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防火助剂和填料细度对防火涂料性能的影响
   发布日期：2011-11-25   来源：先进土木工程材料教育部重点实验室   作者：王国建  
导读：在固定防火涂料配方的基础上，研究了防火助剂和填料的细度对防火涂料防火性能的影响规律。通过控制涂料的研磨辊间距制备了单一细度变化的涂料，考察了 防火涂料的防火性能。研究表明：研磨辊间距为3 级时，防火助剂和填料的粒径为0.873 μm，涂料的防火性能最好，此时钢板的平衡背温为294℃，60 min 背温为295℃，炭化层膨胀倍率达12.94 倍，且结构致密，强度高，泡孔均匀。
 
 
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王国建1，2 呼 翔2
（1. 先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 200092 ；2. 同济大学材料科学与工程学院，上海 200092）

摘 要：在固定防火涂料配方的基础上，研究了防火助剂和填料的细度对防火涂料防火性能的影响规律。通过控制涂料的研磨辊间距制备了单一细度变化的涂料，考察了 防火涂料的防火性能。研究表明：研磨辊间距为3 级时，防火助剂和填料的粒径为0.873 μm，涂料的防火性能最好，此时钢板的平衡背温为294℃，60 min 背温为295℃，炭化层膨胀倍率达12.94 倍，且结构致密，强度高，泡孔均匀。

关键词：钢结构防火涂料；细度；防火性能

随着建筑业的迅速发展，钢结构具有轻质高强、塑韧性好等特点而得到了日益广泛的应用［1］。然而，钢结构在高温火焰的直接灼烧下一般只有15 min 的耐火极限，会很快失去承载能力，远远达不到防火规范的要求。一旦发生这种情况，将对整个建筑物造成灾难性的后果。正因为如此，对钢构件采取有效保护措 施，使其免受高温火焰的直接灼烧，延缓坍塌时间，为消防救火提供宝贵的时间就显得十分重要［2］。对钢结构保护最广泛应用的就是钢结构防火涂料［3］。
目前研究人员对防火涂料的研究焦点都放在其配方的选择上［4-7］，极少有人研究防火涂料制备过程中的工艺因素对防火涂料性能的影响。但实际上工艺因素对 防火涂料的性能至关重要，相同的配方而不同工艺制备出的防火涂料其性能有很大的不同［8］。本文在固定配方的前提下，研究涂料中防火助剂和填料的细度对防 火涂料防火性能的影响。

1 实验部分
1.1 原材料
环氧乳液：型号AB-EP-20，工业级，浙江安邦新材料发展有限公司；固化剂： 型号AB-HGA，工业级，浙江安邦新材料发展有限公司；聚磷酸铵 （DP>1 000）：工业级，山东寿光卫东化工有限公司；三聚氰胺：工业级，山东鲁明化工有限公司；季戊四醇：化学纯，国药集团化学试剂有限公司；二氧化钛：化学 纯，国药集团化学试剂有限公司；可膨胀石墨（EG），型号808，保定市艾可森炭素制品有限公司；海泡石：粉状产品系列MY-F6，河北易县海泡石开发有 限公司；水性消泡剂：型号Airex 902W，工业级，德国Degussa 公司。

1.2 防火涂料的制备
按配方（表1）先称取防火助剂和无机填料置于容器中，加入40 mL 去离子水和适量水性消泡剂，搅拌均匀制得浆液。加入环氧乳液及固化剂， 用高速搅拌机（转速600 r/min 左右）于常温下搅拌20 min，制得防火涂料，记为F0。将F0 在三辊研磨机上研磨，调节三辊研磨机的辊间距为4 级、3 级、2 级和1 级（其中4 级的辊间距最大，1 级的辊间距最小），制得细度逐渐变小的4 个防火涂料F1~F4。由于各涂料的含水量与搅拌时间均一定，仅仅是研磨辊间距发生了变化，因此制得了单一细度变化的防火涂料F0~F4。

1.3 防火涂料样板的制备
将钢板（150 mm×70 mm×1 mm）用砂纸打磨除锈后，把制得的涂料涂刷在钢板上，将钢板倾斜45°放置，自然晾干，经过24 h 后再涂刷1 遍。重复涂刷7~10 次，直至涂层厚度达到（2±0.2）mm。涂刷好的样板自然养护10 d，即可进行性能测试。

1.4 涂料性能的测试与表征
涂料细度的测试：采用激光粒度仪（ 型号LS230，美国贝克曼库尔特公司）测定。
防火性能的测试：将制得的样板用煤气灯灼烧，煤气灯的火焰调成蓝色（即还原焰）。用热电偶测量钢板背面的温度。利用自动计数软件每2 s 对钢板的背温进行1 次记录，共记录60 min，绘制钢板背温与时间的关系曲线，并观察炭化层的表面形状及横截面结构，计算炭化层的膨胀高度。
炭化层结构的表征：使用5 000 倍的扫描电镜（S-2150 型，日本日立公司）对炭化层进行观察并拍照，观察炭化层及泡孔的结构；使用Digimizer 软件对泡孔进行测量，分析泡孔的大小及分布情况。
防火涂料综合性能的测试：参照GB 14907—2002《钢结构防火涂料》对涂料各项性能进行测试。

2 结果与讨论
2.1 涂料中防火助剂和填料细度的测试
F0~F4 的激光粒径测试结果如表2 所示。由表2可见：未进行研磨的F0，其平均粒径远大于经过研磨的F1~F4，为1.407 μm，且其粒径分布也更广，为1.035 μm ；而F1~F4 随着研磨辊间距的变小，平均粒径也越来越小，从1.008 μm 降至0.705 μm，粒径分布也越来越窄，从0.775 μm 降至0.611 μm。

直观上，F0 与F1~F4 的涂层表面状态也有较大区别。未进行研磨的F0，其涂层表面粗糙且颗粒形状明显，而经过研磨的F1~F4，涂层表面比较光滑。

2.2 细度对涂料防火性能的影响
2.2.1 背温曲线
F0~F4 的钢板背温与时间的关系曲线如图1 所示。由图1 可见：F1、F2 和F3 3 个涂料的背温曲线明显低于F0 和F4，即F1、F2 和F3 的防火性能好于F0和F4，其中F3 最好，F4 最差，说明涂料的细度对防火性能有明显影响，当研磨辊间距为3 级时，涂料的防火性能最好。

图1 不同细度涂料的背温曲线
Figure 1 Back temperature curve of coatings with different fineness
由背温曲线得出各防火涂料的平衡温度及60 min温度，如表3 所示。

结合涂料的背温曲线（图1）、平衡温度、60 min温度和实验现象可发现：F0 的背温曲线在40 min左右时发生了中断，原因是在测试进行到40 min 左右时，它的炭化层发生了脱落，此时其平衡背温很高，达到312℃。F1 的背温曲线不够平稳，平衡背温301℃，60 min 背温289℃，其防火性能不够稳定，原因是其细度过大，炭化层发泡不均匀。F2 的背温曲线最稳定，很快就达到了平衡背温，且一直保持在很稳定的水平，平衡背温294℃，60 min 背温295℃，都比较低，防火性能良好而稳定，因此F2 的防火性能最好。显然F2 的细度最有利于涂层的发泡，形成的炭化层致密而稳定。F3 在测试初期温度比较低，到了30 min 后有了明显的上升，背温曲线不平稳，平衡背温288℃，60 min 背温306℃，说明其性能不够稳定，防火性能没有F2 好；F4 研磨得最细，它的背温曲线很早就达到了平衡状态，但其平衡背温是325℃，60 min背温是309℃，均是5 个涂料中最高的。由此可见，细度过小，不利于防火助剂的发泡，从而导致涂料防火性能下降。

2.2.2 炭化层完成膨胀所需时间
对F0~F4 每个涂料的防火性能背温曲线绘制微分曲线，当微分曲线达到0 时，说明防火涂料涂层完成了膨胀，由此可以得到F0~F4 完成膨胀所需的时间，如图2 所示。由图2 可见：F0 完成膨胀所需时间最短，仅为550 s，而F2 完成膨胀所需时间最长，达到813 s，其他3 个涂料完成膨胀所需时间差不多，均在750 s 左右。说明辊间距为3 级时涂料膨胀最充分，形成的泡孔最均匀。

2.2.3 炭化层形态和结构
F0~F4 的炭化层的表面形貌俯视图如图3 所示。

由图3 可见：F0（图3a）的炭化层表面有比较大的泡孔，而经过研磨的F1~F4［图3（b~e）］的炭化层表面没有明显缺陷。
F0~F4 的炭化层横截面表观形貌如图4 所示，炭化层的膨胀倍率如表4 所示。从图4 和表4 中可以发现：F0 与F4 的炭化层横截面有很明显的泡孔，且强度很差，炭化层在切割过程中很容易开裂，发生脱落，而且炭化层膨胀高度很小；而F1 和F3 虽然也有明显的泡孔，但大多数部位比较致密，强度也比F0与F4 好些，在切割过程中不会开裂，能保持炭化层结构不变形，膨胀倍率也较大；F2 的炭化层结构最为致密，孔洞最少，且强度很好，没有发生脱落、开裂等现象。因此，辊间距为3 级时涂料的炭化层结构最理想。

利用扫描电镜观测F0、F1、F2 3 个涂料的炭化层内部结构，如图5 所示。

由图5 可见：F0 的泡孔很不均匀，且存在许多较大孔径的泡孔；F1 的泡孔也不是很均匀，但大孔径的泡孔要比F1 少些；而F2 的泡孔分布情况要明显好于前两者，泡孔较均匀，且大孔径的泡孔很少。因此，从F0 到F2，炭化层的结构越来越致密，泡孔越来越均匀，缺陷越来越小。
利用Dizimizer 软件对每张电镜照片进行分析，得到了3 个样品的泡孔孔径分布状态图，如图6 所示。图6 中每个立柱表示100 个泡孔中该样品在此孔径范围内的泡孔数。由图6 可见：F0 的泡孔分布比较广，且大都分布在大孔径附近，在0.2 mm 和0.275 mm 附近分布的最多；而F1 的泡孔大都分布在0.2 mm 以下，在0.075 mm、0.10 mm 和0.125 mm 附近分布较多；F2的泡孔则集中分布于0.075 mm 和0.10 mm 附近。因此F2 结构致密，防火性能最好。

2.3 防火涂料的综合性能
F0~F4 的综合性能如表5 所示。

由表5 可见：细度对涂料在容器中的状态影响不大，未经研磨的F0 在存放过程中会出现细微的分层，经过研磨的F1~F4 均没有出现分层情况。涂料的细度对其附着力的影响比较显著，随着粒径的减小，涂料的附着力明显变好。涂料的细度对其抗冲击性有一定的影响，F0~F3 经冲击后无裂纹产生，但可见冲击印痕，只有研磨最细的F4，抗冲击性最好，经冲击后无裂纹产生并无冲击印痕。

总的来说，涂料的附着力和抗冲击性都较好，这是因为防火涂料所采用的基料是环氧乳液。环氧乳液由于其羟基和醚键的存在，对一般基材都能产生良好的附着力， 这也是防火涂料大多使用环氧乳液作为基料的原因。另外，涂料的表面干燥时间为1 h，其耐水性测试在24 h 内涂层没有出现褶皱或开裂，均符合要求。在耐火极限上，除了F0 为45 min，未达到要求外，F1~F4 均超过了60 min，达到了防火要求。

3 结语
在固定防火涂料配方的基础上，研究了涂料的细度对防火涂料防火性能的影响规律，得到以下结论：
（1） 当涂料不进行研磨时，发泡层结构不均匀，发泡倍率低，且在炭化层膨胀过程中会发生炭化层脱落现象，造成其防火性能不达标。
（2） 研磨辊间距为3 级时，防火助剂和填料的粒径为0.873 μm，涂料的防火性能最好，其平衡背温为294℃，60 min 背温为295℃，膨胀倍率为12.94 倍，其炭化层结构最致密，强度最高，泡孔也最均匀。
（3） 涂料中防火助剂和填料的细度过小会导致泡孔孔径过小，发泡倍率低，也会影响防火涂料的防火性能。

参考文献
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