（化学工程专业论文）超薄型钢结构防火涂料的研制及其防火机理的研究.pdf

摘要 摘要 钢结构具有强度高、自重轻、延展性好等优点，在国内外建筑业中得到了广 泛应用。钢材虽然不具备可燃性，但其导热系数大，耐火性能差，不加防火保护 耐火极限只有0 2 5 小时，远达不到我国建筑设计防火规范的要求。因此，要提高 钢结构的耐火极限，必须对其实施有效的防火保护。 钢结构的防火保护措施形式多样，直接喷涂防火涂料是一种理想、可靠、经 济、实用的方法。超薄型钢结构防火涂料是2 0 世纪9 0 年代兴起的一种新型防火 涂料，同时具有优良的装饰作用和防火性能。本论文对超薄型钢结构防火涂料的 研制及其防火机理进行了研究。 超薄膨胀型防火涂料通常包括基料树脂、阻燃体系及其它组分。基料树脂对 膨胀型防火涂料的性能有重大影响，既保证涂层在正常条件下具有各种理化性能， 又能使其在火焰或高温作用下具有难燃性和优异的膨胀效果。通过比较不同树脂 体系形成炭化层的优劣，确定选用氨基树脂和丙烯酸树脂共混体系作防火涂料的 基料。通过实验对比不同树脂配比对防火涂料理化性能和防火性能的影响，确定 了最佳树脂组成和用量。 阻燃体系对防火涂料的阻燃性能具有决定作用。选用聚磷酸铵、a b 型阻燃剂 和磷酸二氢铵作脱水成炭催化剂，三聚氰胺作发泡剂，季戊四醇作成炭剂，研究 阻燃体系各组分对防火涂料性能的影响，确定了阻燃体系各组分的最佳用量。实 验发现聚磷酸铵的聚合度对涂料的综合性能有重大影响，聚合度高，涂料的理化 性能和防火性能好。 超薄型钢结构防火涂料涂层性能不仅与基料树脂、阻燃体系、颜填料等物料 的物理化学性能有关，还与体系中各组分的用量比有关。调整体系中颜填料的质 量分率，研究颜填料用量对防火涂料性能的影响，确定了综合性能最佳时颜填料 的用量。 防火涂料的固含量高，表面张力大，加入流变剂和流平剂能分别改善涂料的 流变性和流平性，提高贮存性能和理化性能。根据溶度参数理论，用滴定法测定 了树脂体系的溶度参数，确定选用2 0 0 号汽油、正丁醇和乳酸丁酯组成混合溶剂。 采用热重分析( t o ) 、差热分析( d t a ) 、示差扫描量热( d s c ) 等热分析手 段测试阻燃体系各组分及干燥涂层的热学性能，对超薄型钢结构防火涂料的阻燃 机理进行深入研究。t g 、d t a 、d s c 等研究结果表明，聚磷酸铵一季戊四醇一三聚氰 胺三者能密切配合，协同作用。 关键词钢结构防火涂料；超薄型；基料树脂；阻燃体系：阻燃机理 a b s t r a c t s t e e ls t r u c t u r eh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sc o n s t r u c t i o n i n d u s t r y f o ri t s a d v a n t a g e ss u c ha sh i g hs t r e n g t h ，l o wd e a d w e i g h ta n dw o n d e r f u l d u c t i l i t y t h o u g hi n c o m b u s t i b l e ，s t e e lm a t e r i a l sp o s s e s sh i g hh e a te o n d u c t i v i t y a n d p o o rf i r e r e s i s t i n gp e r f o r m a n c e s w i t h o u t f i r ep r e c a u t i o nm e a s u r e s ，t h e i rf i r e p r o o f i n g l i m i ti si u s taq u a r t e ro fh o u r , f a rl e s st h a nt h ef i r e p r o o f i n gs t a n d a r dt i m es p e c i f i e db y t h en a t i o n a lc o n s t r u c t i o nd e s i g ns p e c i f i c a t i o n s e f f e c t i v ef i r ep r e c a u t i o nm e a n ss h o u l d b et a k e nt os t r e n g t h e nt h ef i r er e s i s t i v ea b i l i t yo fs t e e ls t r u c t u r e v a r i o u sf i r ep r e c a u t i o nm e a n sh a v eb e e nu t i l i z e dt op r o t e c ts t e e ls t r u c t u r ea n d f i r er e s i s t i v ec o a t i n gi sa ni d e a l ，e f f e c t i v e ，e c o n o m i c a la n dp r a c t i c a lo n e an e w t y p e o ff i r ep r e c a u t i o nc o a t i n g sh a sb e e nd e v e l o p e di n19 9 0 s ，w i t hu l t r at h i n f i l m e df i r e r e s i s t i v i t y f o rs t e e ls t r u c t u r ec o a t i n gw h i c hp o s s e s s e se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e sb o t h d e c o r a t i v ea n df i r e - r e s i s t i n gp r o p e r t i e s i nt h i sp a p e r ，i n v e s t i g a t i o no nt h ef o r m u l a t i o n o ft h en e wk i n do f c o a t i n ga n d i t sf l a m er e t a r d a n tm e c h a n i s mh a sb e e n p r e s e n t e d u l t r at h i n f i l m e df i r er e s i s t i v ec o a t i n gf o rs t e e ls t r u c t u r ec o n s i s t so fb i n d e r s ， f l a m e r e t a r d a n t sa n do t h e rc o m p o n e n t s b i n d e r sg r e a t l yi n f l u e n c et h ep r o p e r t i e so ft h e i n t u m e s c e n tc o a t i n g ，e n s u r i n gi t sp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e su n d e rr e g u l a ra m b i e n t a n dn o n f l a m m a b i l i t ya n de x c e l l e n ti n t u m e s c e n te f f e c ti nc a s eo ff i r e t h em i x t u r eo f a m i n or e s i na n da c r y l i cr e s i nh a sb e e ns e l e c t e db a s e do ut h e c o m p a r i s o n o ft h e c h a r r i n gl a y e rc h a r a c t e r i s t i c sf r o md i f f e r e n tr e s i ns y s t e m s t h er a t i oo f t h er e s i n sa l s o h a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ep h y s i c o c h e m i c a la n d f i r e r e s i s t i n gp r o p e r t i e so f t h ec o a t i n g a n dt h eo p t i m u mr a t i oa n da d d e da m o u n to ft h er e s i n sh a v eb e e nd e c i d e d f i r e r e s i s t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ec o a t i n gi s d e t e r m i n e db yt h ef i r er e t a r d a n t s y s t e m a m m o n i u mp o l y p h o s p h a t e ( a p p ) ，a b - t y p e df i r er e t a r d a n ta n da m m o n i u m d i h y d r o g e np h o s p h a t e ( a d p ) a r es e l e c t e da sd e h y d r a t i n ga g e n t ，a n dm e l a m i n e ( m e l ) a sb l i s t e r ，p e n t a e r y t h r i t o l ( p e ) a sc a r b u r e t a n t t h ee f f e c t so ft h ec o m p o n e n t so nt h e p e r f o r m a n c e s o ft h e c o a t i n g h a v eb e e ns t u d i e da n dt h ef o r m u l a t i o nh a sb e e n o p t i m i z e d i ti sf o u n dt h a tt h ep o l y m e r i z a t i o nd e g r e eo fa m m o n i u mp o l y p h o s p h a t eh a s ag r e a te f f e c to nt h ep r o p e r t i e so ft h ec o a t i n g ，a n dh i g h e rt h ep o l y m e r i z a t i o nd e g r e ei s ， b e t t e rt h ep h y s i c o e h e m i c a la n d f i r e r e s i s t i n gp r o p e r t i e sa r e t h er a t i oo ft h ec o m p o n e n t sa l s oh a se f f e c to nt h eg e n e r a lp r o p e r t yo f t h ec o a t i n g ， e f f e c t so ft h ec o n s u m p t i o no ft h ep i g m e n ta n d f i l l i n go nt h ep r o p e r t i e so f t h ec o a t i n g h a v eb e e ni n v e s t i g a t e da n dt h eo p t i o n a lc o n s u m p t i o ni sd e t e r m i n e db ya d j u s t i n gt h e r a t i o no ft h ep i g m e n ta n dt h eb i n d e r s i i t h ec o a t i n gh a sh i g hs o l i dc o n t e n ta n dg r e a ts u r f a c et e n s i o n r h e o l o g i c a la g e n t a n df l o wa g e n ta r ea d d e dt oi m p r o v et h er h e o l o g i ca n dl e v e l i n gp r o p e r t y ，a n ds t o r a g e s t a b i l i t ya n dp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa r ep r o m o t e ds i m u l t a n e o u s l y b a s e do nt h e t h e o r yo fs o l u b i l i t yc o e f f i c i e n t ，t h ec o e f f i c i e n to f t h eb a s er e s i ns y s t e mw a sm e a s u r e d b yt i t r i m e t r y p e t r o l2 0 0 ，n b u t y l a l c o h o la n db u t y ll a c t a t ea r es e l e c t e da ss o l v e n t b l e n d b ya d v a n c e da p p a r a t u sa n da n a l y s i sm e t h o d ss u c ha st h e r m o g r a v i m e t r y ( t g ) ， d i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i s ( d t a ) a n dd i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ( d s c ) ，t h e t h e r m a lp r o p e r t i e so ft h ef i r er e t a r d a n t sa n dt h ed r i e dc o a t i n gl a y e rw e r em e a s u r e da n d t h ef l a m er e t a r d a n tm e c h a n i s mw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t so fto d t aa n dd s c s h o wt h a t ，i nt h ew h o l ei n t u m e s c i n gp r o c e s s ，a p p ，p ea n dm e l c o o p e r a t ew i t he a c h o t h e ra n ds y n e r g i s mi sg e n e r a t e d k e y w o r d s ：f i r er e s i s t i v ec o a t i n gf o rs t e e ls t r u c t u r e ；u l t r at h i n f i l m e d ；b a s er e s i n ；f i r e r e t a r d a n ts y s t e m ；f i r er e t a r d a n tm e c h a n i s m i i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：王扁江 日期：2 。弓年月石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“、，”) 作者签名： 导师签名： 王废卫 专燎钦 日期：汹多年月6 日 日期：2 d 。亏年6 月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 钢结构的应用及钢结构防火 1 1 1 钢结构的应用现状及发展趋势 在建筑材料中，钢结构以其强度高，自重轻，有良好的延展性和抗震性，施 工周期短等优点，在建筑业中得到了广泛应用，尤其在超高层、超大跨度建筑方 面更显示出强大的生命力。 自1 8 8 5 年芝加哥建起第一座高5 5 米的钢结构大楼以来，一幢幢高层、超高 层钢结构建筑如雨后春笋般拔地而起。 1 1 截止1 9 9 0 年底，世界上2 0 0 米以上的高 层建筑中钢结构占了7 9 。著名的钢结构建筑有法国巴黎的埃菲尔铁塔，日本东 京的东京塔，美国芝加哥的西尔思大厦，纽约的帝国大厦，中国香港的中银大厦 以及前纽约世贸中心大厦等。芝加哥西尔思大厦高4 4 3 米，原纽约世界贸易中心 高4 1 2 米，东京阳光大厦高2 2 6 米，它们都是大城市的标志性大厦，都是纯钢结 构建筑。 改革开放以来，随着我国钢铁技术的迅猛发展，钢铁产量的大幅提高，以及 国际技术交流合作的迸一步加强，钢结构应用技术在我国也得到了蓬勃发展，北 京、上海、深圳等地均有钢结构建筑的佳作。近几年建成的系列建筑物，如北京 1 8 3 米的京城大厦、2 0 8 米的京广中心，上海1 5 3 米的新锦江大酒店，深圳1 6 5 米的发展中心大厦，北京大跨度亚运会体育馆，上海世界排名第二、跨度6 0 2 米 的杨消大桥等均为国内钢结构建筑的代表作。 2 】据悉北京成功串办2 0 0 8 年奥运会 后，新建的奥运体育场馆也将全部采用钢结构型式。【3 1 2 0 0 3 年春复工的上海环球 金融中心经过修改设计，拟建成4 9 2 米世界第一高楼，其大部分也将采用钢结构。 轻型钢结构是只由圆钢、小角钢和薄壁型钢组成的结构。轻型钢结构的屋面 荷载较轻，杆件截面较小、较薄，除具有普通钢结构材质均匀、应力计算准确可 靠、加工制造简单、工业化程度高、运输方便等特点外，还具有取材方便、用料 较少、自重更轻等优点。轻型钢屋盖结构的用钢量一般为8 1 5 k g m 2 ，接近相同 条件下钢筋混凝土结构的用钢量，且能节约大量木材、水泥及其它建筑材料，将 结构自重减轻为普通钢结构的7 0 8 0 ，总造价较低。 轻钢结构工业化、商品化程度高，施工快，综合效益商，市场需求量很大， 已引起结构设计人员的重视，被广泛应用于仓库、办公室、工业厂房及体育设施 等。轻钢结构是近1 0 年来发展最快的领域，在美国采用轻型钢结构占非住宅建筑 投资的5 0 以上；在我国这种结构每年以2 0 0 万m2 的速度递增，轻钢住宅的研 究开发也已在各地试点，目前已有多种低层、多层和高层的设计方案和实例。轻 钢结构具有大跨度、大空间，分隔使用灵活，施工速度快，抗震有利等特点，将 华南理工大学工学硕士学位论文 对我国传统的住宅结构模式产生较大冲击。钢结构建筑体系的环保性和经济性， 也将使越来越多的钢结构应用于轻型或高层建筑结构。【4 1 1 1 2 钢结构的特点及其防火保护 钢材虽然不具备可燃性，是非可燃材料，但是钢材的导热系数大，常温热导 率高达5 8 2 w m k ，遇火或遇热温度达到5 0 0 左右时其弹性模量、屈服强度和 极限强度将显著降低，应变急剧增大，致使其迅速扭曲变形，导致钢结构部分或 全部塌陷破坏，其良好的导热性在高温下将加速热量的传递。一般说来，钢材的 机械强度随着温度的升高而降低。1 5 j 钢结构的耐火性能差，在火灾中强度会迅速下降，当温度达到3 5 0 、5 0 0 、 6 0 0 。c 时，其强度分别下降1 3 、1 2 、2 3 。f 6 】钢材温度升高到一定值时其失去支撑 能力，这一温度就定义为临界温度。据理论计算，在全负荷情况下钢结构失去静 态平衡稳定性的临界温度为5 2 8 ，一般常用建筑钢材的临界温度为5 4 04 c 。建筑 物火灾火场温度大多在8 0 0 1 2 0 0 之间，火灾发生的1 0 分钟内火场温度即可 升到7 0 0 。c 以上。在这样的火场温度下，裸露钢构件几分钟内温度就会上升到临 界值，出现塑性变形，产生局部破坏而失去承载能力，引起坍塌，造成严重的伤 亡事故和经济损失。国内有不少这方面的例子，如1 9 6 9 年1 2 月1 9 日上海文化广 场发生火灾，1 5 分钟内8 6 0 0 m 2 的钢结构屋盖系统全部倒塌，造成1 3 人死亡、1 4 0 余人受伤的严重后果；1 9 7 3 年5 月天津市体育馆3 5 0 0 m 2 的主馆钢屋架起火，1 9 分钟内全部倒塌；1 9 8 3 年1 2 月北京友谊宾馆剧场3 1 0 0 m 2 的钢屋架仅4 分钟就整 体变形倒塌。还有中央党校礼堂、济南市工人俱乐部礼堂等都在火灾发生后很短 时间内倒塌，造成重大损失。而国外一些加强防火保护的钢结构建筑发生火灾后 较少发生整体垮塌的现象，如1 9 7 0 年8 月5 日美国纽约宾馆第3 4 层发生火灾， 3 3 层至3 5 层被烧毁，死亡2 人、烧伤5 0 人，经济损失约1 0 0 0 万美元，但主体 钢结构损坏不大；1 9 8 8 年5 月4 日美国洛杉矶市第一国际银行发生火灾，4 个楼 层全部被烧毁，直接经济损失几亿美元，但由于使用了混凝土和金属板条保护， 钢梁和钢柱没有受到大的损坏。 7 1 2 0 0 1 年“9 1 1 ”事件发生后，美国国家标准和 技术学会( n i s t ) 建筑和火灾研究试验室的专家们认为，火灾是导致世界贸易中心 双塔倒塌以及五角大楼发生重大损失的关键因素，飞机的撞击虽对大楼造成了一 定的破坏，但随后的大火才是世贸双塔倒塌的直接原因。几十吨航空燃油和楼内 大量家具、电器、纸张的猛烈燃烧降低了塔楼相关楼层结构的承重能力，引起了 “链反应”式的整体坍塌。【8 】专家们对大楼的防火措施在大火中是否起到有效的 隔热保护作用仍在进一步地研究和评估。国内外众多火灾实例和耐火试验表明， 裸露钢结构的耐火极限只有0 2 5 h ，火灾时不加防火保护的钢结构其强度只能维 持1 5 r a i n 。显而易见，要在短短的15 m i n 内将大火扑灭是比较困难的，因此必须 2 第一章绪论 对钢结构采取有效的防火措藤。钢结构的防火保护对保卫人民生命_ 财产安全和减 少火灾损失具有重要意义。 1 。2 钢结构的防火措旋 1 2 ，1 钢结构的防火要求 我国高层民用建筑设计防火规范规定的耐火要求为：柱的耐火极限为2 o 3 0 h ，梁的耐火极限为1 5 2 o h ，楼板的耐火极限为1 5 2 0 h ；同时我国现行建 筑设计防火规范对钢结构耐火极限的要求为：高层民用建筑的柱、梁及楼板与 屋顶承重构件的耐火极限为1 5 3 o h ；一般工业与民用建筑的柱、梁及楼板与屋 顶承重构件的耐火极限为0 5 3 o h 。 6 j 因此，要将钢结构的耐火极限由未加保护 的0 2 5 h 提高到现行防火规定的1 0 3 o h ，需对钢结构实施有效的防火保护。 1 2 2 钢结构防火方法的分类 目前世界各国保护钢结构的方法多种多样，这些方法从原理上可分为两大类： 疏导法和截流法。o ，“i 疏导法，即允许热量传到钢结构上，然后设法把热量导走或消耗掉，从而使 构件温度不至于高到临界温度而起到保护作用。疏导法目前只包括充水冷却保护 一种。该方法是在空心封闭的钢构件中充满水，火灾时构件把从火场中吸收的热 量传递给水，依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量移走，从而控制构件的温 度在1 0 0 左右。从理论上讲这是钢结构防火保护最有效的方法，冷却水可由高 位水箱、供水管网或消防车来补充，蒸汽可由专设的排气口排出，缺点是增加了 构件的自重以及水对钢结构的可能腐蚀。为防止锈蚀或水结冰，通常还需在水中 掺加防锈剂和防冻液。国际上少数钢结构建筑采用水冷却进行防火保护，如美国堪 萨斯州银行大厦和匹兹堡钢铁公司大厦在空心钢构件中灌注防冻、防腐的水溶液， 火灾时通过其循环吸热丽保证钢结构的安全。这种钢结构保护方法在我国尚未采 用。【1 2 】 截流法，其原理是截断或阻滞火灾产生的热量向构件传输，使构件在规定的 时间内温升不超过临界温度。具体做法是在构件表面设置一层保护材料，火灾产 生的热量首先传给这些保护材料，再由保护材料传给构件。由于选用的材料导热 系数小而热容量大，能很好地阻滞热量向构件传输，从而起到保护作用。 截流法包括包封法、屏蔽法、水喷淋法、喷涂法等。 ( 1 ) 包封法 包封法是最常见也是最基本的钢结构保护法，它是利用耐火 材料把构件包裹起来形成保护。包封材料常有防火板材、陶粒混凝土、砖、钢丝 网抹灰粉等。美国的纽约宾馆、英国的伦敦保险公司办公楼、上海浦东世界金融 大厦等的钢柱防火保护均采用这种方法。 丝童堡三奎兰三兰堡圭耋堡丝塞 ( 2 ) 屏蔽法屏蔽法是把钢结构包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内的方 法，主要适用于钢结构屋盖系统的保护。 ( 3 ) 水喷淋法水喷淋法是在钢结构顶部铺设喷淋供水管网，火灾时自动 或手动启动喷水，在构件表面形成连续流动的致密水膜，对钢构件起到保护作用。 ( 4 ) 喷涂法喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷涂在构件表面，形成 防火保护层。i t 3 1 在以上几种防火保护方法中，要使钢结构达到规定的防火要求，包封法和屏 蔽法需要相当厚的保护层，增加了构件重量；水喷淋法在构件的顶部铺设喷淋装 置后，破坏了钢结构的整体性。钢结构防火涂料喷涂在构件表面起隔热保护作用， 防止钢结构在火灾中迅速升温而降低强度，避免失去承重能力而导致建筑物垮塌， 为消防救火赢得宝贵时间。相比之下，在钢结构上直接刷涂防火涂料是最理想、 最可靠，也是最经济、最实用的方法。 1 4 1 因此，开发性能良好的防火涂料具有重 大意义。 1 3 钢结构防火涂料的发展趋势 1 3 1 钢结构防火涂料的分类及现状 钢结构防火涂料是涂刷在建筑物及构筑物的钢结构表面，能形成耐火隔热保 护层而提高钢结构耐火极限的涂料。国外在2 0 世纪7 0 年代就已经开始对其进行 研究，8 0 年代初产品进入中国市场，并在工程上得到了应用。8 0 年代初在公安部 的计划安排下，公安部四川消防研究所率先开展了钢结构防火隔热保护技术的系 统研究，并研制出国内第一个实用的产品一一l g 钢结构防火隔热喷涂涂料。此 后国内对钢结构防火涂料的研究逐渐开展起来，发展到今天基本上已形成多品种、 系列化。 1 5 , 1 6 , 1 7 1 钢结构防火涂料根据其组成和防火原理划分，可分为膨胀型钢结构防火涂料 和非膨胀型钢结构防火涂料；按使用场所可分为室内钢结构防火涂料和室外钢结 构防火涂料；按使用厚度可分为超薄型钢结构防火涂料、薄型钢结构防火涂料和 厚型钢结构防火涂料。室内型用于建筑物室内或隐蔽工程的钢结构表面，室外型 用于建筑物室外或露天工程的钢结构表面。【”j 厚型基本上是水溶性的，超薄型有 水溶性和溶剂型两类。 1 9 , 2 0 , 2 1 1 ( 1 ) 超薄型钢结构防火涂料超薄型钢结构防火涂料是涂层厚度不超过 3 r a m 的防火涂料。这种涂料受热时迅速膨胀发泡，形成致密防火隔热层，施工可 采用喷涂、刷涂或辊涂，一般用在耐火极限要求2 小时以内的建筑结构上。该涂 料涂层薄，外观装饰性好，满足防火要求的同时具有良好的装饰性，施工方便， 特别适用于裸露钢结构，目前备受重视，是铜结构防火涂料发展的重要方向。1 2 2 国内产品中，公安部四川消防研究所研制的s c b ( 溶剂型) 和s c a ( 水溶性) 4 第一章绪论 超薄型钢结构防火涂料，涂层厚度分别为2 6 9 m m 和1 6 0 m m 时耐火极限分别为 1 4 7 m i n 和6 3 m i n ；l f ( 溶剂型) 和l 6 ( 溶剂型) 超薄型钢结构防火涂料涂层厚 度分别为2 0 0 m m 和3 0 0 m m 时耐火极限分别为9 4 m i n 和9 0 r a i n 。国内此类产品还 有北京石油化工学院的i f r c 9 9 型超薄型钢结构防火涂料、上海长安防火阻燃材 料有限公司的g f t - b 型钢结构防火涂料、昆山防火材料厂的a 6 0 - 5 0 i b 超薄型钢 结构防火涂料、福建福日特种材料有限公司的f r 9 5 8 a r 超薄型钢结构防火涂料 等。众多产品已被广泛应用于体育馆、影剧院、展览馆、饭店、商厦、发电厂、 石油化工企业、仓库以及民用建筑等钢结构。【5 ，2 孓3 l j 国外此类产品有德国贺柏兹公司( h e r b e r t s ) 的w a t e rb a s e d3 8 3 2 型钢结构防 火涂料( 水溶性) ，涂层厚度2 6 3 m m ，耐火极限6 3 r a i n ；3 8 0 9 1 型钢结构防火涂 料( 溶剂型) ，涂层厚度2 ，4 2 m m ，耐火极限1 2 4 m i n 。英国的n u i f i r e 钢结构防火 涂料( 溶剂型) ，涂层厚度2 2 4 r a m ，耐火极限1 0 6 m i n 。加拿大a d 防火有限责 任公司的a i df i r e f i l m 防火涂料，涂层厚度2 5 9 r a m ，耐火极限2 h 。此外还有 日本立邦公司的f r 钢结构防火涂料，涂层厚度1 2 m m ，耐火极限1 h 。1 3 2 ( 2 ) 薄型钢结构防火涂料国家标准规定薄型钢结构防火涂料的涂层厚度 大于3 m m 且小于或等于7 m m 。这类钢结构防火涂料一般用适当的聚合物乳液作 基料，配以阻燃剂、填料和助剂等。选用的乳液要求对钢结构有良好的附着力、 耐久性和耐水性，常用的有苯乙烯改性丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液，偏氯乙烯 乳液等。这种防火涂层分为底层( 隔热层) 和面层( 装饰层) ，受热迅速膨胀发泡， 但发泡率不高，装饰性比厚型好，采用喷涂施工，常用于耐火极限不超过2 小时 的建筑钢结构。 国内的s c m 钢结构防火涂料、s w b 钢结构防火涂料、s d 一1 钢结构防火涂料 和l b 钢结构防火材料，涂层厚度分别为3 3 7 r a m 、5 5 r a m 、53 m m 和7 4 m m 时， 耐火极限分别为0 8 6 h 、1 o h 、1 6 2 h 和2 0 5 h 。这些涂料已被应用在北京亚运会体 育馆、石景山发电厂、云南玉溪卷烟厂、西昌卫星发射中心、上海浦东国际机场 等建筑的钢结构工程上。 3 3 , 3 4 】国外对此类钢结构防火涂料的报道较少。 ( 3 ) 厚型钢结构防火涂料 国家标准规定厚型钢结构防火涂料的涂层厚度 大于7 m m 且小于或等于4 5 m m ，涂层厚度2 5 m m 时耐火极限为2 o h 。厚型钢结构 防火涂料从防火原理上看是非膨胀型防火涂料，主要由难燃性粘结剂、阻燃剂、 防火填料等物料配制而成，火灾中涂层基本不膨胀，依靠涂层本身的不可燃、低 热导性或吸热性，阻滞热量的传递，延缓钢材的温升。 国内此类产品如s d 一2 钢结构防火涂料、t n l g 钢结构防火涂料和t n t s 钢 结构防火涂料等，涂层厚度为2 7 6 m m 、3 9 5 m m 和3 5 0 m m 时，耐火极限分别可 达2 2 8 h 、2 5 3 h 和3 o h 。这些产品已在北京王府并百货大楼、北京中国国际贸易 中心、广州造船厂、上海东方明珠电视塔、上海证券大厦、上海世贸商城等设施 华南理工大学工学硕士学位论文 的钢结构工程中得到应用。1 5 , 3 5 , 3 6 国外产品如英国g r a c ec o n s t r u c t i o np r o d u c t ( 格雷斯建材产品) 的m o n o k e t e f i r e p r o o r i n gu k 6 钢结构防火涂料，涂层厚度4 7 4 r a m ，耐火极限2 5 h ；美国美商 华人企业股份有限公司的a d 钢结构防火涂料，涂层厚度3 3 7 m m ，耐火极限3 o h ； c a f c o 欧洲有限公司的c a f c ob l a z es h e l di i 钢结构防火涂料，涂层厚度 1 8 0 m m 和3 4 0 m m ，耐火极限分别为1 8 8 h 和3 8 h 。该公司的c a f c o3 0 0 钢结构 防火涂料涂层厚度为3 5 0 m m 和4 1 0 m m 时，耐火极限分别可达4 5 h 和5 o h 以上。 此外还有英国m a n d o v o l 公司的水泥蛭石系列防火涂料( 如p 2 0 、mi i 牌号) 、日 本n i c h i a s 公司的矿棉防火喷涂涂料等。 1 。3 。2 超薄型钢结构防火涂料的发展趋势 超薄型钢结构防火涂料是2 0 世纪9 0 年代为适应建筑物钢结构防火保护和装 饰性的更高要求开发出来的，涂层厚度一般为1 5 r a m 至3 0 m m 。涂层遇火膨胀， 膨胀率较高，可形成4 0 r n m1 0 0 m m 的炭化层，炭化泡沫层致密结实，耐火极限 为0 5 小时至3 小时。超薄型钢结构防火涂料的附着力、耐候性、抗震性、抗弯 曲程度、耐水性等理化性能均优于厚型钢结构防火涂料和薄型钢结构防火涂料。 超薄型钢结构防火涂料是一种新型建筑涂料，国内原来没有相应的理化性能 和防火性能检测标准，科研和生产常参照室内钢结构防火涂料通用技术条件 ( g b l 4 9 0 7 9 4 ) 对薄涂型钢结构防火涂料的有关技术要求。2 0 0 2 年1 月钢结构 防火涂料国家标准( g b l 4 9 0 7 2 0 0 2 ) 由国家质量监督检验检疫总局批准，并于 2 0 0 2 年8 月1 日正式实施，为超薄型钢结构防火涂料的研制和生产提供了依据。 目前，钢结构防火涂料正朝着涂层超薄、装饰性强、施工方便、低有机溶剂挥发 ( v o c ) 、防火性能好、应用范围广的多功能型涂料方向发展，因此，开发出符 合新国家标准的技术要求、耐火性能理想、耐老化、装饰性好、施工方便、既可 用于室内也可用于室外的超薄型钢结构防火涂料，是我国涂料工业工程技术人员 急需解决的课题和任务。 1 4 本研究的主要目的和内容 我国对超薄型钢结构防火涂料的需求日渐增长，但该种涂料价格较贵，而且 涂层厚度较大、施工用量较多，因而总成本较高，在一定程度上限制了它的使用， 但从发展趋势看，超薄型钢结构防火涂料必将最终替代厚型和薄型钢结构防火涂 料。据有关数据显示，我国目前2 0 0 多家有关的生产企业中，生产厚型防火涂料 的约占5 0 ，生产薄型防火涂料的约占3 0 ，只有2 0 左右的企业生产超薄型防 火涂料，因此，开发防火性能好、理化性能优越、旅工方便、成本较低的超薄型 钢结构防火涂料产品，对提高企业知名度、增加企业效益、提高企业产品竞争力 和市场占有率都有重要的积极意义。 6 第一章绪论 由室内钢结构防火涂料通用技术条件修订而来的新国家标准，在主体结 构不变的情况下调整了某些技术指标，增加了室外钢结构防火涂料和超薄型钢结 构防火涂料的技术要求和试验方法等内容。新标准根据近几年我国钢结构防火涂 料耐火性能的检验情况，确定三类涂料的耐火性能技术指标分别为：b 类6 5 0 m m ，t 1 o b ；c b 类6 2 0 r a m ，t 1 0 h ；h 类6 2 5 0 m m ，t 2 o h 。这些 技术指标是在贯彻原标准过程中积累众多数据的基础上，经分析比较后对相应类 别的涂层厚度和耐火极限做出的新规定，较为合理。【37 】表1 1 是钢结构防火涂 料通用技术条件( g b l 4 9 0 7 9 4 ) 【3 卅与钢结构防火涂料国家标准 ( g b l 4 9 0 7 2 0 0 2 ) 【”】对防火涂料技术性能要求的对比。通过对比可以发现，新标 准对防火涂料的理化性能尤其是初期抗开裂性，以及耐火性能提了新的更高要求。 本论文运用高分子材料物理方面的相关知识，深入分析实验现象，研究防火 涂料中各组分的性质、用量与防火涂料性能之间的关系，借助燕分析手段，从树 脂的玻璃化转变温度、熔融温度、阻燃体系各组分的热学性能来研究影响涂料防 火性能的各种因素。根据锕结构防火涂料的特点，结合合作单位珠江化工集团广 州制漆厂的生产和科研实际，主要开展以下几个方面的工作： ( 1 ) 在前期研究工作基础上，继续进行基辩和艘燃体系豹筛选帮配方工艺的 研究： ( 2 ) 探讨基料中各个因素对涂层性能的影响，解决涂膜初期抗开裂性差的间 题，提高理化性能，达到钢结构防火涂料新国家标准要求； ( 3 ) 研究阻燃体系中各组分对涂料防火性能的影响，提高耐火极限，达到钢 结构防火涂料新国家标准要求： ( 4 用热分析手段分析阻燃体系各组分及涂料干燥涂层的热学性能，研究防 火机理，探讨影响钢结构防火涂料性能的因素及规律，对防火涂料的施工和生产 提供指导。 7 华南理工大学工学硕士学位论文 袭l - fg b l 4 9 0 7 9 4 与g b l 4 9 0 7 2 0 0 2 对锕结构劈火洽辩技术性艚要求对比 t a b l e l ic o m p a r i s i o no f p r o p e n i e ss t a n d a r do f f i r er e s i s t i v ec o a t t n gf o rs t e e ls t r u c t u r es p e c i f i e db yn a t i o n a ls t a n d a r d s g b l 4 9 0 7 9 4a n dg b l 4 9 0 7 2 0 0 2 技术指标 检验 g b l 4 9 0 7 2 0 0 2 项目g b l 4 9 0 7 9 4 n c bw c b 经搅拌后呈均匀液态或稠厚流体，经揽拌后里均匀细腻状态，无 在容器中的状态 经搅拌后细腻状态。无结块 无结块结块 干燥时i 町( 裘干) h1 288 外观与额色同样品相比应无明显涂层干燥后，外观与颜色同样 涂层干燥后，外观与颜色同样品 外理与颤色 差别 品相比应无明显差别相比应无明显差别 一般不出现裂纹；如有1 3 条裂 初期抗开裂性 不应出现裂纹不应出现裂纹 纹。其宽度应不大于05 椰 粘结强度m p a 01 5 02 0 02 0 抗振性挠曲l 2 0 0 ，涂层不起层、脱落 抗弯性 挠曲l 1 0 0 ，淙层不起层、脱落 2 4 滁层应无起层、发抱、 耐水性h2 4 脱落现象 7 2 0 涂层应无忘层、发泡、脱 耐曝热性h 落、空鼓、开裂现象 耐湿熟性h 1 5 0 4 滁屡应无起屠、脱落现象 1 5 辣层直无开裂、剿落、 5 0 4 涂层应无开裂、脱落、起 耐冻融循环性次1 5 商淹现象泡现象 3 6 0 涂层应无起层、脱落、开 耐酸性h 裂现童 3 6 0 蜍层应无起层、脱落，开 耐碱性h 裂现基 3 0 掾层应无起泡。明显的变 耐盐雾腐蚀性次 质、软化现象 涂层厚度 耐火3 05 570 20 0 士oz 020 0 士02 0 性能 耐火极限 05 l0 1510 10 8 第二章实验设备与方法 第二章实验设备与方法 2 1 主要仪器设备 仪器设备主要包括涂料配制、研磨、性能检测和分析过程中所采用的仪器设 备，列在表2 - 1 。 表2 - 1 实验仪器设备一览 t a b l e2 - 1s c h e d u l eo f e x p e r i m e n te q u i p m e n t s 仪器设备名称 型号生产厂家 实验室用高速分散机 g f j 0 4 型上海涂料机械设备厂 “快手”分散机 “r e dd e v i l ”型上海涂料机械设备厂 实验室用三辊机s g 型、6 5 微型秦皇岛市轻化机械厂 涂4 4 杯q n d - 4 g ( 铜) 型 刮板细度计q x d - 2 5 至q x d 一1 5 0 型 天津建筑仪器实验公司 漆膜干燥时间测定仪 q g z 型 漆膜附着力实验仪 q f z 型 数显电热鼓风干燥箱1 0 1 a 型上海沪南科学仪器联营厂 傅立叶红外光谱仪 s p e c t r u m 一2 0 0 0 型美国p e 公司 热分析仪1 0 9 0 b 型 美国d u p o n t 公司 差示扫描量热仪d s c 2 0 4 c 型德国n e t z s c h 公司 热重分析仪n e t z s c h t g 2 0 9德国n e t z s c h 公司 1 0 0 0 m m 1 0 0 0 m m 6 m m 钢板5 0 0 m m 5 0 0 m m 6 m m 自制 1 5 0 m m 7 5 m m 6 m m 2 2 实验原材料 实验原材料主要是超薄型钢结构防火涂料研制过程中用到的基料树脂、阻燃 体系、颜填料、溶剂和助剂等五类物质。各原料列在表2 2 。 2 3 实验与生产工艺 防火涂料的实验研究和生产工艺一般分为配料、预混合、研磨分散、搅拌调 稀、过滤、包装和性能检测等步骤，如图2 - 1 所示。 ( 1 ) 配料 按配方依次准确称取各种物料，先加入树脂、氯化石蜡和部分溶 剂，然后加入阻燃体系各组分和颜填料，再加入剩余的溶