膨胀型防火涂料（共7篇）
膨胀型防火涂料 篇1
湖南工业大学将开孔膨胀珍珠岩作为阻燃协助剂加入水性膨胀型防火涂料中, 研制出一种水性膨胀型聚氨酯/醋丙防火涂料。该研究以热固性聚氨酯-丙烯酸酯乳液和热塑性醋丙乳液复配为成膜物质、聚磷酸铵为酸源、白糖为碳源、双氰胺和磷酸氢二铵为气源、珍珠岩为阻燃协助剂, 经充分研磨后制得水性膨胀型防火涂料。试验结果表明:开孔膨胀珍珠岩对防火涂料的耐火性能有良好的协同作用, 其用量为2.6%时, 灼烧60 min后木板背火温度仅57℃, 膨胀炭层没有垂流和脱板现象发生, 加入开孔膨胀珍珠岩后, 膨胀炭层中的泡孔变得均匀致密、尺寸变小, 、使防火隔热效果和泡孔的力学性能提高。开孔膨胀珍珠岩可改善膨胀炭层的性能。 (雪)
超薄膨胀型木结构防火涂料的制备 篇2
本实验研究了一种以硅丙乳液为基料的超薄膨胀型木结构防火涂料,采用正交设计实验法对阻燃体系各成分的配比进行了优化,并讨论了填料的选用,使得制备的防火涂料具备优良的防火性能和理化性能。
1 实验部分
1.1 原料
硅丙乳液,南通生达化工有限公司;聚磷酸铵(APP),济兰金昌泰化有限公司;三聚氰胺(MEL),上海山浦化学有限公 司;季戊四醇(PER),上海凌峰化学试剂有限公司;钛白粉(TiO2),天津市博迪化工有限公司;玻璃微珠,上海大亮化工有限公司;海泡石,定兴县兴隆非金属高科开发有限公司;BYK-180润湿分散剂,德国BYK公司;BYK-348消泡剂,德国BYK公司;成膜助剂乙二醇苯醚, 江苏日出化工有限公司;抑烟剂氧化锌,嘉兴市佳润助剂有限公司;去离子水,自制。
1.2 防火涂料的制备与涂刷
将水、成炭剂、脱水成炭催化剂、发泡剂、填料和润湿分散剂混合高速搅拌30min,制备成料浆。往料浆中加入乳液基料、成膜助剂、消泡剂、增稠剂和抑烟剂等,中速搅拌15min,过筛出料。将制得的防火涂料涂刷于尺寸为160mm×160mm的五层胶合板上,涂刷3层,涂层厚度为0.4mm。
1.3 防火涂料的性能测试
本实验采用垂直燃烧法检测防火涂料的耐燃时间,即利用酒精喷灯,垂直向上喷射火焰。试板涂层朝下,水平放置,距离酒精喷灯喷口垂直高度为10cm,实验时要尽量使火焰一致。试板背面有微裂缝时,记录燃烧时间,即为防火涂料耐火时间。防火涂料理化性能检测按GB12441-1998的规定进行。
2 结果与讨论
2.1 基料的选择及乳液含量的确定
基料是组成涂料的基础,用来粘结涂料中的其他组分以形成涂层。乳液作为膨胀型防火涂料的基料,它的性能直接决定着涂料和涂层的性能,它既要保证涂料的防火性能,又要保证防火涂料具有优良的粘接强度、耐磨性、耐水性、附着力等理化性能。
用作膨胀型防火涂料的基料有丙烯酸乳液、苯丙乳液、纯丙乳液、聚醋酸乙烯乳液、硅丙乳液等,其中硅丙乳液是由丙烯酸单体和有机硅单体共聚而成的乳液,兼有丙烯酸和有机硅二者的优点,既能显著改善涂膜的耐候性、耐水性、耐洗擦性、保光性及柔韧性等[1,2,3],又不明显增加成本。因此,本次实验选用硅丙乳液作为防火涂料的基料。在保持APP20g、MEL12g、PER6g、TiO26g、去离子水30g等不变的情况下,硅丙乳液的用量与耐火时间的关系见图1。
由图1可以看出,随着硅丙乳液含量的增加,涂层的耐火时间呈先增大后减小的趋势。当硅丙乳液含量过低时,未灼烧之前,涂层与底层粘接性差,涂料受热熔融后,开始炭化、发泡,涂层中心隆起,与基材的连接部分越来越少,易从基材上脱落。随着硅丙乳液加入量增大,涂料与基材的粘接力增强,有效地延长了其耐火时间。但当硅丙乳液含量过高时,阻燃体系含量下降,防火效果也会受到明显的影响。由图可见,当硅丙乳液含量为25%时,涂料的耐火时间最长,约为22min。
2.2 阻燃体系的确定
膨胀型防火涂料的阻燃体系由成炭剂、脱水成炭催化剂、发泡剂三部分组成。在火焰高温的作用下三者相互作用产生膨胀,形成蜂窝状炭化层。经文献比较[4]和反复实验优选确定季戊四醇(PER)、聚磷酸铵(APP)、三聚氰胺(MEL)为本实验的阻燃体系,并用正交试验对其进行了进一步优化。阻燃体系正交实验因子水平见表1,正交试验安排及结果见表2。
注:其它各组分用量为硅丙乳液28g、TiO26g、去离子水30g、助剂适量。
因子a代表成炭剂PER。成炭剂是涂层在高温下形成不易燃三维空间结构的泡沫炭化层的物质基础,对泡沫炭化层起骨架作用。当PER加入量较少时,整个体系的成炭量少,不利于形成完整的炭化层,影响了耐火时间。随着PER用量的增多,能与阻燃体系其它组分匹配发生作用,形成较厚、致密、强度高的炭化层,使得涂层具备优良的防火性能。但是PER的过多加入,很可能导致其膨胀层的滑移,涂层出现流淌现象,反而影响了涂层的防火性能[5]。
因子b代表脱水成炭催化剂APP。脱水成炭催化剂主要用来促进和改变涂层的热分解进程,促进涂层内含羟基的有机物脱水形成不易燃的三维空间结构炭质层,隔离受保护的基材和火源,减少热分解产生的可燃性焦油、醛、酮的量,同时释放出水蒸气,冲淡可燃性气体和周围氧气的浓度,阻止放热量大的碳氧化反应发生[6]。当 APP用量过少时,不能使PER完全反应,导致成炭量减少,从而不利于膨胀隔热炭层的形成,影响了防火涂料的耐火时间;当 APP使用过多时,涂层与基材的粘结力下降,炭化层易脱落,从而导致防火性能下降。
因子c代表发泡剂MEL,膨胀型防火涂料的涂层遇热时能分解释放出使涂层膨胀的不燃性气体,在涂层内形成海绵状多孔泡沫结,这一过程需要发泡剂来实现。发泡剂的分解温度要与催化剂、成炭剂相匹配, 才能使涂层在受热时形成最佳的膨胀层。当MEL用量太少时,炭层膨胀的有效高度小,对隔热效果不利;当MEL用量太多时,生成了过多的氨气,导致炭层气泡不均匀,孔径过大且相互连通,甚至被冲破,影响了炭化层的导热性能,同时也使得膨胀炭层强度下降,影响了其与基材的粘结,从而导致了防火涂料的防火性能下降。
因此,只有适当的PER含量,并与APP、MEL等相协调,才会有利于形成较厚、致密、均匀且强度高的炭化层,从而起到很好的防火效果。
由表2可见,因子a(RER)的极差最大,为7.0,因子b(APP)的极差为5.0略低于因子a(PER),因子c(MEL)的极差最小,为1.0,可见,影响耐火时间的因子由主至次的顺序为:c→a→b,即PER对涂层的耐火性能影响最大,APP次之,MEL最小。根据正交试验分析,确定本防火涂料的阻燃体系最佳配比为a2b2c1,即:PER︰APP︰MEL=6︰28︰13。
2.3 填料的选择及用量的确定
除了乳液和阻燃体系对防火涂料的性能影响比较大外,填料的影响同样非常重要,它不仅能降低成本、改善涂料的理化性能,而且能起到阻燃作用。本研究将分别使用TiO2、玻璃微珠和海泡石三种填料,最终确定填料的种类及用量。
2.3.1 TiO2对涂料防火性能的影响
由表3可见,随着TiO2用量增加,耐火时间呈先增大后减小的趋势。TiO2粒子是一种红外反射材料,对高温红外辐射传热具有良好的阻隔作用。当TiO2用量低于6%时,随着TiO2用量增加,涂膜内填料的相对密度增大,起反射作用的粒子数增多,反射率上升,隔热效果好,且TiO2能保持膨胀炭化层的骨架结构。但当TiO2用量多于6%时,过多的TiO2用量会抑制涂层的膨胀,且使得炭化层密度不均,从而降低了涂层的耐火时间。在本实验体系中,TiO2的最佳用量应为6%,耐火时间为50min。
注:其他各组分用量为硅丙乳液28g、PER6g、APP28g、MEL13g、去离子水30g、助剂适量(TiO2质量分数的计算不包括去离子水)
2.3.2 玻璃微珠对涂料防火性能的影响
玻璃微珠作为填料,除了能反射光和热辐射外,还能利用其中空、质轻、热导率低的特点,达到阻热的目的,从而提高涂膜的绝热性能。由表4可以看出,玻璃微珠的用量对防火涂料的耐火时间具有较大影响,当用量为6%时,耐火时间最长,为43min。随着玻璃微珠用量的增加并未改善发泡层的致密性以及炭化层的强度,因此综合效果不如TiO2。
2.3.3 海泡石对涂料防火性能的影响
海泡石是具有高表面积的粘土矿物,它的热稳定性好,加热到350℃时其结构不发生任何变化。海泡石簇状纤维结构
注:其他各组分用量为硅丙乳液28g、PER6g、APP28g、MEL13g、去离子水30g、助剂适量(玻璃微珠质量分数的计算不包括去离子水)
中含有大量的纳米级孔道[7] ,因为孔道空气导热系数远小于固体导热系数,所以海泡石具有良好的。由表5可以看出,海泡石用量为4%时,耐火时间最长,为38min。随着海泡石用量的增加,涂层的防火时间逐步降低,这可能是由于过多的海泡石用量在涂料中分布不均匀,导致阻热效果没有得到很好的发挥。
注:其他各组分用量为硅丙乳液25g、PER6g、APP28g、MEL13g、去离子水30g、助剂适量(海泡石质量分数的计算不包括去离子水)
因此,在TiO2、玻璃微珠和海泡石粉这三种填料中,TiO2的防火效果最好。
2.4 防火涂料的配方及性能
根据防火涂料各组分的研究,制备水性膨胀型防火涂料的配方见表6,将制备的防火涂料涂覆于160mm×l60mm的五层胶合板上,测定防火涂料的各项理化性能,并与国家标准中所规定的指标要求进行了比较,结果见表7。
3 结论
(1)以硅丙乳液为基料,其用量为25%时,涂料具有良好的防火性能。
(2)用PER、APP、MEL为阻燃体系,通过正交试验对阻燃体系中各组分间的配比进行了优化,实验结果表明,当三者质量比PER︰APP︰MEL=6︰28︰13时,防火涂料的防火性能最佳。
(3)TiO2、玻璃微珠和海泡石这3种填料中,TiO2的防火效果最好,且最佳用量为6%。
(4)该超薄型木结构防火涂料的原材料来源丰富、价格低廉,生产工艺简便,使用安全,是一种具有广泛应用前景的环保型防火涂料。
参考文献
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膨胀型防火涂料 篇3
1 实验部分
1.1 原材料
水性丙烯酸乳液、APP、MEL、PER、钛白粉(TiO2)、Al(OH)3。
1.2 防火涂料的配制
以水性丙烯酸乳液(占涂料总质量40%)、APP-PER-MEL混合物(占涂料总质量45%。其中,APP∶PER∶MEL=7∶1∶2)、TiO2或TiO2-Al(OH)3混合物(占涂料总质量10%)及H2O(占涂料总质量5%)等为主要组分配制水性膨胀型防火涂料。配方如表1所示。
1.3 涂料试板的制作
采用一级松木五层胶合板(300 mm×150 mm×5 mm),将涂料分3次涂刷在试板上(涂料总量约为400 g/m2),室温干燥48 h,得到防火涂料试板,待测。
1.4 防火性能测试
(1)小室燃烧法。
根据GB 12441-2005《饰面型防火涂料》,利用XSF-01型45°燃烧仪测定涂料的防火阻燃性能。
(2)模拟大板燃烧法。
按照GB 12441-2005,利用酒精喷灯燃烧法对防火涂料的耐燃时间进行考察(实验装置如图1所示),当试板背面出现裂痕时停止灼烧,记录时间t(即耐燃时间)。
1.5 样品表征
(1)热分析(TGA)。
采用Pyris型TGA分析仪。分析条件:空气流速,10 mL/min;温度范围,50～800 ℃;升温速率,20 ℃/min。
(2)傅立叶红外(FT-IR)。
采用Nicolet NEXUS 670傅立叶红外光谱仪(KBr压片)测定样品,分辨率2 cm-1;扫描范围4 000～400 cm-1。
(3)X射线衍射(XRD)。
XRD表征在Rigaku D/max-II/2550/PC粉末衍射仪上进行,Cu/Kα辐射源,工作电压和电流分别为40 kV和100 mA。扫描2θ角范围为10°～80°,步长为0.02°。
(4)扫描电镜(SEM)。
形貌结构采用S-2150型扫描电子显微镜分析观测,样品测试前表面经喷金处理。
2 结果与讨论
2.1 涂料的防火阻燃性能
3种涂料的小室法及模拟大板法测试结果,如表2所示。由表2可见,样品1炭化体积和质量损失率最大、耐燃时间最短;当填料中TiO2与Al(OH)3的质量比为9∶1时,涂料(样品2)的炭化体积、质量损失率及耐燃时间与样品1相差不大;而当填料中TiO2与Al(OH)3的质量比为1∶1时,涂料(样品3)的炭化体积和质量损失率分别为2.55 cm3和0.43%,耐燃时间可达877 s。说明填料中添加一定量的Al(OH)3可提高涂料的防火阻燃性能。
2.2 样品的仪器分析
2.2.1 TGA分析
图2为3种涂料的TG-DTG曲线。由图2可见,3种涂料的热分解过程均可分为4个阶段,且其初始分解温度及在550 ℃前的分解趋势均基本相同,但550 ℃后样品3与样品1、样品2的热分解有较大差别。3种涂料的TG曲线在400～550 ℃均有一个平台,这可能是涂料各组分在此温度范围受热分解并相互反应,生成一种具有防火隔热性能的新物质。对于样品1和样品2,加热至550～600 ℃时,炭化残留物会迅速分解失重,然后随着温度升高而缓慢失重,800 ℃时炭化残留物的质量分数(残炭率)为30%左右。而对于样品3,400 ℃后随着温度升高而失重缓慢,800 ℃时残炭率为38%。上述现象表明填料中添加的Al(OH)3量较少时,对涂料残炭的热稳定性影响不大。但当Al(OH)3含量较高时,能显著提高涂料残炭的热稳定性。这说明一定量的Al(OH)3在涂料受热过程中能参与反应生成新的物质,该物质能有效提高炭化产物的热稳定性,从而提高涂料的防火阻燃性能。
2.2.2 FT-IR分析
3种涂料在小室法测试前及测试后的FT-IR表征结果,如图3所示。由图3可见,3种涂料在小室法测试前后的FT-IR图谱基本一致,其中各峰的归属如下:1 255 cm-1为APP中P=O吸收峰,1 075 cm-1、1 015 cm-1分别为APP中P-O、P-O-P的吸收峰;3 471 cm-1、3 423 cm-1为MEL中NH 的反对称伸缩振动,1 656 cm-1为NH的弯曲振动,1 556 cm-1为MEL三嗪环中C=N的伸缩振动,814 cm-1为三嗪环变形振动特征吸收;1 015 cm-1为PER中C-O的伸缩振动。3种涂料经小室法测试后所得炭化物的某些特征吸收峰都明显减弱甚至消失。1 056 cm-1和957 cm-1的峰分别归属于P-O及P-O-P的伸缩振动。1 621 cm-1处新出现的峰为C=C振动,表明涂料受热分解后生成了具有双键结构的炭化物。另外,741 cm-1的峰为磷酸钛(TiP2O7)中钛氧键(Ti-O)的振动,说明涂料受热分解过程中生成了新的TiP2O7物种。而1 282 cm-1和805 cm-1可归属为Al(PO3)3的吸收峰,说明当涂料填料中TiO2与Al(OH)3的质量比为1∶1时,阻燃体系中的APP在受热过程中除了和TiO2反应生成一定量的TiP2O7外,还能与Al(OH)3反应生成了Al(PO3)3,该物质可能是使涂料高温残炭率增加的主要原因。
2.2.3 XRD分析
3种涂料样品经小室法测试后所得炭化物的XRD表征结果,如图4所示。分析表明,样品1残炭XRD图谱中2θ为25.41、37.02、37.94、38.65、48.14、54.01、55.15、62.24、68.87的峰为锐钛矿型TiO2的特征衍射峰;2θ为19.58、22.62、25.34、27.77、32.18的峰为TiP2O7的特征衍射峰,再次说明涂料阻燃体系中的APP组分与填料TiO2在受热过程中反应生成了TiP2O7。样品2残炭的XRD图谱中主要也是TiO2与TiP2O7的特征衍射峰,说明涂料填料中TiO2与Al(OH)3的质量比为9∶1时,对涂料残炭组分的影响不大。与样品1和样品2相比,样品3残炭图谱中除了有TiO2和TiP2O7的特征衍射峰外,还在2θ为11.76、15.24、16.31、17.38、20.17时呈现出明显的Al(PO3)3特征衍射峰。表明当涂料填料中TiO2与Al(OH)3的质量比为1∶1时,阻燃体系中的APP除了和TiO2反应生成了TiP2O7外,还与Al(OH)3反应生成了Al(PO3)3。
2.2.4 SEM分析
将3种涂料分别涂敷在5 cm×5 cm的玻璃片上,干燥后置于马弗炉中于350 ℃焙烧30 min,然后用刀片切掉表层,对其内部横截面的形貌进行观察。图5为3个样品各自横截面的SEM微观形貌及EDS分析结果。
由图5可见,3种涂料受热膨胀后内部均蓬松多孔,且内部孔结构无明显差别。但从3个样品的EDS分析来看,样品1、样品2和样品3的含炭量分别为36.07%,29.53%和29.09%。一般残炭层中含炭量越高,其防火阻燃性能越好,因为炭层能够隔离或延缓热量或火焰的传播。但是,尽管样品2和样品3涂料残炭层的含炭量比样品1涂料残炭层的低,它们的防火阻燃能力比样品1的要好,特别是样品3涂料在3者中具有最好的防火阻燃性能。根据前面TGA、FT-IR及XRD的分析结果,可认为是样品3涂料所加填料中一定量的Al(OH)3与阻燃体系中的APP在受热过程中发生反应生成了一定量的Al(PO3)3,该物质具有良好热稳定性和抗氧化性,能增加涂料受热后的残炭率,从而提高其防火阻燃性能。
3 结 论
以APP-PER-MEL为阻燃体系、水性丙烯酸乳液为粘结剂、TiO2为填料配制了水性膨胀型防火涂料,研究了填料中添加Al(OH)3对涂料防火阻燃性能的影响。得出结论如下:
膨胀型防火涂料 篇4
市场现有的水性防火涂料在防火性能方面与溶剂型防火涂料的差距较大, 更满足不了超薄型钢结构防火涂料的防火要求, 因此其应用受到了一定的限制。本项研究采用一种新型的本体杂化乳液作为膨胀型防火涂料的成膜物。用此杂化乳液制备的水性防火涂料不但在防火性能上优于原有的溶剂型膨胀防火涂料, 同时大大降低了火灾发生时的烟密度。
本研究采用锥形量热仪法对其防火阻燃性能, 及燃烧过程中产生烟气的情况进行评价。锥形量热仪 (CONE) 是美国科学家技术研究所 (NIST) 的Babrauskas于1982年提出的。它是以耗氧原理为基础的新一代聚合物燃烧测定仪, 具有严密的科学理论基础[5,6]。不同于以往的传统试验室评价方法, 锥形量热仪的试验结果与大型燃烧试验结果之间存在很好的相关性[7,8], 能够更好的评价聚合物材料的燃烧性和阻燃性。
1 实验部分
1.1 原料
聚磷酸铵 (APP) , 山东齐河化工厂;季戊四醇 (PER) , 湖北宜化化学有限公司;三聚氰胺 (MEL) , 山东海化集团公司;金红石型钛白粉 (TiO2) , 国外进口。溶剂 (200#汽油) , 青岛永安化工有限公司;丙烯酸树脂, 国外进口;丙烯酸本体杂化乳液, 自制;助剂, 进口。
1.2 防火涂料的配方
分别以丙烯酸树脂 (配方1) 和丙烯酸本体杂化乳液 (配方2) 作为成膜物制备防火涂料。配方见表1。
1.3 测试样品的制备
按实验规定要求, 将上述两种防火涂料制成100mm×100mm×5mm的片状试样。
1.4 分析测试
采用FTT Dual cone型锥形量热仪, 其测试条件为:辐射能量为35kW/m2;不使用试件护罩和金属网格。
2 结果与讨论
通过锥形量热仪法评价防火涂料的燃烧性和阻燃性, 主要评价指标包括:材料的点燃时间, 燃烧时释放的热量, 释热速率, 烟雾浓度, 产生的CO气体含量等[9,10]。下表列出了溶剂型丙烯酸膨胀型防火涂料与丙烯酸杂化乳液膨胀型防火涂料各种燃烧参数的实验结果。
2.1 热释放参数
2.1.1 热释放速率和总释放热
热释放速率 (HRR) 是指单位面积样品释放热量的速率, 是最重要的火灾特性参数之一。有研究表明, 锥形量热仪测量的前180s的平均热释放速率值同大型实验的室内火灾初期的热释放速率数据有很好的相关性[7]。溶剂型丙烯酸膨胀型防火涂料与丙烯酸杂化乳液膨胀型防火涂料燃烧过程的HRR随时间变化的趋势见图1。从图可以看出, 溶剂型丙烯酸膨胀型防火涂料的HRR从40s时迅速的增加, 并在55s达到最大71.22kW/m2, MHRR为14.11kW/m2;而丙烯酸杂化乳液膨胀型防火涂料的HRR从60s时开始增加至最大值54.83kW/m2 , 峰值较溶剂型明显下降。MHRR为8.76kW/m2。由于两种防火涂料的配方组分相同, HRR曲线的差别表明以丙烯酸杂化乳液为成膜物的膨胀型防火涂料燃烧时的热释放速率大大降低, 说明其在燃烧时形成的碳层具有更好的阻燃隔热效果和热稳定性。
总释放热 (THR) 是单位面积的材料从开始燃烧到结束所释放的热量。一般情况下, THR越大, 说明聚合物燃烧时所释放的热量就愈大, 即材料在火灾中的危险性越大。实验数据表明, 丙烯酸杂化乳液膨胀型防火涂料的THR仅为溶剂型的一半。结合HRR的实验结果说明, 丙烯酸杂化乳液膨胀型防火涂料具有更好的防火阻燃性能。
2.1.2 有效燃烧热
有效燃烧热 (EHC) 表示燃烧过程中材料受热分解形成的挥发物中可燃成分燃烧释放的热。丙烯酸杂化乳液膨胀型防火涂料的有效燃烧热比溶剂型低了1倍, 这说明丙烯酸杂化乳液膨胀型防火涂料燃烧时气相中的有效燃烧成分更少。
2.2 点燃参数-点燃时间
点燃时间 ( TTI) 是评价聚合物材料阻火性的又一重要指标。TTI的值越大, 表明聚合物越不容易被点燃, 材料的阻火性就越好。实验表明, 丙烯酸杂化乳液膨胀型防火涂料的TTI是传统的溶剂型丙烯酸防火涂料的1.7倍, 这说明丙烯酸杂化乳液膨胀型防火涂料有更好的耐火极限。
2.3 烟及毒性参数
2.3.1 比消光面积SEA
比消光面积SEA=CsV/MLR, 其中Cs是消光系数 (m-1) , V是烟道的体积流速 (m3/s) 。MLR 是样品的质量损失速率 (kg/s) 。SEA是锥形量热仪实验最常用的表示烟的参数, 它表示挥发每单位质量燃料所产生烟的能力。结合烟产生的速率和热释放速率的影响, 可以模拟燃烧时发烟的情况。实验表明, 丙烯酸杂化乳液膨胀型防火涂料的比消光面积 (SEA) 仅为普通溶剂型丙烯酸防火涂料的1/4, 产烟速率 (SPR) 也远小于普通溶剂型丙烯酸防火涂料 (如图3和图4所示) 。但这两个参数还不能完全评价烟的大小, 因为烟不是一个孤立的特征量, 而是火灾燃烧过程的一种结果, 所以烟必须同火灾燃烧过程联系起来考虑。因此根据公式:SP=SEAav×PHRR计算烟参数 (SP) 。得出丙烯酸杂化乳液膨胀型防火涂料大大降低了火灾中产生的烟量, 具有更好的安全性。
2.3.2 CO、CO2的生成量
研究了丙烯酸本体杂化防火涂料CO和CO2 的产生量和时间的关系 (图5和图6) 与溶剂型丙烯酸防火涂料相比, 丙烯酸杂化乳液膨胀型防火涂料总体产生的CO和CO2量明显降低, 这说明相同条件下丙烯酸本体杂化乳液裂解产生气体的量小于溶剂型丙烯酸树脂。这是由于丙烯酸本体杂化乳液的分子量 (Mw=1.1739×106) 远大于溶剂型丙烯酸树脂的分子量 (Mw=9.9278×104) , 所以其裂解需要的热量更大, 热裂解速度小于溶剂型丙烯酸树脂, 在燃烧时裂解出的小分子化合物更少。
3 结 论
以丙烯酸杂化乳液作为成膜物的膨胀型防火涂料与溶剂型丙烯酸膨胀型防火涂料相比, 具有更长的点燃时间, 低的热释放速率和有效燃烧热。表现出更好的阻火隔热性能。采用丙烯酸本体杂化乳液作为膨胀型防火涂料的成膜物质, 能够改善膨胀型防火涂料作用过程中释放大量有毒烟气的问题。降低了防火涂料在膨胀发泡过程中产生烟气的危险性, 具有高效低毒的特点。
参考文献
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钢结构防火涂料膨胀性能的研究 篇5
1 实验部分
1.1 试验器具
游标卡尺,刀片,磁性测厚仪,拉力计或砝码,钢制联结件,专用燃气喷枪等。
1.2 测试方法
在已施工的涂料构件上,随机选取3个不同的涂层部位,用磁性测厚仪测量其厚度δ1,然后点燃专用燃气喷枪分别对准前面选定的三个位置,喷灯外焰应充分接触涂层,供火时间不低于15 min。停止供火后用游标卡尺测量其发泡层厚度δ2。膨胀倍数按式(1)求得,结果以三个测试值的平均值表示。
undefined (1)
式中:K为膨胀倍数;δ1为试验前涂层厚度,mm;δ2为试验后涂料发泡层厚度,mm。
1.3 测试样品
测试样品从全国各地的企业产品中随机抽取,研究对象是超薄型钢结构防火涂料和饰面型乳胶防火涂料。其相应耐火极限以同批次产品经国家质量监督检测中心按GB 14907-2005抽检或检查结果为准。钢结构防火涂料涂层厚度为3～7 mm,由专用燃气喷枪测试其膨胀倍数。所有测试样品的制作、养护均按相应产品标准要求进行。
2 结果与讨论
2.1 超薄型钢结构防火涂料
图1为超薄型钢结构防火涂料膨胀倍数与耐火时间关系图。
从图1可知,耐火极限与超薄型防火涂料膨胀倍数的变化趋势关系式近似为式(2):
y=-6×10-10x6+1×10-7x5+1×10-5x4-0.004 8 x3+0.423 3 x2-14.144 x+164.74 (2)
式中:y为涂层膨胀倍数;x为耐火极限,min。其相关系数为:0.941 2。
当耐火极限为20～66 min时,耐火极限与超薄型防火涂料膨胀倍数呈正比变化关系;耐火极限为66～116 min时,超薄型防火涂料膨胀倍数却降低了,膨胀倍数与耐火极限呈反比例变化关系;而耐火极限为116～140 min时,两者变化呈无规律状态,不能判断出耐火时间与膨胀倍数之间的对应关系,因此在该区间不能用该膨胀倍数测试法来衡量防火涂料的质量好坏。
这一点可用膨胀理论来解释。超薄型防火涂料发泡倍数较大时,会在膨胀层内出现空心、大泡,泡层会变得疏松、无强度,使耐火性能变差。根据随机发泡的机率,形成大泡的随机时间不同而会出现不同的膨胀倍数,因此表现出不规则变化关系。
2.2 薄型钢结构防火涂料
图2为薄型钢结构防火涂料的膨胀倍数与耐火时间关系图。
从图2可知,耐火极限与薄型防火涂料膨胀倍数的变化趋势关系式,见式(3):
y=-6×10-8x6+2×10-5x5-0.003 x3+0.190 2 x2-5.323 8 x+55.603 (3)
式中:y为涂层膨胀倍数;x为耐火极限,min。其相关系数为:0.986 9。
当耐火极限为30～57 min时,耐火极限与薄型防火涂料膨胀倍数呈正比变化关系,低于40 min耐火极限的薄型防火涂料膨胀倍数低于4倍;耐火极限为57～61 min时,薄型防火涂料膨胀倍数却有小幅度降低,膨胀倍数与耐火极限呈反比例变化关系,膨胀倍数最小值仍大于7倍;耐火极限为61～122 min时,耐火极限与薄型防火涂料膨胀倍数又呈正比变化关系;而耐火极限大于122 min时,薄型防火涂料膨胀倍数却开始降低了。这一点与膨胀发泡机理也是一致的,对于钢结构防火涂料,涂层不可能无限制膨胀,发泡质密、强度高、层高度相对较低的炭层,可形成石墨化程度较好的结构,而能抵制更高温度的侵袭,因此可得到更高耐火极限。其最佳膨胀倍数就是25倍,一般不会高于此倍数。
2.3 膨胀性能的不同之处
在对涂料采用进行耐火性能测试中,随着温度的升高,涂料性能发生物理化学变化,开始由表及里形成炭化泡状层。有的部分涂层由于发泡膨胀组分分布不均匀的缘故,发泡不同步或膨胀不均匀,使形成的保护层厚度不够平均。
对于钢结构防火涂料而言,采用“专用燃气喷枪燃烧的方法”来衡量防火涂料的质量存在有一定的局限性。根据GB 14907-2002《钢结构防火涂料》规定,由图1可知:当超薄型防火涂料膨胀倍数大于35倍时,其耐火极限可以基本断定为大于60 min,也就是达到合格级;低于35倍时,可以作为疑似不合格。由图2可知,当薄型钢结构防火涂料膨胀倍数大于10倍时,可以判断其耐火极限大于60 min,质量合格;反之可以定为疑似不合格产品。
在采用喷枪烧制情况下,烧制距离、喷枪火焰大小、喷枪口径、燃烧时间等都能直接影响膨胀发泡情况,膨胀型涂料在受火状态未膨胀或膨胀不够充分的状况会直接影响结果的对比性。影响钢结构耐火性能的因素较多,对钢结构防火涂料而言,涂料是否能均匀膨胀发泡及膨胀发泡后的涂料是否有合适的密度、足够的附着力,是涂料能否起到保护作用的关键。涂料组分配比的准确性、搅拌的均匀性、施工工艺的合理性、养护环境的控制,均能直接影响涂料膨胀的起始温度、层次、密度、附着力、热传导系数及整个膨胀过程的时间长短。
3 结 论
(1)当耐火极限为20～66 min时,耐火极限与超薄型防火涂料膨胀倍数呈正比变化关系;耐火极限为66～116 min时,超薄型防火涂料膨胀倍数与耐火极限呈反比例变化关系;而耐火极限为116～140 min时,两者变化呈无规律状态。
(2)当耐火极限为30～57 min时,耐火极限与薄型防火涂料膨胀倍数呈正比变化关系;耐火极限为57～61 min时,薄型防火涂料膨胀倍数与耐火极限呈反比例变化关系;耐火极限为61～122 min时,耐火极限与薄型防火涂料膨胀倍数又呈正比变化关系;而耐火极限大于122 min时,薄型防火涂料膨胀倍数却开始降低了。薄型防火涂料最佳膨胀倍数是25倍。
(3)超薄型防火涂料膨胀倍数大于35倍达到合格级;薄型钢结构防火涂料膨胀倍数大于10倍时,可以判断其质量合格;反之可以定为疑似不合格产品。
参考文献
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可膨胀石墨在防火涂料中的研究 篇6
环氧乳液是一种常温可以固化交联的双组分热固型水性涂料, 将体系中各种组分粘结在一起, 在基材表面形成均一涂层[3], 它的网络结构虽有利于涂层的稳定性和耐腐性, 但亦使得涂层内部自由体积减少, 受热时防火助剂聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇的膨胀作用在涂层中难以充分发挥[4], 膨胀倍率不大, 炭化层内部的泡孔均匀性稍差;另一方面, 环氧体系内部含有氨基、苯环等基团, 在涂层受热分解时有烟气逸出, 不仅对环保不利, 而且有窒息致毒作用。为改善乳液诸多不足, 加入填料是一种行之有效的方法[5]。一方面这种填料要与膨胀体系起到协同作用, 促进发泡, 一方面可以增强涂层和炭化层的强韧度, 提高抗燃气冲刷能力, 可膨胀石墨恰好满足这两方面的要求。可膨胀石墨是[6]经特殊处理后遇高温可瞬间膨胀成蠕虫状的天然晶质石墨, 近年来常被用于膨胀型防火涂料的协同作用组分。可膨胀石墨有如下特点[7]: (1) 常温下以稳定晶型存在, 耐腐性和耐候性好。 (2) 在受热时插层在鳞片状石墨中的易挥发物质分解, 转变成蠕虫状, 同时大量吸热, 可膨胀石墨体积迅速膨胀, 生成密度小的碳层, 这种纤维状炭体在体系中以交联网络形式存在, 增强了炭化层的稳定性, 可防止炭化层脱落, 呈惰性, 稳定性好。 (3) 可膨胀石墨是热的良导体, 使得热量能够均匀迅速扩散。宋君荣[8]等发现可膨胀石墨在有机硅改性丙烯酸树脂防火涂料体系中可以增强炭化层强度, 提高了防火涂料的耐火极限。Zhenyu Wang指出[9]可膨胀石墨掺量存在最佳值。可膨胀石墨在准备过程中由于反应物质和条件不同而有不同种类[10], 不同理化性能的可膨胀石墨对防火性能的关系一直未见有系统性研究。针对这个问题, 本文制备了一系列不同性能的涂层, 并对其进行了小室燃烧性能测试, 并通过对炭化层的综合评价对可膨胀石墨在防火涂料中的应用进行了研究。
1 实验部分
1.1 原料
环氧乳液:浙江安邦新材料发展有限公司;聚磷酸铵:山东寿光卫东化工有限公司;三聚氰胺:山东世安化工有限公司;季戊四醇、钛白粉:国药集团化学试剂有限公司;高岭土:CKT-1型, 内蒙古三保高岭土有限公司;可膨胀石墨:河北艾克森碳素制品有限公司;醇酯12:上海长风化工厂。
1.2 涂料制备
按配方称取防火助剂、可膨胀石墨和其他助剂, 置称量缸内加入蒸馏水, 用高速搅拌机分散20min;在三辊研磨机上研磨, 加入环氧乳液、固化剂, 用高速搅拌机搅拌15min, 静止后供涂刷使用。
1.3 表征与测试
模拟钢结构防火涂料GB14907-2002所规定的防火性能测试方法, 钢板 (150mm×70mm×1.5mm) 除锈, 将涂料涂刷, 常温自然晾干, 干燥后重复涂刷至涂层厚度达到2mm。样板放置养护7天。将置于煤气喷灯上灼烧, 涂层暴露在外焰中, 用热电偶温度计测试钢板背面温度。
2 结果和分析
EG理化性能主要有三方面差异:粒度、起始膨胀温度和膨胀容积, 彼此有一定制约关系, 表1是实验中涉及的几种EG的性能比较;表2是防火涂料体系基本配方表, 图1是涂有不同配方涂层的基材背温随时间变化比较。
由于有三种因素共同影响防火性能, 较为复杂, 故而以下分三方面进行讨论。
2.1 可膨胀石墨粒度和防火性能的关系
图2、图3涉及的几种EG的起始膨胀温度相同, 膨胀容积相似。图2的EG起始膨胀温度为200℃, 随着EG粒度的减小, 粒度小的升温较慢;图3起始膨胀温度为150℃, 由于膨胀容积略复杂, 因此曲线也较复杂, 但有和图2相同的趋势, 即粒度小的EG所对应的涂层升温速度更慢, 有两方面原因:1粒径较小的EG在涂料体系中分散更加均匀, 相同添加量的情况下膨胀作用更有效;2EG的尺寸减小时, 被封闭在石墨片层之间的氧化剂在受到热冲击时更容易从片层之间脱离, 增加了膨胀倍率。因此, 粒径小的EG防火性能更佳。但是由于粒径和膨胀容积有关, 因此要和膨胀容积综合起来考虑。
2.2 起始膨胀温度和防火性能的关系
起始膨胀温度表征的是EG能够受热分解的最低温度。图4、图5、图6是几种EG对应的时间背温曲线。
由于EG要与防火体系协同作用, 如果EG起始膨胀温度较高 (200℃) , 基料在200℃前即开始软化, 化学膨胀体系开始分解, 此时未膨胀变形的EG只类似于增强填料, 无法起到协同作用, 因此防火性能不佳。而起始膨胀温度较低的EG能在温度稍低时 (150℃) 变成蠕虫状石墨, 体积迅速膨胀, 与防火助剂共同构成炭化层, 因此, 应选择起始膨胀温度为150℃的EG。
2.3 膨胀容积和防火性能的关系
膨胀容积为在很高温度下1g EG最终的膨胀体积 (ml) , 图7、图8、图6几种EG对应的基材时间背温曲线。
从上图可看出, 膨胀容积和防火性能并没有明显必然联系, 这是因为:①膨胀容积是在大于1000℃时EG最终膨胀体积, 这个温度大于火焰温度, EG的膨胀容积此项指标很难反映防火涂层防火性能和最终炭化层的质量优劣。②处于涂层中的EG受到其他组分的空间阻碍作用, 使得EG膨胀能力有很大程度的下降, 不可能完全膨胀。因此, 膨胀容积基本不能很好的作为一个EG在防火涂料中性能优劣的判断标准。
综上可以得出结论:就本课题而言, 最适EG种类是编号808, 粒度0.18mm, 膨胀容积180g/ml, 起始膨胀温度150℃, 从图1可以看出, 它处于低温位置, 符合结论。
3 结论
⑴可膨胀石墨作为一种物理性膨胀填料, 可明显改善以环氧乳液为基料的膨胀型防火涂料的防火性能, 增加发泡倍率, 改善发泡层形貌和基材的时间背温曲线, 增强炭化层强度, 消除膨胀过程中生成的气味和烟雾。
⑵通过对EG几个物理性能对防火性能的各自影响分析, 粒度影响EG的分散和其他助剂之间的相互作用, 粒度小的防火性能好;起始膨胀温度与基质树脂的熔融过程和防火助剂的化学分解协同作用密切, 起始膨胀温度为150℃是较为合适的;膨胀体积影响涂层的防火性能和最终炭化层的高度, 但是膨胀容积和防火性能的关系没有前两种因素影响大。确定了最适于环氧基防火涂料的可膨胀石墨的种类为0.18mm、起始膨胀温度150℃、膨胀容积180ml/g。
参考文献
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膨胀型防火涂料 篇7
P-C-N膨胀体系以磷、氮、碳为主要活性组分, 遇高温或遇火时, 涂层迅速形成均匀、致密的炭质泡沫层, 起到耐火隔热的作用, 是一类环保型阻燃膨胀体系。
笔者在已开发的有机硅改性丙烯酸酯乳液涂料的基础上, 研究P-C-N型复合阻燃膨胀体系各组分———聚磷酸铵 (脱水催化剂) 、季戊四醇 (炭化剂) 、三聚氰胺 (发泡剂) 和膨胀石墨、氢氧化镁 (无机阻燃剂) 对该水性乳胶涂料防火性能的影响, 在此基础上开发理化性能符合GB14907-2002《钢结构防火涂料》要求的超薄型钢结构防火涂料。
1 实验部分
1.1 实验原料
有机硅改性丙烯酸酯乳液 (SA) 为天津大学自制;聚磷酸铵 (APP) 、季戊四醇 (PE) 、三聚氰胺 (MEL) 、氯化石蜡-70、120目可膨胀石墨 (EG) 、纳米氢氧化镁 (MH) 为工业级。其中, 纳米氢氧化镁 (MH) 经偶联剂OP-10表面处理。
1.2 试样制备
(1) 按比例准确称取APP、PE、MEL、EG和MH。
(2) 按照一定的比例, 将各种固体粉末分散到定量的硅丙乳液SA中, 用砂磨机研磨混合均匀。
(3) 在200mm×200m×6mm的钢板上分若干道喷涂上述涂料, 涂层厚2mm, 每个样品涂3片, 室温自然干燥, 实干15d后进行性能测试。
1.3 耐火性能测试
采用酒精喷灯燃烧试验进行涂层耐火性能测试, 参照GB/T 9978-2008《建筑构件耐火试验方法》, 用泰克曼TM900手持式红外测温仪测量样品背面温度, 采集试样背温的升温数据, 以此比较涂层的防火隔热效果。防火涂料性能参照GB 14907-2002等标准进行测试。
1.4 热重分析
将干燥后的涂层粉末制样, 用日本Rigaku (理学) 公司Thermo-flex分析仪测试样品的热失重情况, 温度范围:25~900℃, 升温速率:10℃/min。
2 结果与讨论
2.1 聚磷酸铵 (APP) 含量对涂料耐火性能的影响
APP在高温的作用下生成聚磷酸、聚偏磷酸等化合物, 这种强脱水剂有效促进多元醇的脱水成炭, 加速涂层变成三维泡沫状结构的炭化层, 该炭化层不燃且具有一定的强度和韧性, 而适宜的韧性使膨胀泡沫层成为闭孔结构, 进而起到耐火隔热的功效。此外, APP受热分解后会生成NH3等气体, 这些不燃性气体起到发泡剂的作用。在保证涂料固含量不改变并保持MEL∶PE=1∶1 (MEL在涂料中的添加量为7%) 的前提下, 调整APP的用量制备防火涂料, 进行耐火实验, 实验结果如图1和表1所示。
由图1可见, 当APP在涂料中的含量在30%~35%之间时, 涂层的耐火时间最长, 酒精喷灯试验耐火时间可以达到90min左右。结合表1防火涂料的膨胀效果, 可以得出如下结论:当APP在涂料中含量小于20%时, 不能产生足够的强酸, 膨胀效果较差;当APP含量为30%~35%时, APP与PE酯化反应完全, 发泡速度均匀、炭层膨胀高度适宜, 炭层强度和韧性良好, 涂层的耐火时间和阻燃膨胀效果最佳;当APP含量达到40%或以上时, APP与PE之间的酯化反应过于剧烈, 发泡速度加快、炭层膨胀过高, 炭层的强度、韧性明显变差, 发生垂流倾向, 甚至导致涂层脱落, 耐火性能下降。
2.2 季戊四醇 (PE) 含量对涂料耐火性能的影响
季戊四醇在阻燃膨胀体系中的作用是提供炭源, 炭化剂从熔融到炭化的过程, 包括时间、炭层高度、炭层韧性 (部分取决于粘结剂的作用) 对涂层的耐火时间有十分重要的作用。在固定的配方下 (SA:23, APP:30, MEL:7.5, CL-P70:, 6, 钛白粉:5.0, 助剂:3, 水:19) , 观察PE用量变化对涂料耐火时间和阻燃膨胀效果的影响, 实验结果见图2和表2所示。
分析图2和表2可见, 当涂料中PE含量低于5%时, 耐火时间较低, 涂层在高温下成炭较慢, 炭层密实但是高度低, 炭层较硬;而PE含量在7%~8%时, 涂层在高温下形成发泡速度均匀、炭层膨胀高度适宜, 炭层强度和韧性良好, 涂层的耐火性能达到最佳, 在酒精喷灯耐火试验中, 涂层耐火时间可达90min左右, 耐热性好;当PE含量达到10%以上时, 涂层在高温下发泡速度加快, 但炭层高而松软, 炭层韧性差, 涂层隔热性能变差。
2.3 三聚氰胺 (MEL) 含量对涂料耐火性能的影响
三聚氰胺在阻燃膨胀体系中的作用是提供发泡所需的不燃气源。在保持配方 (SA:23, APP:30, PE:7.5, CL-P70:, 6, 钛白粉:5.0, 助剂:3, 水:19) 不变的前提下, 观察MEL用量变化对涂料耐火时间和膨胀炭层的影响, 实验结果见图3和表3所示。
由图3和表3的可以看出, 当阻燃膨胀体系中MEL含量低于6%时, 耐火时间低于60min, 防火涂料发泡速度慢, 膨胀炭层高度比较低;而MEL含量在6%~8%时, 涂层发泡快, 膨胀炭层的高度、强度、韧性良好, 尤其MEL含量为8%时, 耐火时间达到92min, 耐热性好;当MEL含量为10%以上时, 炭层发泡快且膨胀高, 但炭层轻而疏松, 耐火时间降低明显。
2.4 膨胀石墨 (EG) 含量对涂料耐火性能的影响
可膨胀石墨用作阻燃剂的特点是抗氧化性和耐高温性优良, 且低烟、无毒、无卤, 高温下 (初始膨胀温度200℃) 其体积膨胀倍数可达几百倍, 膨胀体发散, 没有强度。经过初步试验, 单独使用EG对防火涂料高温下的膨胀性能并不理想, 涂层膨胀迅速、高度非常高, 但是炭层强度很低, 容易掉落, 对涂料的耐火隔热性能影响较大, 需要与P-C-N膨胀阻燃体系协同使用, 才能发挥最佳效果。保持配方 (SA:23, APP:30, PE:7.5, MEL:7.5, CL-P70:, 6, 钛白粉:5.0, 助剂:3, 水:19) , 考察不同膨胀石墨添加量对涂料膨胀效果和耐火时间的影响, 实验结果如图4和表4所示。
分析图4和表4可以看出, 可膨胀石墨的初始膨胀温度很重要, 该温度应该与涂料中AAP、PEL的分解温度以及PE的熔融分解温度相匹配, 才能使EG优异的膨胀性性能与防火涂料相匹配, 同时涂料配方也应该做出相应的调整, 适当增加PE, 保证EG膨胀后的表面不易开裂。从初步的实验看, EG适宜的添加量为≤6%。
2.5 纳米氢氧化镁 (MH) 含量对涂料耐火性能的影响
氢氧化镁阻燃剂不含卤、无毒、无味且具有消烟作用, 特性比较突出, 是一种添加型阻燃剂, 其受热后分解为H2O和MgO, MgO的熔点在2 800℃以上, 具有耐高温性质, 可以提高膨胀炭层的还热性, 同时高温 (1 000℃左右) 下不生成玻璃状的熔融物使炭层收缩, 而对涂层的耐火性能产生影响。固定配方 (SA:23, APP:30, PE:7.5, MEL:7.5, CL-P70:, 6, 钛白粉:5.0, 助剂:3, 水:19) , 研究不同MH添加量对涂料耐火时间和阻燃膨胀效果的影响, 实验结果如图5和表5所示。
对比添加纳米氢氧化镁前后的防火涂料的耐火时间和阻燃膨胀效果来看 (如图5和表5所示) , MH的加入可以改善炭层的耐热性, 具有明显的抑烟效果, 但是过量后会抑制涂层膨胀发泡性能, 适宜的添加量为3%~6%。
2.6 防火涂料的组成与性能
通过以上分析可知, 可膨胀石墨、镁阻燃剂防火阻燃性能需要与P-C-N膨胀阻燃体系、树脂基料合理进行复配, 防火性能才能有效地显现出来。笔者综合前期正交实验结论, 优化防火涂料配方如表6所示, 部分性能检测结果如表7所示。
2.7 热重分析
通过热重分析, 研究了有氧条件下添加P-C-N膨胀阻燃体系的有机硅改性丙烯酸酯树脂的热稳定性, TGA-DTA曲线如图6所示。在此基础上, 测试了加入可膨胀石墨和纳米氢氧化镁后膨胀型防火涂料的TGA-DTA曲线, 如图7所示。
在图6中, 30~165℃温度区间内的热失重对应的是涂层中未完全挥发的水分和树脂中没完全反应的小分子等, 其失重率约为2%。187℃附近的吸热峰对应着PE的晶型转变, 且此温度下丙烯酸酯树脂开始熔融。200~260℃温度区间内, 涂层失重率达到10%, 主要是由于丙烯酸酯树脂和PE开始受热分解;232℃和280℃左右的是树脂的熔融、分解吸热峰。260~475℃温度区间内, 涂层失重率约为37%。至此, APP开始分解放出酸和氨气、PE在酸的催化下酯化缩合放出水蒸气, 同时硅丙树脂完全热分解, 对应在378℃附近出现了一个很大的吸热峰, 充分体现了P-C-N膨胀发泡体系与硅丙树脂的协同热稳定性, 有助于涂料体系的发泡、膨胀、炭化的形成;390℃以后对应着涂层已膨胀到数厘米厚, 热失重和温度均上升非常缓慢, 这一阶段是防火涂料的稳定隔热阶段。温度高于500℃时, 前一阶段生成的炭化层和其他有机物在热氧作用下会被逐渐氧化, 生成CO2, 导致在550~640℃温度范围, 涂层再次明显失重, 失重率达到24%;最终, 温度达到700℃以后, 炭化层残余质量保持在26%左右不再变化, 主要成分是剩下的TiO2等无机物。
对比图7和图6的热失重曲线可以发现, 可膨胀石墨和纳米氢氧化镁的加入可以提高防火涂料的热稳定性, 涂层在700℃下的失重率不足50%, 到800℃其热失重也仅有54%, 远优于只添加P-C-N膨胀阻燃体系的涂层的热稳定性。而且在264~431℃温度区间内, 涂层失重率明显减少, 只有26%左右, 较前者减少了10%, 使得防火涂料的稳定隔热阶段更持久。这主要是由于EG在180℃左右发生膨胀, 优先于阻燃膨胀体系中其他组分的相关作用;其体积可以增大数百倍, 并形成“蠕虫”状纤维炭体直达涂层内部, 起到支撑及传导热量的作用;膨胀过程是个吸收热量的过程, 可以使发泡层均匀受热, 有利于促进防火助剂在涂料表面及内部的协同作用, 提升发泡层的致密度和膨胀倍数。同时, MH受热分解后会放出一部分水, 进而吸收热量降低涂层的温度;还会生成耐高温的MgO, 提高了炭层的耐热性能。
3 结论
(1) 硅丙乳液与膨胀阻燃体系组分比例为1∶ (2~2.5) 时, 且膨胀阻燃体系中聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇的组分比例为3.5∶1∶1时, 涂层耐火时间和膨胀效果综合评价最优。
(2) 可膨胀石墨和纳米氢氧化镁在涂料中的添加量分别为5%和3%时, 涂层耐火时间和膨胀效果最优。
(3) 酒精喷灯燃烧实验测试表明, 此防火涂料厚度为2mm, 在1 000℃酒精喷灯高温下, 105min时样品背温≤200℃。
(4) 热重分析显示, 可膨胀石墨和纳米氢氧化镁的加入可以提高涂层的热稳定性, 防火涂料800℃下热失重仅为54%, 抗燃隔热性能更持久。
摘要：以自制硅丙乳液为基料, 聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺为基本膨胀阻燃体系, 加入纳米氢氧化镁和膨胀石墨制成膨胀型防火涂料。通过耐火实验考察各阻燃成分的用量对涂料耐火时间和膨胀炭层的影响, 通过热重分析研究防火涂料的热稳定性。结果显示, 硅丙乳液与膨胀阻燃体系的最优质量比为1∶ (22.5) , 聚磷酸盐、三聚氰胺、季戊四醇的最优质量比为3.5∶1∶1, 可膨胀石墨和纳米氢氧化镁最佳含量为6%和1%;防火涂料厚2mm, 在1 000℃酒精喷灯下, 105min时样品背温≤200℃;添加可膨胀石墨和纳米氢氧化镁可以明显降低涂层的热失重率, 提高涂层热稳定性。
关键词：P-C-N型阻燃膨胀体系,耐火时间,膨胀现象
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