提高超薄型钢结构防火涂料耐火性能的技术探讨.docx

提高超薄型钢结构防火涂料耐火性能的技术探讨提高超薄型钢结构防火涂料 耐火性能的技术探讨 应向东,丁明江 (浙江天华防火材料有限公司,浙江嵊州312400) 摘要:通过对超薄型钢结构防火涂料中各组分防火机理进行分析探讨,并经过多次试验获得最佳配方组 合,最大限度地提高防火涂料的耐火性能及耐候性. 关键词:防火涂料;防火机理;耐火性能 中图分类号:TQ637,8文献标识码:B文章编号:10079548(2005)040006一O2 DiscussiononTechnologiesofUpgradingFireRetardantPerformances ofUltraThinFireRetardantCoatingforSteelStructures YINGXiangdong,DINGMingjiang Abstract:Throughanalysisanddiscussiononfireretardantmechanismofeachingredientofultrathinfire retardantcoatingforsteelstructures,theformulationisoptimizedtoupgradethefireretardantperformanceand weatherabilitysignificantly. Keywords:fireretardantcoating,fireretardantmechanism,fireretardantperformance l引言 近几年来,钢结构由于其机械强度高,负荷能力 强,抗震性好,自重轻,施工方便等诸多优点,正替代砖 混结构大量使用于厂房,仓库,大型商场,医院,高层大 厦等大型建筑中,并随着节能和减少耕地流失的需要, 钢结构建筑在民用住宅方面也有渐渐发展的趋向.但 普通钢材的热传导系数较大,在火灾下的升温速度非 常快,其屈服强度随自身温度的升高而急剧下降,从而 导致建筑物的完全垮塌.因此具有一定装饰效果和防 火效果的超薄型钢结构防火涂料生产厂家越来越多. 本文通过对超薄型钢结构防火涂料的各组分在受 火时发生的化学反应对基材的耐火性能的影响进行分 析,经过大量试验筛选出耐火时间长,耐候性好的配 方,并经国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验 中心按GB14907-2002(钢结构防火涂料检验,检验 结果见表1. 2试验部分 2.1配方组成 配方组成见表2. 收稿日期:20041116 6 表1钢结构防火涂料检验结果. 检验项目指标实测结果结论备注 在容器中的状态瓣嚣合格 表干时间/h82合格 外观与颜色谨合格外观与颜色样品相比应无明啬0l合格显差别刖 初期干燥抗裂性不应出现裂纹无裂纹合格 黏结强度/MPa/>0.201.47合格 耐水性垂磊塞蠢萘麓合格 耐冷热冲击性裂>/1 , 星藩霜桑霪合格 钢梁跨度5100 am,实测涂层厚 涂层厚度为度为2.17am,耐火涂层 耐火性能2时.0 , 0耐火0. 极 20 限a不m藉纂嵩合格褒 应小于1.0h257am,已失去承漆 载能力,耐火极限 为2.2h 2.2生产工艺 生产工艺流程如下: I擘li 墼画 表2试验配方 原料质量分数/%原料质量分数/% 基料树脂9.018.0颜填料15.025.0 氯化石蜡7.010.0助剂2.03.0 阻燃体系30.040.0溶剂20.030.0 3分析讨论 钢材本身虽不会燃烧,但它的机械强度与其自身 温度的4次方成反比,当钢材自身温度升高至500oC 以上时,钢材的屈服强度就会降低一半以上,就会失去 承载能力,导致整个钢结构的倒塌.如果在钢结构表 面涂上超薄型钢结构防火涂料,当火灾发生后,涂料中 的各组分就发生复杂的化学反应,使涂料膨胀成为坚 密的碳骨架覆盖在钢结构的表面,不仅阻止火焰的蔓 延,同时由于碳骨架的导热系数相当小,大幅度地减缓 外界传热给钢材的速率,使钢材在相当长的时间里升 温缓慢,极大地降低钢材失去承载能力的速度. 从物体的热传导公式可以看出: AT-: A?A 其中:Q为外界传递给基材的热量;,J为隔热层 (碳骨架)的厚度;A为传热面积;A为隔热层(碳骨架) 的导热系数;AT为外界与基材之间的温差. 涂料工程师所要关注的主要问题是如何使AT尽 量地增大,由于Q,A的值由环境和基材自身决定,可 以作为一个定值,所以AT的大小主要由,J和A决 定,也就是说L/A要达到最大值.对于防火涂料的发 泡层来说,碳骨架的气孑L数量越多,气孑L的直径越小, 则碳骨架越密实,泡层辐射传热的阻力与气体对流传 热的阻力也越大,碳骨架的导热系数就越小.同时,碳 骨架的碳在高温下与空气中的氧发生反应,随着时间 的延长,碳化层的碳不断减少,碳化层会变得松散,导 热系数也渐渐增大,因此在设计配方时还应考虑到尽 量阻碍高温下碳与氧气的反应,使碳骨架的导热系数 变化率减慢,以获得更长的耐火时间.下而就对防火 涂料中各主要组分的防火机理进行探讨. (1)根据目前的技术水平,高质量的防火涂料用丙 烯酸树脂作为黏结剂,在燃烧试验中发现它比其他树 脂作为黏结剂所产生的碳化层要密实坚固,而且涂膜 的光洁度较好,它的缺点是耐水性较差. (2)氯化石蜡在超薄型钢结构防火涂料中起着多重 作用.首先它作为增塑剂,由于防火涂料的颜料体积 浓度很高,树脂又是大分子,涂层在干燥固化后会产生 很强的内应力,随着增塑剂用量的增加,增塑剂小分子 扩散到树脂大分子之间,聚合物分子链的柔性增加,提 高了涂膜的弹性,内应力下降,从而使涂膜的附着力和 柔韧性增大,提高了涂膜的耐候性能.其次氯化石蜡 在防火涂料中可作为阻燃体系的成碳剂和发泡剂,当 它受热至200oC时开始分解,产生氯化氢气体,并与涂 层中的助阻燃剂Sbz0,发生化学反应,生成SbC1直接 升华,这个过程使体系吸收大量的热量.氯化石蜡脱去 HC1后成碳链作为碳骨架的基础,HC1和SbC1,作为气 体膨胀碳骨架.曾做过不添加氯化石蜡的大量试验, 产生的总是同样的现象,用煤气炉灼烧涂上不加氯化 石蜡的防火涂料的钢板,发现其耐火时间大大降低,把 灼烧过的发泡层切开,碳化层中间全是大的空洞,所以 隔热效果很差.由此,可以得到这样一个结论,氯化石 蜡在防火涂料中不但起增塑剂的作用,而且起发泡剂 和成碳剂的作用. (3)众所周知,聚磷酸铵,季戊四醇,三聚氰胺在超 薄型钢结构防火涂料中所起的是协同阻燃作用,它们 往往作为一个整体而被称为阻燃体系.首先聚磷酸铵 受热分解产生聚磷酸,与季戊四醇中的羟基发生酯化 反应,脱水碳化而成为碳骨架,三聚氰胺同时分解产生 不燃性气体使碳骨架膨胀,使之成为一个在高温下较 稳定的致密隔热层,阻止外界热量传递给基材.在这 个阻燃体中最关键的2个技术指标是聚磷酸铵的聚合 度和季戊四醇的羟基含量.这里还要特别提示的是从 一 些研究人员发表的论文中常常提到增加季戊四醇的 用量会使碳化层的高度降低,密实度增加,而从多次试 验中发现,增加季戊四醇的用量会使碳化层的高度增 加而密实度降低,导致碳化层在高温下不稳定而产生 脱落,降低了它的耐火性能. (4)钛白粉在钢结构防火涂料中作为主要颜料是由 于它的遮盖力好,高温下不与氧气反应,当碳骨架在高 温下与氧气缓慢反应时,白色的钛白粉层就会遮盖在 碳骨架的表面.一方面会降低氧气进入碳骨架的速 度,另一方面会对外界的热辐射产生反射,降低碳骨架 的导热系数,从而延长碳化层的耐火时间. (5)2l世纪是提倡环保的世纪,由于超薄型钢结构 防火涂料中的溶剂污染环境,而水性防火涂料对钢结 构会产生腐蚀且防火性能也不好,目前无法替代溶剂 型防火涂料.因此从环境友好的角度来考虑,生产高 固体含量的超薄型钢结构防火涂料来降低涂料中的溶 剂量,以减少溶剂挥发对环境造成的污(下转第l0页) 2005.04现代涂料与涂蓑 7 为:SachtolithHD,表1所列的是这种产品的技术指标. 表1SachtolithHD的性能指标 项目性能指标项目性能指标 ZnS的含量/%98.0硬度(Mohs)3 Zn0的含量/%0.2散射力52 pH7.0亮度98 电导率/n?cm0.2色明度55 筛余物/%0.02折射指数2.37 平均粒径/Ixm0.35分散性良好 比表面积/m?g8色牢度良好 密度/g?mr4耐候性低 从表1可以看出,硫化锌(SachtolithHD)具有较小 的莫氏硬度,它比其他大部分颜料具有较小的磨损 性.其优异的性能包括:高的光亮度和较低的变色性 能,在uV光的波长附近吸收较小,良好的耐晒性,对 基料的吸收较小,优异的流变性和润湿能力,非常好的 分散性.硫化锌主要是由球形粒子组成,并且粒子尺 寸分布的宽度与二氧化钛颗粒是基本相同的,其平均 粒径在0.35m左右. 图2所示的是加入了硫化锌后的抗菌灭藻的效 果.样板放置于户外长达6a.其中上层所示的是参照 样本,左边的没加硫化锌,右边的加入了硫化锌.下层 是在经过了6a的户外试验,可以明显看出加入了硫 化锌的试样的抗菌灭藻效果非常好. 一一 一一图2硫化锌的抗菌灭藻功能 4结论 随着工业的发展以及环保要求的提高,对建筑物 的装饰性能也提出了更高的要求,具有长效的自洁净 功能的内外墙涂料的研制被关注.硫化锌作为白色颜 料应用于涂料中,在可以取代部分二氧化钛的同时,有 着长效的抗菌灭藻功能,相比有机杀菌剂的短效和氧 化锌的活性高的缺点,可以预见硫化锌在今后的内外 墙涂料中有着广泛的应用前景. 现代涂料与涂装2005.04 10 参考文献: 1】张人韬.建筑涂料发展中的新技术进展J】.建材发展 导向,2003,(3):2426. 2】李秀玲,朱少平,郭鸿霖.室内装饰用涂料和内外墙涂料 污染现状的分析J】.涂料工业,2003,23(9):l821. 3】冯艳文,粱金生,粱广川,等.健康环保型建筑内墙涂料 的研制J】.装饰装修材料,2003,(10):l952. 4】卢君,李玉平,刘付胜,等.纳米材料改性高性能外墙涂 料的研制【J】,装饰装修材料,2003,(11):15一l7. 5】竺玉书.纳米材料在涂料中的运用J】.涂料工业, 2000,(11):2427. 6】李若慧,程伊前.氧化锌对外墙乳胶漆性能的影响J】. 涂料工业,200l,(81:79. 7】高倩,王兆利,赵铁均.绿色内墙涂料.www.yipingpig ments.corn. 【8】闵嘉华,桑文斌,史伟民,等.ZnS纳米微粒的形貌结构对 其化学特性的影响J】.光学.2003,23(3):257260. 9】陈国新,赵石林.纳米紫外屏蔽透明涂料J】.化工新型 材料.2003,3l(1):2426. 10】李锡凯,李阳.纳米改性抗玷污复合外墙涂料【J】.”-3代 化工,2002.3l(4):199200. 1l】张玉坤,新型建筑外墙涂料及徐料助刑J】,吉林化工 学院,2002,19(4):98101, 12】李化建,盖国胜,黄佳木,等,纳米科技在内外墙涂料中 的应用J,建材技术与应用,2002,(4):14一l6, (上接第7页)染.同时可减少涂料施工的次数以降低 涂料的施工成本. 4结论 ?该防火涂料经国家固定灭火系统和耐火构件质 量监督检验中心按GB14907-2002(钢结构防火涂 料检验:涂层厚度2.17m