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水性防火涂料成分對(duì)防火時(shí)間的影響

文檔作者：趙蘇楊海峰吳嬌穎文檔來源：沈陽建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年11月19日
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． 。
材 研 謀 ‘
水性防火涂料成分對(duì)防火時(shí)間的影響
趙蘇。楊海峰。吳嬌穎
(沈陽建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110168)
[摘要] 為了探討水性防火涂料成分對(duì)防火時(shí)間的影響，以模擬大板燃燒法研究了其組分乳液、顏料、脫水催化
劑、成炭劑、發(fā)泡劑不同用量時(shí)的防火效果。結(jié)果表明：水性防火涂料的防火時(shí)間主要受膨脹海綿狀炭質(zhì)層的膨脹
高度、泡孔尺寸以及炭質(zhì)層表面形成的白色無機(jī)物質(zhì)連續(xù)程度等因素影響；水性防火涂料中基料、顏料、防火組分
含量影響了膨脹海綿狀炭質(zhì)層的結(jié)構(gòu)和性能，進(jìn)而影響了其防火時(shí)間。
[關(guān)鍵詞】水性防火涂料；防火時(shí)間；膨脹炭質(zhì)層；成分
[中圖分類號(hào)】TQ637．8 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B [文章編號(hào)】1001—1560(2011)05—0056—03
0 前言
近年來，高分子材料和鋼材在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越
來越廣。然而，高分子材料易燃，鋼材耐火極限低，過
去的十多年中，年均約有30 000起火災(zāi)，造成3 000左
右人員的死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百億元 ’2 J。因此，
預(yù)防火災(zāi)已成為當(dāng)今關(guān)注的焦點(diǎn)。水性膨脹型防火涂
料l3 具有防火效率高、不污染環(huán)境、施工方便、價(jià)格低
廉等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)基材有較好的保護(hù)作用H J，是火災(zāi)預(yù)防的
有效手段。
將可膨脹石墨和埃洛石等阻燃劑填加到水性涂料
中能提高其防火性能 J。對(duì)于膨脹型防火涂料，膨脹
炭質(zhì)層是決定防火性能的重要因素，過去對(duì)此研究較
少。本工作重點(diǎn)從水性防火涂料組分對(duì)炭質(zhì)層膨脹高
度、含微氣孔量和強(qiáng)度等影響方面研究防火時(shí)間的長(zhǎng)
短，得到了各組分的合理比例。
l 防火涂層制備及防火時(shí)間測(cè)定
1．1 防火涂層制備
水性防火涂料：將聚磷酸銨(APP)、三聚氰胺
(MEL)和季戊四醇(PER)混合在一起作防火組分；加
水、分散劑、潤(rùn)濕劑、消泡劑于燒杯中，用電動(dòng)攪拌器攪
拌，轉(zhuǎn)速1 000 r／min，時(shí)間5 min；減慢攪拌速度，依次
緩緩加入TIO 與混合均勻的防火組分，將攪拌速度調(diào)
[收稿日期] 2010—11—28
[基金項(xiàng)目] 建設(shè)部資金資助(06-I(7-31)
[通信作者] 趙蘇(1965一)，教授，博士，主要從事材料
，
化學(xué)的研究，電話：1332243321，E．mail：zhaosu
20o5@ 126．corn
至1 500 r／min，大約30 min后調(diào)至1 000 r／min，加入乳
液，成膜助劑，流平劑，攪拌30 min左右過濾。
按500 g／m 水性防火涂料用量，在水泥石棉板上
涂刷2遍，放置1周左右，即可制成防火涂層。
1．2 防火時(shí)間測(cè)定
將具有防火涂層的水泥石棉板放人烘箱中于5O
℃左右烘烤2 h，使水性涂料中揮發(fā)組分徹底揮發(fā)。參
照GB／T 15442．2—1995(大板燃燒法)，建立模擬大板
燃燒法試驗(yàn)裝置：將具有防火涂層的板面向下放置在
鐵架臺(tái)上；用酒精噴燈作加熱源，噴燈口距防火涂層大
約8 cm；水泥石棉板背面放置溫度計(jì)，加熱計(jì)時(shí)，背面
溫度達(dá)到120℃的時(shí)間即為防火時(shí)間。
2 涂料組分選用與防火時(shí)間
2．1 基科
基料是涂料的基礎(chǔ)組成，是主要的成膜物質(zhì)，對(duì)涂
料的性能起著決定性的作用。水性防火涂料以水為溶
劑或分散介質(zhì)，基料應(yīng)是能與之互溶的物質(zhì)。因此，以
使用最廣泛的乳液作水性防火涂料的基料。
2．I．I 基料種類
對(duì)3種乳液進(jìn)行選擇，采用相同的防火組分、顏
料、助劑和方法制備防火涂層。3種乳液對(duì)水性防火涂
料防火時(shí)間的影響見表1。
表1 水性防火涂料各組分含量及防火時(shí)間
種類”
l越封偶妒l
。馥臻如蕾 秒 彳c e ￡缸"
結(jié)果顯示，有機(jī)硅改性苯丙乳液的防火時(shí)間最長(zhǎng)，
原因是有機(jī)硅分子以重復(fù)的si—O鍵為主鏈，其解離
能為460．5 kJ／mol，顯著高于C—C鍵的304 kJ／mol，有
機(jī)硅對(duì)苯丙乳液改性可以提高涂料的耐候性 和乳液
的熱穩(wěn)定性。因此，選用有機(jī)硅改性苯丙乳液作基料。
2．1．2 有機(jī)硅改性苯丙乳液含量
其他原料配比不變，不同有機(jī)硅改性苯丙乳液含
量對(duì)水性防火涂料防火時(shí)間的影響見圖1。由圖1可
知：其含量在27．5％左右時(shí)，防火時(shí)間較長(zhǎng)，涂層膨脹
形成的炭質(zhì)層膨脹高、泡孔閉合分布均勻，銳鈦礦型
TiO 和焦磷酸鈦 形成的無機(jī)防火層連續(xù)密實(shí)；乳液
含量過少，膨脹炭質(zhì)層內(nèi)部氣孑L尺寸大，泡孔壁薄被火
焰沖破，使基材暴露于火焰中，生成的白色無機(jī)防火層
不連續(xù)，防火時(shí)間短；乳液含量過多，膨脹炭質(zhì)層膨脹
高度低，由熱傳導(dǎo)公式Q=A·A·At／L可知，炭質(zhì)層
厚度 減小，傳導(dǎo)的熱量Q相對(duì)增加，防火時(shí)間減少。
圖1 不『司有機(jī)硅改性苯丙乳液含量水性防火涂料的防火時(shí)間
2．2 顏料
顏料的作用是使涂膜擁有遮蓋基材的能力，提高
涂膜的硬度，為涂膜增加色彩。TiO 在白色顏料中用
量最大，主要有金紅石型和銳鈦礦型2種。后者的抗
粉化和耐候性比前者低，但成本較低，故用此作顏料。
在高溫條件下，TiO 可以與防火組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形
成白色、耐高溫的無機(jī)物質(zhì)，能提高炭質(zhì)層強(qiáng)度，而且
有利于涂層防火時(shí)間的延長(zhǎng)。
TiO 含量對(duì)水性防火涂料防火時(shí)間的影響見圖2。
由圖2可知，TiO 用量約為17．5％時(shí)防火效果較好，此
時(shí)炭質(zhì)層膨脹高、泡孔無開裂且分布均勻、TiO 和焦磷
酸鈦白色粉末分布得比較密集。當(dāng)涂層剛遇到火焰
時(shí)，TiO 與其他組分迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成膨脹的炭
質(zhì)層，當(dāng)石棉板背面溫度達(dá)到90 左右時(shí)，炭質(zhì)層表
面開始出現(xiàn)白色物質(zhì)，升溫速度明顯下降；當(dāng)白色粉末
基本不再產(chǎn)生時(shí)，升溫速度開始增加。涂層的防火過
程可能分為2個(gè)階段，一是高溫作用下迅速形成膨脹
炭質(zhì)層，另一則是TiO：與防火組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成
白色粉末。TiO：含量少，形成的白色物質(zhì)量少，對(duì)熱量
的隔絕效果差，防火時(shí)間短。TiO：含量過多，形成的膨
脹炭質(zhì)層組分相應(yīng)就會(huì)減少，影響了炭質(zhì)層膨脹的高
度，防火時(shí)間也會(huì)下降。
470
460
45O
440
430
42O
410
4oo
39O
圖2 不同TiO 含量水性防火涂料的防火時(shí)間
2．3 防火組分
水性防火涂料的防火組分由脫水催化劑、成炭劑
和發(fā)泡劑組成，是防火的關(guān)鍵組分。高溫作用下3種
組分發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)釋放出不燃?xì)怏w稀釋空氣
中的氧氣濃度，形成熱導(dǎo)率低的膨脹炭質(zhì)層，生成可以
終止或減緩燃燒連鎖反應(yīng)的自由基。
2．3．1 脫水催化劑(聚磷酸銨)
以APP為脫水催化劑，使之與多羥基化合物發(fā)生
酯化反應(yīng)，引發(fā)膨脹過程，促進(jìn)不易燃燒的三維炭層結(jié)
構(gòu)形成，減少熱分解產(chǎn)生的可燃性焦油量L8 ；此外，其
分解的產(chǎn)物還可以與TiO：發(fā)生反應(yīng)生成耐熱性好的焦
磷酸鈦。不同APP含量水性防火涂料的防火時(shí)間見
圖3。
48O
460
440
420
4o0
380
36O
340
32O
圖3 不同APP含量水性防火涂料的防火時(shí)間
由圖3可知：APP含量為5O％時(shí)防火效果較好，此
時(shí)炭質(zhì)層膨脹高，無脫落，白色粉末較多；APP用量少
時(shí)，分解產(chǎn)生的酸源不足，成炭量小、膨脹高度低，不利
于延長(zhǎng)防火時(shí)間；同時(shí)，它與TiO 反應(yīng)生成的焦磷酸鈦
量少，也不利于延長(zhǎng)防火時(shí)間；此外，發(fā)泡劑的用量相
對(duì)提高，分解的氣體吹落炭質(zhì)層，致使基材暴露于火焰
之中。所以，APP含量少時(shí)，防火時(shí)間短；APP含量多
時(shí)，發(fā)泡劑分解的氣體量少，炭質(zhì)層膨脹低、結(jié)構(gòu)密實(shí)，
熱傳導(dǎo)率增加，從而使水性防火涂料的防火時(shí)間下降。
2．3．2 成炭荊(季戊四醇)
成炭劑的主要作用是在涂層遇到火焰或高溫時(shí)，
； 。 ；
坡 靠鼉 強(qiáng) 打
圖5 不同MEL含量水性防火涂料的防火時(shí)間
由圖5可知：當(dāng)MEL含量在20％ 一30％ 時(shí)，PER
與APP含量相對(duì)較高，成炭量較多，形成的炭質(zhì)層膨脹
也高，MEL含量增加，炭質(zhì)層包裹的氣體量也增加，氣
體熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于固體的熱導(dǎo)率，炭質(zhì)層的熱導(dǎo)率也
逐漸降低，使防火時(shí)間逐漸延長(zhǎng)；30％ 時(shí)防火效果較
好。在小于咖5 mm氣孔中，傳熱方式以輻射為主，幾
乎不存在對(duì)流 ，MEL含量超過30％ 一40％時(shí)，氣孔
尺寸過大，由洛布式A=46·8·d·r·7d【1。 可知，炭
質(zhì)層中氣孔尺寸越大，熱導(dǎo)率A越高，防火時(shí)間越短；
當(dāng)MEL含量在40％ 一50％，炭源逐漸減少，炭質(zhì)層幾
乎不發(fā)生膨脹，其開裂趨勢(shì)也越來越嚴(yán)重，并出現(xiàn)脫
落，因而防火時(shí)間呈下降趨勢(shì)。
3 結(jié)論
(1)以有機(jī)硅改性苯丙乳液為基料的水性防火涂
料防火時(shí)間較長(zhǎng)，其用量在27．5％ 時(shí)防火效果較好。
乳液的分子結(jié)構(gòu)也會(huì)影響涂料的防火性能。
(2)TiO：用量為17．5％時(shí)水性防火涂料的防火效
果較好。TiO：對(duì)防火性能的影響主要是體現(xiàn)在與APP
的分解產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)形成耐高溫的無機(jī)物，但它對(duì)炭
質(zhì)層的結(jié)構(gòu)和性能影響不大。
(3)APP，MEL，PER含量分別為50％，30％ ，20％
時(shí)水性防火防火涂料的防火效果較好。防火組分對(duì)水
性防火涂料防火性能的影響：任一組分發(fā)生變化，炭質(zhì)
層的結(jié)構(gòu)和性能都將改變，APP和PER主要通過化學(xué)
反應(yīng)為炭質(zhì)層提供充足的炭源，MEL主要使炭質(zhì)層發(fā)
生膨脹、影響炭質(zhì)層內(nèi)部氣孔尺寸和數(shù)量，炭質(zhì)層的結(jié)
構(gòu)內(nèi)部含有微氣孔，熱導(dǎo)率會(huì)降低。三者的含量要相
互協(xié)調(diào)，才可以形成炭源充足、不開裂、膨脹高、含微氣
孔的炭質(zhì)層。
(4)水性防火涂料中乳液含量為27．5％ ，TiO 含
量為17．5％，APP：MEL：PER=5：3：2時(shí)，水泥石
棉板背面溫度可以達(dá)到120 oC，防火時(shí)間為480 s。
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