲话銥橛袡C材料,在成膜前可以是聚合物也可以是低聚物,但涂布成膜后都形成聚合物膜?;蠘渲煞譃閮纱箢悾阂活愂寝D換型或反應型,另一類是非轉換型或揮發型。


前者在成膜過程中伴有化學反應,一般均形成網狀交聯結構,因此,基料樹脂相當于熱固型聚合物。轉換型又分為兩類,一類是氣干型的,在常溫下可交聯固化,如醇酸樹脂等;另一類是烘烤型的,需在高溫下完成反應,如氨基樹脂等。非轉換型的成膜僅僅是溶劑揮發,成膜過程中聚合物未發生任何化學反應,基料樹脂是熱塑型聚合物,如氯化橡膠等?;蠘渲瑢ε蛎浶头阑鹜苛系男阅苡兄卮笥绊?,有時對于涂料體系膨脹與否起決定性作用。


它與其它組分相配合,既保證了涂層在正常工作條件下具有優異的附著性和正常的理化性能,又能在火焰或高溫下使涂層具有難燃性和優異的膨脹效果。要得到高效的膨脹隔熱炭化層,涂層中有機樹脂的熔融溫度、發泡劑的分解溫度及泡沫炭化的溫度必須配合恰當。


當涂層受熱時,首先是基料樹脂軟化熔融,引起整個涂層的軟化、塑化,這時發泡劑達到分解溫度,釋放出非燃性氣體,并使涂層膨脹成泡沫層,同時成炭催化劑分解生成磷酸,聚磷酸呈熔融的黏稠體作用于泡沫層,使涂層中的含羥基有機物發生脫水成炭反應,當泡沫達到最大體積時,泡沫凝固炭化,使生成的多孔的海綿狀炭化層定形,泡沫的發泡效率取決于組分之間反應速率的協調配合。


膨脹型防火涂料可以采用的基料樹脂主要有氨基樹脂、丙烯酸樹脂、有機硅樹脂、醇酸樹脂、聚氨酯、氯化聚乙烯、高氯化聚乙烯、過氯乙烯、氯化橡膠、酚醛樹脂、氯化橡膠改性環氧樹脂、苯丙乳液、純丙乳液、硅丙乳液等。但是這些樹脂各有其不同的特點,為了選擇更合適的鋼結構防火涂料基料樹脂,選擇相同的阻燃體系、組分配比、工藝流程、測試方法,對燃燒前后的涂料進行綜合評定(見表1)。

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注:表中數值5 代表發泡能力最好、質量損失最少、柔軟性最大、致密性最好、附著力最大、價格最低,1 則反之;依次類推。

超薄型鋼結構防火涂料可以采用小型測試方法來驗證其質量,該測試方法是通過測試發泡能力、質量損失、涂層的表觀、發泡層的硬度、發泡層的致密性、附著力等來綜合評定膨脹防火涂料的優劣。防火阻燃體系中各組分:基料樹脂約占總體系的20%~ 30%,催化劑聚磷酸銨(聚合度1 000 以上)占25%~ 30%,成炭劑季戊四醇(單季戊四醇含量不小于92%)占10%~ 15%,發泡劑三聚氰胺(含量不小于99.8%)占10%~ 15%,另外,鈦白粉(BA01-01)占2%~ 7%,溶劑(或水)占10%~25%,有機膨潤土、消泡劑和流平劑等少量。


2.2 不同基料樹脂超薄型鋼結構防火涂料性能測試

將以不同基料樹脂配制的防火涂料均勻地刷涂在尺寸為150 mm×100 mm×3 mm 的鋼板上,涂刷時應注意表面平整,盡量不使其表面凹凸不平。涂刷好后將試件放在室溫(25 ℃左右),相對濕度為50%左右的試刷架上,將涂有防火涂料的一面向上,使其自然風干,大約6 h 以后,待涂料表面基本干燥后,取相同的防火涂料在其表面再次涂刷,反復3 ~ 5 次,直到厚度達到2.0mm 左右。最后,將涂有防火涂料的鋼板置放于電熱烘箱中,50 ℃條件下烘至恒量。

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超薄型鋼結構防火涂料成膜后,在常溫下是普通的漆膜;在火焰或高溫作用下,涂層發生膨脹炭化,形成一個比原來厚度大幾十倍甚至幾百倍的非燃的蜂窩泡沫狀炭質層,它可以隔斷外界火源對基材的加熱,從而起到防火保護的作用,如圖2 所示。

以傳熱公式表示如下:

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Q———傳導的熱量。

公式中由于涂層膨脹后形成的蜂窩狀泡沫炭化層厚度(L)要比未膨脹的厚度大幾十倍,甚至可達200倍,此外,一般涂層的導熱系數(λ)為(1.163×10-4)~(8.141×10-4)W/(m2·K),而泡沫炭化層的λ 要小得多[接近氣體的λ 即2.326×10-5 W/(m2·K)],因此,通過泡沫炭化層傳給底材的熱量Q 只有未膨脹涂層的幾十分之一,甚至幾百分之一,從而有效地阻止了外部熱源對基材的作用。

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⑴發泡能力

取出待測試件,選取至少5 個不同的涂層部位,用磁性測厚儀分別測量其厚度,取其測點厚度的平均值,此數值即為涂層厚度。測量厚度后,放置于鐵架臺上,用汽油噴燈點火在900 ~ 1 000 ℃條件下進行測試。當涂料完全膨脹發泡、炭化,鋼板背面溫度達到500 ℃時,停止試驗。取燃燒過的試件表面泡層的最高點到鋼板表面的距離為發泡高度,發泡高度與涂層厚度的比值記為發泡倍數,來判斷膨脹防火涂料的發泡能力。

⑵涂層的質量損失百分比

將燃燒過的試件放置冷卻至室溫,準確稱量到0.1g。一組試件有2 個,取其燃燒前后質量損失的平均值,保留一位小數,此數值即為防火涂料的質量損失,質量損失與燃燒前涂層質量的百分比定為質量損失百分比。

⑶涂層的表觀

包括涂層與鋼結構的附著力、涂層的硬度、耐水性等理化性能,可參照相關國家標準進行測試。

⑷發泡層的硬度和致密性

根據觀察分別將燃燒后的涂層進行硬度和致密性的辨識,分為5 個等級,硬度和致密性最大為5 級。


2.3 不同基料樹脂超薄型鋼結構防火涂料性能分析

⑴氨基樹脂、氯化聚乙烯、過氯乙烯、高氯化聚乙烯、氯化橡膠涂膜附著力較好,發泡很快,發泡不均勻,發泡持續時間較短,泡層松軟較致密,炭化物較多,厚度最高,炭化層硬度差,在強火焰和氣流下容易被燒穿或吹落,炭化較徹底,這幾種基料樹脂制成的防火涂料多為溶劑型涂料,主要適宜對炭化層強度要求不是很高但膨脹倍數要求高的飾面型防火涂料和電纜防火涂料,不適用在鋼結構耐火極限大于30 min 的場合(見圖3、圖4)。

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泡較慢,發泡不均勻,發泡持續時間短,泡層不致密,炭化物較少,厚度最低,炭化層硬度好,炭化不徹底,這幾種基料樹脂制成的防火涂料由于發泡倍數不夠,防火隔熱效果較差,不太適合單獨做超薄型鋼結構防火涂料的基料樹脂(見圖5、圖6)。

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⑶苯丙乳液、純丙乳液、硅丙乳液附著力較差,發泡較慢,發泡不均勻,發泡持續時間短,泡層不致密,炭化物較少,厚度較低,炭化層硬度好,炭化不徹底,這幾種基料樹脂制成的防火涂料由于發泡倍數不夠,且孔洞較大,防火隔熱效果不夠理性,只適合做薄型鋼結構防火涂料的基料樹脂,不適合做超薄型鋼結構防火涂料的基料樹脂(見圖7、圖8)。


⑷丙烯酸樹脂、有機硅樹脂、環氧樹脂、氯化橡膠改性環氧樹脂與鋼結構的附著力好,尤其是環氧樹脂和氯化橡膠改性環氧樹脂,且與鋼結構表面的防銹漆附著較好,發泡較慢,發泡均勻,發泡持續時間長且能夠持續發泡,泡層較致密,炭化物較多,厚度較高,炭化層呈鱗片石墨狀且硬度好,炭化不徹底,有較多底層物(見圖9、圖10),這幾種基料樹脂制成的防火涂料由于發泡倍數高,其密度在0.03 ~ 0.05 g/cm3 之間,防火隔熱效果理想,適合做超薄型鋼結構防火涂料的基料樹脂。這幾種基料樹脂還各有特點,丙烯酸樹脂適合耐候性要求高的場合,有機硅樹脂適合耐高溫的場合,環氧樹脂適合危險性更大的烴類火災保護場合,如石油平臺等,氯化橡膠改性環氧樹脂適合耐腐蝕的場合,但不適合室外場合(見圖11、圖12)。


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3 結語

鋼結構防火涂料的發展是隨著整個化工行業的進步而發展的,隨著涂料樹脂新產品的不斷出現,為選擇合適的超薄型鋼結構防火涂料基料樹脂提供了更為廣闊的空間,同時鋼結構防火涂料所用基礎原料合成工藝的改進、產品質量的提高,為提高鋼結構防火涂料的理化性能、防火性能、裝飾性能,降低成本等方面起到積極的推動作用。


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