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        可膨脹石墨改性氯醚樹脂鋼結構防火塗料的研究,以氯醚樹脂、丙烯酸樹脂為成膜物
        2019年12月16日    閱讀量:2299    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

        近年來,人們逐漸認識到鋼結構建築防火的重要性,並進行了多種對鋼結構防火技術的研究,但目前較實用的技術還是塗刷防火塗料。防火塗料品種眾多,國家標準GB14907—2002《鋼結構防火塗料》對其進行了規範分類,按其使用場所可分為室內鋼結構防火塗料與室外鋼結構防火塗料; 按其塗刷厚度分為超薄型( 塗層厚度≤3 mm) 、薄型( 塗層厚度>3 mm,且≤7 mm) 和厚型( 塗層厚度> 7 mm,且≤45 mm) 。


        另外按防火塗料的防火機理,亦可分為膨脹型和非膨脹型防火塗料中國建材網cnprofit.com。通常,戶外環境比室內嚴酷得多,塗料在戶外要長期經受日晒雨淋、溫度變化、甚至腐蝕性氣體的侵蝕,這就要求室外鋼結構防火塗料應該耐水、耐候、耐凍融,並具有好的防火性能。如海洋鋼結構和石化類企業生產裝置的承重鋼框架、管架、支架等,在這類鋼結構上所用的防火塗料,除了有耐火極限的要求外,還應具有一定的耐候性。


        厚塗型防火塗料一般為無機隔熱材料,厚度大於7 mm,其耐候性較好、耐火極限較長,但也存在自身的不足: 如施工不便、自身質量大、容易開裂、裝飾性差等缺點,因此,薄型和超薄型是防火塗料的發展趨勢。

        氯醚樹脂是氯乙烯- 乙烯基異丁基醚樹脂的簡稱,是由75%氯乙烯和25%乙烯基異丁基醚共聚而成的聚合物。氯醚樹脂聚合物高分子的鏈結構決定了其本身特有的性能。共聚物中的乙烯基異丁基醚長鏈基團作為高分子鏈的支鏈存在,使得聚合物高分子不易堆砌緊密,結晶度降低,聚合物形成的塗膜不加增塑劑便有足夠的柔韌性,因而避免了因為所添加外增塑劑的遷移損失而使塗膜變脆。高分子鏈中大量醚鍵的存在,使聚合物塗膜與底材有良好的附著力。


        共聚物中不含可皂化的酯鍵,並因結合的氯原子十分穩定,使塗料具有優良的耐水性、耐化學品腐蝕性。氯醚樹脂中不含反應性雙鍵,因此不易為大氣氧化,以其製成的塗層耐大氣老化性優良、光穩定性優異、不易泛黃及粉化[1]。

        可膨脹石墨是以天然鱗片石墨為原料,經化學或電化學處理而得到的一種石墨產品。由天然鱗片石墨製得的可膨脹石墨材料既保留了石墨的耐高溫、耐腐蝕、摩擦係數低、自潤滑性好、導電導熱並呈各向異性等性能,又具備天然石墨所沒有的可彎曲、可壓縮、有彈性、不滲透等特點,並且疏鬆多孔。


        在受到200 ℃以上高溫時,由於吸留在層間點陣中的化合物的分解,石墨層間的化合物急劇分解、氣化、膨脹( 沿層間膨脹150 ~ 250 倍) ,使可膨脹石墨開始膨脹,並在1 100 ℃時達到最大體積,最終體積可以達到初始時的280 倍。由於這一特性,可膨脹石墨被用作防火塗料膨脹體系的協同增效劑及一種良好的無鹵物理膨脹阻燃劑[2]。可膨脹石墨防火塗料是近年來出現的一種新型膨脹型防火塗料,平常保持普通塗膜狀態,遇火時,塗層發生軟化熔融,膨脹形成海綿狀或蜂窩狀炭化層。可膨脹石墨在受高溫時體積瞬間膨脹,可以在火災發生時將火焰窒息,且膨脹產物有極佳的抗氧化性和耐高溫性。

        根據國家標準GB14907—2002《鋼結構防火塗料》的相關規定,及煉油廠建設工程中室外鋼結構的防火塗料的使用要求,本研究開發了一種以耐候性好、氯含量高的氯醚樹脂為主,添加有機阻燃發泡體系、可膨脹石墨為助膨脹體系的一種室外超薄膨脹型鋼結構防火塗料。

        1 實驗原料
        氯醚樹脂( MP25) : BASF 公司; 丙烯酸樹脂( BS2050) : 台湾三木公司; 聚磷酸銨: 台湾捷爾思公司; 三聚氰胺: 凱威化工公司; 雙季戊四醇: 台湾瑞陽化工廠; 二氧化鈦( R930) : 日本;可膨脹石墨: 台湾艾可森公司; 流平劑: BYK 公司。試驗方法: 國標GB14907—2002《鋼結構防火塗料》。

        2 結果與討論
        無論何種類型的防火塗料,其防火作用主要表現在: ( 1)防火塗料本身具有難燃或不燃性,隔絕被保護物與火焰,阻止或減緩熱量的傳播; ( 2) 防火塗料受熱進行熱分解,分解出的惰性不燃氣體稀釋了燃燒表面的空氣,阻擋火焰的傳播,使之不易燃燒或速度減慢; ( 3) 防火塗料受熱分解出一些遊離基等活性基因,中斷火焰的鏈式反應,減緩火勢; ( 4) 防火塗料受熱膨脹發泡,形成較厚的蜂窩狀炭質泡沫絕熱層,封閉被保護材料,阻止火焰傳播、減緩熱量的傳導[3]。本實驗分別對塗料體系中的樹脂含量、膨脹體系含量、可膨脹石墨含量及增強劑二氧化鈦的含量進行試驗研究,通過各組分對所形成膨脹阻燃層的影響,確定其在塗料配方中的用量。

        2. 1 樹脂基料
        本實驗將丙烯酸樹脂與氯醚樹脂( MP25) 以不同比例拼合,並用純氯醚樹脂做對比試驗,塗層發泡效果、炭化層質量和耐候性比較的結果見表1。
        表1 不同配比基料的試驗結果
        可膨脹石墨改性氯醚樹脂鋼結構防火塗料的研究,以氯醚樹脂、丙烯酸樹脂為成膜物 中國建材網,cnprofit.com
        從表1 可看出,單用氯醚樹脂製成的塗料,由於塗層密實堅硬,影響塗層遇火發泡膨脹,用丙烯酸樹脂對氯醚樹脂改性,當m( 氯醚樹脂) ∶ m( 丙烯酸樹脂) = 75∶ 25 時,綜合性能最好。採用選定的氯醚樹脂與丙烯酸樹脂基料體系按不同的配比製成塗料,在鋼板上塗刷,干膜平均厚度2 mm,養護10 d 後進行試驗,確定基料樹脂的含量,結果見表2。
        表2 不同比例的基料樹脂試驗結果

        可膨脹石墨改性氯醚樹脂鋼結構防火塗料的研究,以氯醚樹脂、丙烯酸樹脂為成膜物 中國建材網,cnprofit.com

        注: ( 1) —在干膜中所佔的質量分數。
        由表2 可見,基料樹脂的加入量對膨脹發泡效果有影響。基料樹脂含量太少,塗層熔融時與底層的附著力較弱,塗層受熱容易脫落,耐候性差; 樹脂含量太多,塗層發泡膨脹后較軟,容易被氣流吹破、脫落。當樹脂加入量在25% ~ 30%時,其阻燃性、耐候性、耐酸鹼性能都達到較優值。

        2. 2 有機發泡膨脹體系( APP /PER/EN)
        本試驗選擇了聚合度1 000的多聚磷酸銨( APP) 為脫水催化劑、雙季戊四醇( PER) 為炭化劑、三聚氰胺( EN) 為發泡劑的發泡膨脹體系。確定基料樹脂含量為28%,改變多聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇之間的比例製備成塗料,觀察發泡情況,以確定配方合理的阻燃體系。在鋼板上塗刷塗料,平均干膜厚度2 mm,養護10 d 后,進行系列試驗,結果見表3。從表3 可看出,當三者的比例為20 ~ 25∶ 10 ~ 15∶ 10 ~ 15時,其發泡高度、發泡層質量在該體系中達到最佳值。隨後又經過試驗,確定發泡膨脹體系在塗料干膜中佔40%左右時,塗層的耐候性、耐火極限達到一個最佳值。
        表3 不同發泡膨脹體系的試驗結果

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        2. 3 可膨脹石墨

        可膨脹石墨在受到200 ℃以上高溫時,石墨層間的化合物急劇分解、氣化、膨脹,使可膨脹石墨開始膨脹( 沿層間膨脹150 ~ 250 倍) ,本身不發生化學變化,塗層的膨脹炭層裡面有可膨脹石墨經物理膨脹生成的大量「蠕蟲」狀碳體,與化學膨脹產生的膨脹層交聯,可膨脹石墨黏附在基層表面和炭層內部,起到一種交聯纖維的作用[4]。試驗中確定基料樹脂含量為28%,APP/PER/EN 含量為40%,分別選擇細度為80 目、150 目及200 目的可膨脹石墨,並改變其用量配製成塗料,觀察發泡情況,研究可膨脹石墨粒徑、用量對塗料阻燃性能的影響。在鋼板上塗刷塗料,平均干膜厚度2 mm,養護10 d 后,進行系列試驗,分別從炭化層、耐火時間( 鋼板背面溫度達到300 ℃) 等方面進行比較,結果見表4。

        表4 可膨脹石墨細度、含量對阻燃性能的影響

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        從表4 可得出,細度為150 目的可膨脹石墨更合適本體系,其用量在15%時,其發泡高度、發泡層質量、耐火時間都達到最佳值。

        2. 4 二氧化鈦
        試驗中確定基料樹脂含量為28%,APP/PER/EN 含量為40%,可膨脹石墨含量為15%,改變二氧化鈦含量配製塗料,在鋼板上塗刷塗料,平均干膜厚度2 mm,養護10 d 后,進行系列試驗,分別從炭化層、耐火時間( 鋼板背面溫度達到300 ℃)等方面進行比較,結果見表5。
        表5 TiO2 含量對塗膜防火性能的影響
        可膨脹石墨改性氯醚樹脂鋼結構防火塗料的研究,以氯醚樹脂、丙烯酸樹脂為成膜物 中國建材網,cnprofit.com
        由表5 可見,TiO2 用量在7. 5%時,可以獲得135 min 的耐火時間,形成的是一個高膨脹率、高強度炭化層,發泡效果較好,泡沫層也相當緻密,耐火性能優越。通過上述試驗確定二氧化鈦用量占整個塗料質量的7. 5%左右。

        2. 5 助劑
        助劑的加入主要是為了保證塗料體系的穩定性、良好的施工性。本實驗加入了流平劑、顏料分散劑、紫外光吸收劑等,總量占塗料體系的3%以下。


        2. 6 塗料性能
        通過上述試驗研究,確定了室外超薄型鋼結構防火塗料的配方如表6。
        表6 室外超薄型鋼結構防火塗料配方

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        按照表6 配方生產防火塗料,並測試其耐火性能與理化性能。
        在規定的I36b 標準工字鋼上,先塗刷一道環氧富鋅底漆,厚度50 μm,實幹后,分次塗刷防火塗料,塗層實幹平均厚度2. 2 mm,按照國標GB14907—2002 進行檢測,得其耐火極限為132 min,符合標準要求。理化性能檢驗結果見表7。
        表7 室外超薄膨脹型鋼結構防火塗料性能
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        3 結語
        ( 1) 丙烯酸樹脂與氯醚樹脂混合作為樹脂基料,可增加二者的互補性。
        ( 2) 聚合度高的聚磷酸銨脫水催化效果更好。
        ( 3) 可膨脹石墨與有機發泡體系協同作用,可明顯增加泡沫層的隔熱性與耐久性。



        可膨脹石墨改性氯醚樹脂鋼結構防火塗料的研究

        李小朋,郭曉軍,劉楊宇,段紹明( 中石油集團海洋工程有限公司,台湾300451)

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