关键词 : 膨胀型 ; 钢结构防火涂料 ; 防火隔热
0 引 言
由于钢结构具有承重高、跨度大、抗震性好、易施工、环境污染小、可回收再利用等诸多优势 , 在建筑上的应用成为现代高层建筑的发展趋势。一般常用的建筑钢结构的临界温度在 540 ℃ 左右。对于建筑火灾 , 火场温度大多在 800 ～ 1 200 ℃ 之间 , 在火灾发生的 10 min 内 , 火场温度即可达到 700 ℃ [ 1 ] , 因此钢结构在很短时间内就失去刚性和强度 , 导致整个建筑物的坍塌。膨胀型钢结构防火涂料遇火即膨胀炭化 , 形成一个比原涂层厚十几倍乃至几十倍的多孔炭质层 , 这种炭质层本身导热系数低 , 不仅可以隔绝火焰对钢结构的直接作用 , 而且能够显著降低传递到钢结构表面的热量。因此膨胀型钢结构防火涂料遇火形成致密、强度高的炭质层非常重要。炭质层的形成是膨胀型钢结构防火涂料中酸催化脱水剂、成炭剂和发气剂之间相互作用的结果 , 要提高炭质层的防火隔热性能就必须改善酸催化脱水剂、成炭剂和发气剂三者之间的关系。通过大量实验发现膨胀型钢结构防火涂料的酸碱性对酸催化脱水剂、成炭剂和发气剂之间的关系影响极大 , 从而影响了炭质层的形成 , 即影响了膨胀型钢结构防火涂料的防火隔热性能 , 因此研究膨胀型钢结构防火涂料的酸碱性对其防火隔热性能的影响 , 对开发高性能的防火涂料具有重要的实际意义。
1 实验部分
1. 1 实验装置
采用微型电炉测试防火涂料的防火隔热性能。根据其升温曲线以及大量实验证明 , 微型电炉的升温速率以及所能达到的最高温度能满足测试小试样防火涂料性能的要求 , 能较准确地评价防火涂料的防火隔热性能。
1. 2 实验材料
以 80 mm × 80 mm 的钢板为基材 , 干膜厚度为 1 . 2 mm 的水基膨胀型钢结构防火涂料 , 主要成分见表 1 。用盐酸 ( 化学纯 ) 和有机胺分别作为膨胀型钢结构防火涂料酸碱性的改变剂。
表 1 膨胀型钢结构防火涂料成分
1. 3 实验操作
将已固化的试样称质量 , 测量涂层厚度 , 置于微型电炉中进行实验 , 实验进行 2 h 。微型电炉的额定功率 550W 。用热电偶测量试样钢板背面的温度 ( 简称背温 ) , 并用微机系统实时记录背温随时间的变化。最后 , 测量炭化体的膨胀高度、密实度和强度。
2 结果与讨论
2. 1 膨胀型钢结构防火涂料的酸性对其防火隔热性能的影响
2. 1. 1 试样隔热性能分析
以盐酸作为酸性改变剂 , 添加量分别为配方质量的 0 、 0. 15% 、 0. 25% 、 0 . 5% 、 1% 、 2% , 进行微型电炉实验 , 研究膨胀型钢结构防火涂料的酸性对其防火隔热性能的影响 , 其实验数据见表 2 。
表 2 试样隔热性能数据
从表 2 可以看出 , 空白试样炭化体的膨胀高度比含盐酸的炭化体的低 , 而且随着盐酸量的增加 , 其炭化体的膨胀高度呈增加趋势。因为聚磷酸铵在酸性介质和加热的条件下水解加速 , 水解反应历程是逐个断开末端的— PO 4 基团 [ 2 ] , 使大分子聚磷酸铵变成相对分子质量小的聚磷酸铵 , 这些小分子聚磷酸铵热分解后 , 与多羟基化合物酯化脱水成炭 , 形成一些小分子结构产物 , 这些产物使涂层软化时的黏度比较低 , 在发气剂的作用下炭化体很容易膨胀 [ 3 ] , 形成孔径比较大而且膨胀高度比较高的炭化体。而且随着盐酸量的增加 , 聚磷酸铵水解速度加快 , 热分解后与多羟基化合物酯化脱水形成更多的小分子结构产物 , 使涂层软化时的黏度更低 , 炭化体更容易膨胀 , 所以炭化体的膨胀高度呈增加趋势。
从涂层的烧失率来看 , 含盐酸涂层的烧失率大于空白涂层的烧失率 , 而且随盐酸量增加涂层的烧失率呈增加趋势。由于酸性条件下聚磷酸铵发生降解 , 降解后的聚磷酸铵受热分解并与多羟基化合物酯化脱水形成一些小分子结构产物。这些小分子组分在高温下不稳定 , 受热很容易挥发。所以 , 涂层的烧失率增加。同时盐酸量增加 , 酸性增强 , 聚磷酸铵降解的程度也增加 , 因此在高温下不稳定易挥发的组分也增多。因此 , 涂层的烧失率呈增加趋势。
从表 2 还可以看出 , 背温相同时 , 随盐酸量的增加试样的时间间隔呈增加趋势。当实验进行到 120 min 时 , 空白试样背温最高 , 而其他试样背温随盐酸量的增加呈下降趋势 , 而且背温降到一定程度后几乎不再变化。由于试样加了盐酸 , 同上述原因 , 软化时其涂层的黏度较小 , 所以在发气剂作用下快速膨胀并形成孔径比较大、膨胀高度较高的炭化体 , 炭化体几乎占据了炉膛的整个空间 , 形成了一个很好的物理隔热屏障 , 传递到炭化体内部的热量减少 , 所以其内部温度下降的幅度比较大 , 要达到相同背温 , 试样的时间间隔就必须延长。而且随盐酸量的增加 , 这种物理隔热屏障的效果愈明显。尤其当炭化体占据了整个炉膛时 , 使热辐射和对流传热减弱 , 因此热量要传到炭化体内部比较困难 , 可以认为传到炭化体内部的热量相差不多 , 炭化体内温度下降的趋势也相差不大 , 最后传递到试样背面的热量几乎一致。但是 , 涂层此时在微型电炉中形成的这种物理隔热屏障 , 在实际火场中不具有任何实际应用的价值。因为炭化体膨胀过高 , 其强度大大下降 , 在实际火场中非常容易脱落而失去隔热保护作用。
2. 1. 2 炭化体结构分析
图 1 为添加不同量盐酸的膨胀型钢结构防火涂料形成的炭化体的形貌图。
从图 1 可以看出 , 炭化体 ( a) 的密实度和强度显然比炭化体 ( b) 、 ( c) 、 (d) 、 ( e) 、 ( f) 好。炭化体 ( b) 、 ( c) 中明显存在较大的气孔 , 而且炭化体 ( b) 的中心部位存在烟囱 , 局部脱落 , 中部有断裂的现象。炭化体 ( d) 存在两个较大的烟囱。炭化体 ( e) 的表层脱落 , 而且炭化体与钢板部分脱离。炭化体 ( f) 膨胀高度太高、强度低、孔径较大。说明在酸性条件下膨胀型钢结构火涂料不能形成具有良好隔热结构的炭化体 , 而且随盐酸量的增加 , 炭化体的结构缺陷愈来愈严重。因为随盐酸量增加涂层的烧失率增加 , 隔热介质减少 , 而炭化体又快速过高地膨胀 , 因此炭化体的密实度和强度随之下降 , 存在大量的结构缺陷。但由于炭化体的膨胀高度较高 , 填充了炉膛的整个体积 , 在炉膛壁的作用下不脱落 , 物理隔热屏障的效果非常明显 , 因此由于炭化体密实度下降和大量隔热结构缺陷而引起的防火隔热性能下降、背温升高、试样时间间隔缩短的现象并不明显。因此 , 在酸性条件下不利于膨胀防火体系形成具有良好隔热结构的炭化体 , 在实际应用中降低了膨胀型钢结构防火涂料的防火隔热性能。
