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改性丙烯酸树脂钢结构防火涂料的制备研究
2016-05-11 15:58:27  作者:中国不饱和树脂网  来源:www.upr-e.cn  文字:【】【】【

    【中国不饱和树脂网www.upr-e.cn】2016年5月11日讯:研究了以丙烯酸树脂为基料、三聚氰胺聚磷酸盐为脱水催化剂、季戊四醇为成炭剂、三聚氰胺为发泡剂,可膨胀石墨和Mg(OH)2纳米颗粒为复合阻燃剂的超薄型钢结构防火涂料。结果表明:可膨胀石墨与Mg(OH)2纳米颗粒具有协同作用,同时添加5%可膨胀石墨与1.5%Mg(OH)2,δ为1.80mm时,涂料的t耐火达106min。防火涂料的理化性能符合技术指标GB14907-2002的要求。

关键词:防火涂料;可膨胀石墨;改性;钢结构

中图分类号:TQ630.4 文献标识码:A 文章编号:1001-3849(2009)10-0038-04

引言

钢结构建筑材料本身虽然不燃,但在火灾高温作用下,其力学性能都会随温度的升高而降低。当θ达到600℃时,钢结构基本丧失全部强度和刚度。而一般火场的θ能达到800~1000℃,在这样高的温度下,裸露的钢结构会很快出现塑性变形,造成钢结构建筑整体在15min左右就会丧失承载能力而垮塌[1,2]。因此钢结构建筑必须采取一些相应的防火措施来提高其耐火极限,满足防火设计规范规定的要求。

钢结构防火涂料是指施涂于建筑物及构筑物的钢结构表面,能形成耐火隔热保护层以提高钢结构耐火极限的涂料[3~5]。可膨胀石墨受热膨胀可形成的“蠕虫”状石墨穿插于炭质层中,使熔融体系的黏度变大,发泡更加均匀,体系成炭固化后可获得更高的强度[4~7],而Mg(OH)2纳米颗粒无毒、无味,具有阻燃、填充及抑烟三重功能[8,9]。本文使用可膨胀石墨和Mg(OH)2纳米颗粒复合阻燃剂,制备了δ=1.6mm阻燃性能良好的超薄型钢结构防火涂料。

1实验部分

1.1实验材料

丙烯酸树脂,工业级;三聚氰胺聚磷酸盐(MPP),工业级;季戊四醇(PER),(北京通县育才精细化工厂);可膨胀石墨(EG)d为180μm(青岛市天和石墨有限公司);Mg(OH)2纳米颗粒(d为20~60nm),(大连富美达新材料科技有限公司)。

1.2防火涂料的制备

按配方比例准确称取脱水MPP(催化剂)、PER(成炭剂)、MEL(发泡剂)、EG(阻燃剂)和Mg(OH)2,放入研钵中进行研磨后加入定量基料树脂,再加入适量的溶剂,搅拌均匀,待用。

用刷笔将事先配制好的涂料分若干道涂在磷化后的钢板上,每次平行涂板3片,δ膜=(1.0±0.2)mm。自然晾干,实干后至少养护7d,进行耐火性能测试。

1.3防火性能检测

采用垂直燃烧法进行耐火极限检测[10]。

1.4防火涂料的其它性能检测[11]

Q61-5型漆膜摆杆硬度计测定涂膜硬度;QFZ-Ⅱ型漆膜附着力测定仪测试膜层附着力;QCJ型漆膜冲击器测定膜层的耐冲击性;漆53-4型柔韧性实验器测定膜层柔韧性。

2·结果与讨论

2.1可膨胀石墨对涂料耐火性能的影响将EG添加到防火涂料中测试耐火性能,结果见表1和图1。


 



表1中看到,w(EG)=1%和3%时灼烧后的炭质层较疏松且中间有空洞,w(EG)=5%的炭质层致密,而w(EG)=7%、9%、11%的炭质层气孔较大、不致密。由图1可以看到,随着w(EG)的增加,丙烯酸树脂防火涂料的耐燃时间先逐渐增大,后逐渐减小。w(EG)=5%时t耐燃达到43.7min。当w(EG)增加到5%时,由于形成的“蠕虫”状可膨胀石墨穿插于炭质层中,起到类似纤维材料的增强作用,使熔融体系的黏度变大,发泡更加均匀,体系成炭固化后获得了更高的强度,涂料的防火性能迅速上升。但是当可膨胀石墨含量继续升高时,树脂基料含量相对较少,可膨胀石墨受热膨胀时受体系的粘附限制作用小,在膨胀过程中易脱离防火涂料体系,造成了膨胀石墨形成的“蠕虫”状炭体与金属基材附着力较差,防火涂料失去对金属基材的保护作用。
 

2.2纳米Mg(OH)2对防火涂料耐火性能的影响

w[Mg(OH)2]对耐火性能影响的测试结果见表2和图2。


 

从表2中看到当w[Mg(OH)2]=1.0%时,试片发泡均匀、致密,强度高。但是当w[Mg(OH)2]过大时,涂层不发泡,导致阻燃效果降低。

由图2可以看到,当w[Mg(OH)2]=1.0%时,耐燃时间达到最高。试片受热后发泡均匀、致密,强度高。Mg(OH)2纳米颗粒在炭层中起到了“钉扎”作用,增强了燃烧后炭层的强度。同时Mg(OH)2纳米颗粒表面有大量的缺陷,具有蓄能作用,与基体中的分子间有较强的范德华力作用,使燃烧后炭层与基体结合相对较好,不易脱落,从而延长耐火时间。
 

2.3协同作用对防火涂料耐火性能的影响

所谓“协效系统”是指由两种(其中一种是阻燃剂,另一种是协效剂)或两种以上组分构成阻燃系统,其阻燃作用优于由单一组分所测定的阻燃作用之和[12]。实验以可膨胀石墨为阻燃剂,Mg(OH)2纳米颗粒为协效剂,固定树脂与防火体系(MPP、MEL、PER)及可膨胀石墨的用量,改变Mg(OH)2的质量分数在的0.5%~2.0%添加到涂料中,制成一系列的防火涂料并进行耐火实验。可膨胀石墨与Mg(OH)2复合阻燃剂对防火涂料阻燃性能的影响见表3及图3。


 


从表3中可以看到,当w[Mg(OH)2]较低时,试片膨胀迅速,但得到的碳层疏松,w[Mg(OH)2]=1.5%时,试片发泡好,碳层致密,强度高。加入Mg(OH)2后,涂料的耐火极限比单加可膨胀石墨时得到了提高。这是由于Mg(OH)2可以均匀地分散在基体材料中,纳米粒子与碳质层中碳-碳交联网络、碳-磷键交联网络等形成的互穿网络使碳层结构增强、与MPP-MEL-PER可膨胀石墨体系有很好的协同作用,因此Mg(OH)2的存在使防火涂料的膜层强度、致密度和碳质层强度都有所增加,阻燃隔热性能大大提高。

从图3中可以看到,随着Mg(OH)2质量分数的增加,涂料的耐火极限先逐渐增大,当w[Mg(OH)2]=1.5%时,t耐火极限最高达到53min;Mg(OH)2的量继续增加,涂料的耐火性能又开始下降。这是由于w[Mg(OH)2]=0.5%的防火涂料,其纳米粒子含量太少,在防火涂料中不易形成互穿网络,纳米效应不明显,所以,阻燃效果与未加纳米粒子的防火涂料的阻燃隔热效果无明显变化。而w[Mg(OH)2]=2%的防火涂料中纳米粒子含量又太高,纳米粒子增加到一定程度时,这些纳米颗粒在高聚物中起到“灯芯”作用,降低高聚物熔体的流动性,严重影响发泡效果,所以,w[Mg(OH)2]=2%的防火涂料阻燃隔热性能较差。

比较图1、图2和图3看到,加入Mg(OH)2后,涂料的耐燃时间比单加可膨胀石墨和Mg(OH)2时得到了提高。可膨胀石墨与Mg(OH)2复合改性的防火涂料比单独使用可膨胀石墨或Mg(OH)2纳米颗粒改性的涂料t耐火分别提高了9.3min和18.3min。

2.4涂料的最终配方及其它性能的检测结果

试验最终配方是3g基料、1gMPP、3gMEI、1gPER、0.5gEG和0.14gMg(OH)2。按上述配方配出涂料,涂于经过磷化处理的试片上,δ膜为1.80mm(游标卡尺测量),使用垂直燃烧法测耐火极限,重复试验3次,平均t耐火极限为106min。同时测了涂料的柔韧性、附着力、耐水性等性能,结果见表4。


3结论

1)试验制备的EG与Mg(OH)2改性超薄型钢结构防火涂料在δ膜为1.80mm时,垂直燃烧法测定其t耐火极限为106min。防火涂料理化性能符合技术指标GB14907-2002的要求。

2)可膨胀石墨与Mg(OH)2纳米颗粒具有协同作用,可膨胀石墨与Mg(OH)2复合改性的防火涂料比单独使用可膨胀石墨或Mg(OH)2改性的涂料t耐火分别提高了9.3min和18.3min。

参考文献

[1]刘庆恩.钢结构防火涂料的研究现状、存在问题和发展前景[J].有色矿冶,2006,22(4):50-53.

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[8]王震宇,韩恩厚,柯伟.纳米Mg(OH)2对防火涂料热降解行为和防火性能的影响[J].中国机械工程,2005,16:337-341.

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[10]GB14907-2002钢结构防火涂料[S].

[11]顾军渭,张广成,李颖,等.膨胀型防火涂料的研究进展[J].电镀与精饰,2005,27(10):51-54.

[12]周箭.无卤膨胀型阻燃聚丙烯的协同阻燃性能研究[D].浙江:浙江大学硕士学位论文.2004.15.


(本站记者)






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