钢结构超薄膨胀型防火涂料的研究_树脂基料对涂料性能的影响

1、第8卷第5期2005年10月建 筑 材 料 学 报JO U RN A L OF BU IL DIN G M AT ER IAL SVo l.8,No.5Oct.,2005收稿日期:2004-07-17基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(2002AA331130作者简介:王国建(1953-,男,浙江诸暨人,同济大学教授,博士生导师,博士.文章编号:1007-9629(200505-0527-05钢结构超薄膨胀型防火涂料的研究(树脂基料对涂料性能的影响王国建, 董王月,刘 琳, 许乾慰(同济大学材料科学与工程学院,上海200092摘要:采用高性能高氯化聚乙烯(H H CPE以及它与丙烯

2、酸酯树脂或氨基树脂拼用为基料,季戊四醇/三聚氰胺磷酸盐类为防火体系,制备了钢结构超薄膨胀型防火涂料,并研究了基料种类、用量及拼用对防火涂料性能的影响.关键词:高性能高氯化聚乙烯;丙烯酸酯树脂;氨基树脂;钢结构;超薄膨胀型防火涂料中图分类号:T U545 文献标识码:AS tudy on the Super thin Intumescent Fire Retardant Coatingsfor Steel Structure(Influence of Resin Binder on the Properties of CoatingsWAN G Guo j ian, DON G Yue, L I

3、 U L in, X U Qian w ei(School of Materials Science and Engineering,T ongji U niversity,Shanghai 200092,ChinaAbstract:A kind of super thin intum escent fire retardant coating fo r steel structur e w as pre pared,w ith high perform ance high chlorinated polyethylene(H H CPEand poly acry late resin o r

4、 am ino resin as binder,PE and m elam ine phosphate as fire retardant system.T he influence of the ty pes of the resins,content and their co mplex on the proper ties of fire retardant coating s w ere studied.Key words:hig h performance high chlorinated poly ethylene(H H CPE;polyacrylate resin;amino

5、resin;steel structure;super thin intumescent fire retardant co ating随着全球经济的发展,现代高层建筑和民用建筑中越来越多地采用钢结构作为支撑结构.火灾作为现代社会的一个隐患,时刻威胁着人们的生命和财产安全.钢材虽是一种不会燃烧的材料,但却是热的优良导体,极易传导热量.另外,钢材的机械强度是温度的函数,温度上升,其机械强度迅速下降.当温度上升到钢材的临界温度时,钢材将失去承载能力.未加保护的钢结构在火灾温度作用下,其自身温度只需10min 就会上升到钢的极限温度540 C 以上,致使其强度和载荷能力急剧下降,最终将导致建(构筑物

6、的整体坍塌毁坏,而变形后的钢结构是无法修复的1.这就给人们的生命和财产安全带来了巨大威胁,因此非常有必要对钢结构进行保护.目前,最常采用的方式是用防火涂料对钢结构进行保护.树脂是涂料中的主要成膜物质,通常也被称为基料.它的作用是将涂料中的其他组分粘结成一528建 筑 材 料 学 报第8卷个整体.当涂料干燥后,能附着在被涂基材表面形成均匀、连续、坚韧的保护膜,赋予涂料各种预计的性能.基料的性质对形成涂膜的硬度、柔性、耐磨性、耐冲击性、耐候性、耐水性、耐热性等物理化学性质起到了决定性的作用.防火涂料的基料除了应具有普通涂料基料的装饰作用和对基材提供保护之外,还应具有阻燃、耐火的特殊功能1,在一定温

7、度下发泡形成防火隔热层.因此要求基料能与整个涂料体系协同,使涂料既有良好的机械物理化学性能,又能在受火时形成良好的泡沫隔离层,且为了达到一定的阻燃耐火时间,要求发泡层在高温下也不脱落.本实验采用季戊四醇/三聚氰胺磷酸盐为防火体系,以高性能高氯化聚乙烯(H H CPE树脂或它与其他树脂拼用作为涂料的基料,研究了树脂基料对钢结构超薄膨胀型防火涂料性能的影响.1 实验部分1.1 原材料三聚氰胺磷酸盐(FR M P:工业级,山东世安化工有限公司生产;季戊四醇(PE:化学纯,上海化学试剂公司生产;高性能高氯化聚乙烯(H H CPE树脂:工业级,浙江奉化裕隆化工新材料公司生产;二甲苯:分析纯,上海陵峰化学

8、试剂公司生产;乙酸丁酯:工业级,上海诚融化工有限公司生产;氧化锌:工业级,上海京华化工厂生产;磷酸锌:工业级,上海京华化工厂生产;H T热固型丙烯酸酯树脂:工业级,上海雄冠高分子材料制造公司生产;XG01型丙烯酸酯树脂:工业级,上海新华树脂厂生产;BD801B型丙烯酸酯树脂:工业级,上海新大化工厂生产;M133型丙烯酸酯树脂:工业级,上海新大化工厂生产;异丁醇醚化三聚氰胺甲醛树脂(582 5型氨基树脂:工业级,上海新华树脂厂生产.1.2 涂料制备方法首先,将H H CPE树脂在溶剂中充分溶解,加入拼用树脂,充分搅拌,使两者充分互溶.接着,按相应配方称取其他原材料,加入所制的树脂溶液中,搅拌混合

9、,然后在三辊研磨机上将其研磨至细度为50 m以下,即制得钢结构超薄膨胀型防火涂料(以下简称为防火涂料待用.1.3 实验方法1.3.1 试板的制备用刷子将所制备的防火涂料均匀涂刷于石棉水泥板上.控制每道涂料的涂敷量,保证涂层薄而均匀、平整,涂刷10次左右达到所要求的厚度(1.52.0mm.1.3.2 性能测试根据GB14907 2002钢结构防火涂料的标准对所制得的防火涂料进行以下测试:在容器中的状态、干燥时间、外观与颜色、初期干燥抗裂性、粘结强度、抗压强度、干密度、耐曝热性、耐湿热性、耐冷热循环性、耐酸性、耐碱性、耐盐雾性以及防火性能.2 结果与讨论2.1 H H CPE树脂的选用高氯化聚乙烯

10、(H CPE是由聚乙烯经水悬浮法氯化工艺制备的一种含高氯量(60%70%,质量分数的氯化聚乙烯产品.H CPE分子链饱和,分子链上存在极性的C Cl键,分子间结合紧密,间距小,因此H CPE的耐腐蚀性好2.同时,较高的含氯量使得H CPE具有较好的防火性能,即在火焰的作用下,H CPE会形成具有热障作用的多孔性炭化层,从而达到离火自熄的防火效果.但由于H CPE分子链中存在大量极性基团,分子间作用力较大,导致涂膜柔韧性较差,当受到外力冲击时涂膜易碎裂脱落,因此H CPE被用作涂料基料时通常需要进行改性.H H CPE是一种经丙烯酸酯改性的高氯化聚乙烯树脂产品.通过柔软的丙烯酸酯单体接枝改性H

11、CPE,所得共聚物与其他树脂的混溶性及其在溶剂中的溶解性都得到了相应提高3.玻璃化温度较低的丙烯酸酯单体可对H CPE产生内增塑作用,从而提高了涂层的抗冲击性能,并改善了涂层外观.2.2 拼用树脂的选择单独使用H H CPE 树脂时所制得的防火涂料抗弯性能差,燃烧后涂层的附着力也不够理想.另外,单独使用H H CPE 树脂作为基料时其涂层的发泡程度不高,这可能是因为H H CPE 树脂的软化点相对于季戊四醇/三聚氰胺磷酸盐防火体系来说太高所导致的.当防火助剂分解产生气体时,该基料还没有足够软化,泡孔难以形成,而等到该基料软化后,已经没有足够的气体使其形成连续的发泡层.采用加入柔性树脂与其拼用的

12、方法,既可以降低它的脆性,改善其力学性能,又可降低它的软化点,提高其发泡程度及发泡层质量.本文采用了4种玻璃化转变温度较低的丙烯酸酯树脂1,4,5及1种氨基树脂6作为拼用基料.固定防火助剂、H H CPE 树脂、拼用树脂的用量,比较了5种拼用树脂对涂层发泡程度及发泡层质量的影响,其结果如表1所示.表1 拼用树脂种类对涂层防火性能的影响T able 1 Influence of mixed resin on the fire retardant properties of coatingsM ixed resin Relative molecular mass State in vess el

13、Foaming rateState of foam layer T hermosetting acrylateres in H TM n =1.2 103, M w =4.2 103,DP=3.6Clearly s tratifyingafter 3h 6.87Uniform,fin e,acceptable stren gth,high cohesive force Acrylate res inXG01 M n =1.5 103, M w =4.6 103,DP=3.0No s tratifying7.03Fin e,high strength,flat intumescent layer

14、 with hollowcavity at the bottom Acrylate res in BD801B M n =1.6 103, M w =4.2 103,DP=2.3No s tratifying 7.23U niform fine,high s tr ength,n o crack ,hig h cohes ive forceAcrylate resin M 133M n =1.5 103, M w =3.5 103,DP=2.7No s tratifying 6.29H igh strength,not uniform,big crack Amino resin 582-5M

15、n =2.0 103, M w =7.5 103,DP=3.7L ightyly stratifying afterlong time disp os al 11.60Un iform,fine,high str ength,high cohesive forceNote:m (PE m (m elamine phosphate=18 57,w (mix ed resin is 24.2%,w (H HCPEis 6.3%.由表1可以看出,丙烯酸酯树脂对涂层强度的改善作用很大,但发泡效果则明显低于氨基树脂.氨基树脂在遇到火焰时可分解产生氨气,因此既可作为基料树脂,又可作为发泡剂,发泡效果较好.

16、但采用氨基树脂时发泡层较疏松,没有足够的强度,易被高压火焰冲破.不同品种和牌号的丙烯酸酯树脂的玻璃化温度不同,与H H CPE 树脂拼用时,其溶解度、防火性能、形成涂料的耐候性能及物理机械性能均有差异.从实验结果发现,拼用相对分子质量较大且分布比较窄的丙烯酸酯树脂时,发泡层的最终性能较好.热固型丙烯酸酯树脂短期放置后就会有分层现象,与其他组分的相容性较差,不宜使用.相比之下,选用相对分子质量较大且分布较窄的BD801B 型丙烯酸酯树脂拼用得到的防火涂料所获得的发泡层质量最好.2.3 拼用树脂加入量对防火涂料防火性能的影响拼用树脂加入量对涂层防火性能的影响如表2,3所示.表2的结果表明,当选用基

17、料树脂总含量为28.6%(质量分数,下同,m (acr ylate resin m (H H CPE为1 0.75的配方时,涂层的发泡程度最高.丙烯酸酯树脂不仅作为成膜基料,而且也充当成炭剂的角色.因为丙烯酸酯树脂为高碳化合物,随着其加入量的增加,防火涂料炭化层的骨架将更为完整,泡沫炭化层强度增加.由表3可知,在所选的配方范围内,m (amino resin m (H H CPE为1 0.71,基料树脂总含量为40.8%时,涂层的发泡程度最高.前面已经指出,由于氨基树脂不仅可作为成膜基料,还可作为发泡剂,因此随着氨基树脂加入量的增大,涂层的发泡程度增加.但从实验数据可以看出,氨基树脂的加入量过

18、大时,防火层料发泡层的质量反而下降,强度也较低.529第5期王国建等:钢结构超薄膨胀型防火涂料的研究(表2 丙烯酸酯树脂加入量对涂层防火性能的影响Table2 Influ ence of content of acrylate res in on the fire retardant properties of coatingsm(acrylate r esin m(H H CPEw(total resins/%Foam ing rate State of foam layer1 2.5028.69.31Fin e,uniform,low strength1 1.6731.58.72Fine,

19、n ot uniform,relatively low strength1 1.2534.1 5.37Fine,not u niform,high strength1 0.7528.610.34Fine,uniform,relatively low stren gth1 0.6841.67.03Fin e,not un iform,high strength1 0.3241.67.23Fine,u niform,hig h s trengthNote:Acrylate r esin XG01is applied.表3 氨基树脂的加入量对涂层防火性能的影响Table3 Influ ence of

20、 content of amino res in on the fire retardant properties of coatingsm(am ino resin m(H H CPEw(total resins/%Foaming rate State of foam layer1 1.2534.111.6Loose,uniform,high strength1 0.8338.718.7Loos e,not un iform,relatively low strength1 0.7140.820.1Loose,un iform,low stren gth1 0.5644.611.6Loose

21、,un iform,low stren gth2.4 不同类型的基料对防火涂料综合性能的影响由于基料决定着涂料的机械物理化学性能和耐腐蚀性等其他性能,在确定了基料对涂层防火性能的影响之后,采用不同配方的复合树脂基料与单独采用H H CPE树脂作为基料配制防火涂料,并对它们进行了全性能的测试,结果如表4所示.其中:1#为采用BD801B型丙烯酸酯树脂作为拼用树脂,且m(acr ylate resin m(H H CPE=1 0.75时的配方;2#为采用氨基树脂作为拼用树脂,且m(amino resin m(H H CPE=1 0.71时的配方;3#为全部采用H H CPE树脂时的配方.表4 不同

22、类型的基料对防火涂料综合性能的影响T able4 Influence of H HCPE/acrylate resin composite binder on the comprehensive properties of fire retardant coatingT est item S tandard requir ementT est result1#2#3#State in vess el No lumps,un iform after s tirring Qualified Qualified Qu alified Preliminary anti crack No crack Q

23、ualified Qualified No qualifiedDrying tim e/h4(surface0.5 1.0 1.0 12(complete8.010.010.0Adh esion grade 3268 Deflection L/200,no bulge or peeling Qualified Qualified Not qualified Impact strength/(kg cm 20201010W ater r esis tance/h 24(n o puckerin g or peeling48(no pu ckeringor peelin g48(n o pucke

24、rin gor peeling48(no puckeringor peelingAcid res istan ce/h 200 240 240 240 Alkali r esis tance/h 200 240 240 240 Salty resistance/h 200 240 240 240 Limitation of fire proof/h 0.5 1.0 1.0 1.0 530建 筑 材 料 学 报第8卷表4的结果表明,采用H H CPE/丙烯酸酯复合树脂作为基料对防火涂料涂层的综合性能有利;采用H H CPE/氨基复合树脂作为基料时,其附着力和抗冲击强度均达不到要求;丙烯酸酯树脂和

25、氨基树脂的加入对防火涂料涂层的防腐蚀性(耐酸、耐碱、耐盐雾性均无显著影响.2.5 3种树脂复合基料对涂层防火性能的影响从表2,3中已知,使用丙烯酸酯树脂作为拼用树脂时,所得防火涂料发泡层的强度较高,但发泡倍数不够;而使用氨基树脂时则恰恰相反,防火涂料发泡层的高度可以达到10倍以上,但发泡层比较疏松,强度差.若将两者混用,则可以将它们的优点互补,从而获得强度高、发泡效果好的发泡层,真正达到防火阻燃的效果.表5为采用BD801B 型丙烯醋酯树脂和氨基树脂混用作为拼用树脂时对涂料防火性能的影响.表5 丙烯酸酯树脂和氨基树脂混用对涂层防火性能的影响T able 5 Influence of mixin

26、g of acrylate and amino resins on fire proof property of coatingm (acrylate resin m (amino res inw (total res ins/%Foamin g rateState of foam layer1 342.811.7Fin e,uniform,relatively high strength 1 238.710.2Fin e,uniform,relatively high strength1 138.7 6.7Fine,un iform ,hig h s trenght2 138.75.9Fine,un iform ,hig h s trengthNote:Acrylate res in BD801B is applied,m (PE m (melamine ph os phate=18 57,w (HH CPEis 16.3%.由表5可见,通过丙烯酸酯树脂与氨基树脂的混合使用,的确可以使防火涂料获得发泡程度大、强度高的泡沫炭化层.在本实验范围内,选用m (acrylate resin m (amino resin为1