近年來(lái)，現(xiàn)代化廠房、機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓、影劇院、體育館、大型超市等大跨度建筑物廣泛采用鋼結(jié)構(gòu)。鋼材作為主要結(jié)構(gòu)材料，具有跨度大、自重輕、可預(yù)制加工等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于鋼材自身不燃，因此鋼結(jié)構(gòu)的防火隔熱保護(hù)問(wèn)題曾一度被人們所忽視；據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料報(bào)道和專業(yè)機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果顯示，鋼結(jié)構(gòu)建筑的耐火性能遠(yuǎn)比磚石結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)差。鋼材的力學(xué)性能是溫度的函數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度隨溫度的升高而降低；鋼材失去承載能力時(shí)的溫度，定義為鋼材失效的臨界溫度；通常建筑用鋼材的臨界失效溫度為540℃。對(duì)于建筑火災(zāi)，溫度大多在800～1200℃之間。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫曲線公式為：
T-TO=3451g(8t+1)
式中T-火場(chǎng)溫度(℃)，TO-火災(zāi)前室溫(℃)，t-時(shí)間(min)
由上式可知，在火災(zāi)發(fā)生的10分鐘內(nèi)，火場(chǎng)溫度可高達(dá)700℃以上。
對(duì)于裸露的鋼構(gòu)件，只需幾分鐘，溫度就可達(dá)到臨界值，在縱向壓力和橫向拉力作用下，鋼結(jié)構(gòu)扭曲變形、跨塌毀壞。由此可見(jiàn)，不作防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)，遭遇火災(zāi)時(shí)的危險(xiǎn)性是非常大的。
鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是涂覆于鋼結(jié)構(gòu)建筑物或構(gòu)筑物表面的一種涂料，具有一定的裝飾作用，遇火災(zāi)時(shí)能迅速膨脹形成耐火絕熱保護(hù)層，以滿足建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范的要求。
發(fā)泡劑是防火涂料在高溫火焰作用下形成海綿狀或蜂窩狀阻燃隔熱膨脹炭化層的重要組分。發(fā)泡劑含量以及復(fù)合發(fā)泡劑配比的不同，直接影響著防火涂料的阻燃隔熱性能，含量過(guò)高、過(guò)低或配比不恰當(dāng)都不利于形成優(yōu)質(zhì)的炭化層。本篇文章主要討論了發(fā)泡劑含量以及復(fù)合發(fā)泡劑配比對(duì)防火涂料性能的影響。
一、發(fā)泡劑含量對(duì)防火涂料性能的影響
1、 防火涂料的制備及其理化性能
在其他組分確定的條件下，探討發(fā)泡劑對(duì)膨脹型防火涂料性能的影響。取發(fā)泡劑樣品，其配方變化量見(jiàn)表1。從表2可以看出，該系列防火涂料的理化性能均能符合膨脹型防火涂料的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料通用技術(shù)條件》(GB14907-94)。
2、燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果
(1)鋼板背部溫度
經(jīng)涂覆防火涂料的鋼板背部溫度隨發(fā)泡劑含量的變化關(guān)系見(jiàn)圖1。當(dāng)發(fā)泡劑含量為13%～14%時(shí)(R 1、R 2、R 3)，隨發(fā)泡劑含量的增加，涂覆鋼板的背部溫度逐漸降低(當(dāng)發(fā)泡劑含量為13.56%時(shí)，鋼板背部溫度最低，低于150℃)；當(dāng)發(fā)泡劑含量超過(guò)14%時(shí)，隨發(fā)泡劑含量增加，涂覆鋼板的背部溫度逐漸升高，防火阻燃隔熱性能下降。
圖2顯示了涂層膨脹倍數(shù)隨發(fā)泡劑含量的變化關(guān)系?？芍诎l(fā)泡劑含量為13%～14%時(shí)(R1、R2、R3)，隨發(fā)泡劑含量的增加，防火涂料的膨脹倍數(shù)逐漸增加； R3的膨脹倍數(shù)最高，達(dá)到22.77倍；當(dāng)發(fā)泡劑含量超過(guò)14%時(shí)，隨發(fā)泡劑含量增加，膨脹倍數(shù)卻逐漸降低。結(jié)合燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，發(fā)泡劑在防火涂料中的含量?jī)H在很小的范圍內(nèi)變化，當(dāng)其含量與催化劑、成炭劑含量相匹配時(shí)，能得到膨脹倍數(shù)較高，結(jié)構(gòu)優(yōu)良的膨脹炭層。
二、 復(fù)合發(fā)泡劑配比對(duì)防火涂料性能的影響
含氯發(fā)泡劑(發(fā)泡劑2)在高溫下分解產(chǎn)生氯化氫(HCl)，其密度比空氣大，沉積在燃燒物外層，稀釋或隔絕了新鮮空氣,使被燃物無(wú)氧窒息，HCl迅速捕捉燃燒產(chǎn)生的自由基，減緩了高聚物的燃燒速度，減少可燃性氣體的生成，從而使火焰減小以至熄滅，發(fā)泡劑2的分解溫度較低，有利于涂層遇火時(shí)的軟化熔融，為涂層的成炭提供有利的條件，隨后脫水成炭催化劑催化成炭劑成炭；分解溫度較高的不含氯發(fā)泡劑(發(fā)泡劑1)分解釋放出 NH3、CO2、H2O等氣體使涂層膨脹，由于發(fā)泡劑1產(chǎn)生的氣體量大且危害性小，作為主發(fā)泡劑；發(fā)泡劑2在防火涂料中兼具增塑劑功能，可提升涂料的理化性能，但其用量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致涂膜不易實(shí)干，因此應(yīng)當(dāng)適量。為得到理化性能與防火性能均優(yōu)異的膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，本節(jié)研究了兩種發(fā)泡劑配比對(duì)防火涂料性能的影響。
1、防火涂料的制備及其理化性能
在固定其它原料含量的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變復(fù)合發(fā)泡劑的配比(見(jiàn)表3)，研究防火涂料的防火阻燃性能。
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近年來(lái)，現(xiàn)代化廠房、機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓、影劇院、體育館、大型超市等大跨度建筑物廣泛采用鋼結(jié)構(gòu)。鋼材作為主要結(jié)構(gòu)材料，具有跨度大、自重輕、可預(yù)制加工等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于鋼材自身不燃，因此鋼結(jié)構(gòu)的防火隔熱保護(hù)問(wèn)題曾一度被人們所忽視；據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料報(bào)道和專業(yè)機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果顯示，鋼結(jié)構(gòu)建筑的耐火性能遠(yuǎn)比磚石結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)差。鋼材的力學(xué)性能是溫度的函數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度隨溫度的升高而降低；鋼材失去承載能力時(shí)的溫度，定義為鋼材失效的臨界溫度；通常建筑用鋼材的臨界失效溫度為540℃。對(duì)于建筑火災(zāi)，溫度大多在800～1200℃之間。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫曲線公式為：
T-TO=3451g(8t+1)
式中T-火場(chǎng)溫度(℃)，TO-火災(zāi)前室溫(℃)，t-時(shí)間(min)
由上式可知，在火災(zāi)發(fā)生的10分鐘內(nèi)，火場(chǎng)溫度可高達(dá)700℃以上。
對(duì)于裸露的鋼構(gòu)件，只需幾分鐘，溫度就可達(dá)到臨界值，在縱向壓力和橫向拉力作用下，鋼結(jié)構(gòu)扭曲變形、跨塌毀壞。由此可見(jiàn)，不作防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)，遭遇火災(zāi)時(shí)的危險(xiǎn)性是非常大的。
鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是涂覆于鋼結(jié)構(gòu)建筑物或構(gòu)筑物表面的一種涂料，具有一定的裝飾作用，遇火災(zāi)時(shí)能迅速膨脹形成耐火絕熱保護(hù)層，以滿足建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范的要求。
發(fā)泡劑是防火涂料在高溫火焰作用下形成海綿狀或蜂窩狀阻燃隔熱膨脹炭化層的重要組分。發(fā)泡劑含量以及復(fù)合發(fā)泡劑配比的不同，直接影響著防火涂料的阻燃隔熱性能，含量過(guò)高、過(guò)低或配比不恰當(dāng)都不利于形成優(yōu)質(zhì)的炭化層。本篇文章主要討論了發(fā)泡劑含量以及復(fù)合發(fā)泡劑配比對(duì)防火涂料性能的影響。
一、發(fā)泡劑含量對(duì)防火涂料性能的影響
1、 防火涂料的制備及其理化性能
在其他組分確定的條件下，探討發(fā)泡劑對(duì)膨脹型防火涂料性能的影響。取發(fā)泡劑樣品，其配方變化量見(jiàn)表1。從表2可以看出，該系列防火涂料的理化性能均能符合膨脹型防火涂料的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料通用技術(shù)條件》(GB14907-94)。
2、燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果
(1)鋼板背部溫度
經(jīng)涂覆防火涂料的鋼板背部溫度隨發(fā)泡劑含量的變化關(guān)系見(jiàn)圖1。當(dāng)發(fā)泡劑含量為13%～14%時(shí)(R 1、R 2、R 3)，隨發(fā)泡劑含量的增加，涂覆鋼板的背部溫度逐漸降低(當(dāng)發(fā)泡劑含量為13.56%時(shí)，鋼板背部溫度最低，低于150℃)；當(dāng)發(fā)泡劑含量超過(guò)14%時(shí)，隨發(fā)泡劑含量增加，涂覆鋼板的背部溫度逐漸升高，防火阻燃隔熱性能下降。
圖2顯示了涂層膨脹倍數(shù)隨發(fā)泡劑含量的變化關(guān)系?？芍?，在發(fā)泡劑含量為13%～14%時(shí)(R1、R2、R3)，隨發(fā)泡劑含量的增加，防火涂料的膨脹倍數(shù)逐漸增加； R3的膨脹倍數(shù)最高，達(dá)到22.77倍；當(dāng)發(fā)泡劑含量超過(guò)14%時(shí)，隨發(fā)泡劑含量增加，膨脹倍數(shù)卻逐漸降低。結(jié)合燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，發(fā)泡劑在防火涂料中的含量?jī)H在很小的范圍內(nèi)變化，當(dāng)其含量與催化劑、成炭劑含量相匹配時(shí)，能得到膨脹倍數(shù)較高，結(jié)構(gòu)優(yōu)良的膨脹炭層。
二、 復(fù)合發(fā)泡劑配比對(duì)防火涂料性能的影響
含氯發(fā)泡劑(發(fā)泡劑2)在高溫下分解產(chǎn)生氯化氫(HCl)，其密度比空氣大，沉積在燃燒物外層，稀釋或隔絕了新鮮空氣,使被燃物無(wú)氧窒息，HCl迅速捕捉燃燒產(chǎn)生的自由基，減緩了高聚物的燃燒速度，減少可燃性氣體的生成，從而使火焰減小以至熄滅，發(fā)泡劑2的分解溫度較低，有利于涂層遇火時(shí)的軟化熔融，為涂層的成炭提供有利的條件，隨后脫水成炭催化劑催化成炭劑成炭；分解溫度較高的不含氯發(fā)泡劑(發(fā)泡劑1)分解釋放出 NH3、CO2、H2O等氣體使涂層膨脹，由于發(fā)泡劑1產(chǎn)生的氣體量大且危害性小，作為主發(fā)泡劑；發(fā)泡劑2在防火涂料中兼具增塑劑功能，可提升涂料的理化性能，但其用量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致涂膜不易實(shí)干，因此應(yīng)當(dāng)適量。為得到理化性能與防火性能均優(yōu)異的膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，本節(jié)研究了兩種發(fā)泡劑配比對(duì)防火涂料性能的影響。
1、防火涂料的制備及其理化性能
在固定其它原料含量的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變復(fù)合發(fā)泡劑的配比(見(jiàn)表3)，研究防火涂料的防火阻燃性能。
經(jīng)測(cè)試，該系列防火涂料的理化性能均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
2、燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果
(1)鋼板背部溫度
含不同復(fù)合發(fā)泡劑防火涂料涂覆的鋼板，在燃燒試驗(yàn)中鋼板背部所達(dá)最高溫度見(jiàn)圖3 。
由圖可以看出，在發(fā)泡劑1與發(fā)泡劑2配比小于3:1時(shí)，鋼板背部溫度相差不大，當(dāng)其配比為2.12:1時(shí)(X2)，鋼板背部溫度最低(
由圖可看出，涂層的膨脹倍數(shù)按X2、X3、X1、X4順序遞減，該結(jié)果與鋼板背面溫度的變化情況相符合。
綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，復(fù)合發(fā)泡劑配比影響防火涂料的膨脹性能及炭層質(zhì)量，從而影響到防火涂料的防火阻燃隔熱性能。遇火時(shí)，發(fā)泡劑2分解放出氣體，使已軟化、熔融的涂層膨脹發(fā)泡，體積增大；與此同時(shí)脫水成炭催化劑分解釋放出游離酸，催化成炭劑脫水炭化；隨后發(fā)泡劑1 分解放出氣體，促使膨脹炭層的最終形成。該過(guò)程中各原料組分的分解溫度要協(xié)調(diào)、用量需相互匹配。防火涂料在高溫下形成熔體的粘彈性決定了膨脹泡孔的結(jié)構(gòu)；膨脹的初始階段，體系粘度大，有利于形成小氣泡，膨脹后期，氣體的擴(kuò)散速度對(duì)膨脹程度起決定作用。因此，要獲得優(yōu)良的發(fā)泡體(炭化層)，必須使熔體中同時(shí)存在大量的氣泡核和過(guò)飽和氣體。發(fā)泡劑2含量適當(dāng)時(shí)，在遇火初始階段軟化熔融涂層體系的粘度較大，利于孔徑均一、致密炭層的形成；膨脹后期發(fā)泡劑1分解產(chǎn)生的氣體量對(duì)膨脹高度起到關(guān)鍵作用，所以發(fā)泡劑1含量也需適量，過(guò)多則會(huì)吹毀已形成的膨脹炭層，過(guò)少則膨脹不完全。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為發(fā)泡劑1:發(fā)泡劑2＝2.12:1時(shí)(X2)，能夠獲得膨脹性能優(yōu)異，呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)的膨脹炭層，獲得優(yōu)良的防火阻燃隔熱性能。
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