常用填料对防火涂料性能的影响
关键词:超薄型防火涂料;钢结构;水性;填料
0 前 言
近年来钢结构在各种大型工程中得到了广泛应用。然而,钢材在高温火焰的直接灼烧下,会很快失去承载能力,将对整个建筑物造成灾难性的后果。因此,钢结构的防火保护问题受到了重视。防火涂料按涂膜厚度分为厚涂型、薄涂型和超薄型三种,其中水性超薄型防火涂料成为研究的热点。
在研究中发现,除了阻燃剂及乳液对防火涂料性能的影响比较大外,填料的影响同样是非常重要的。在普通涂料中,填料通常起降低成本、改善涂料理化性能的作用,而在防火涂料中,又兼具了阻燃的作用。由于每种填料的组成成分、形态、物理性质等的差异,导致在防火涂料中发挥的作用也各不相同。本试验旨在比较几种常用的填料对防火隔热效果的影响。
1 实验部分
1.1 原材料及配方(见表 1 )
1.2 防火性能检测
1.2.1 火焰源
参考标准《钢结构防火涂料》 GB14907-2002 中的指标。本实验采用自制煤气喷灯燃烧法检测涂料的防火性能(该喷灯火焰温度可达 900 ~ 1 000 ℃ )。
1.2.2 试验样板制作
在 18 cm × 25 cm 钢板的一侧涂有 2 mm 厚的涂层,室温放置 7 d ,至涂层实干。
1.2.3 耐火试验
使涂层面朝下将实验样板置于喷灯上方 10 cm 处。将测温仪的热电偶与钢板背面接触,记录温度仪显示的温度,用秒表记录耐火时间。
表 1 原材料及参考配方
2 结果与讨论
2.1 选取填料的标准
隔热效果好的膨胀型防火涂料的炭层应该具有以下特点 :
(1) 炭层应具有一定高度,使火焰与钢材之间产生一定的距离;
(2) 炭层中间为均匀、密实、蜂窝状的骨架结构,这种结构可以延缓热传导的速度;
(3) 炭层表面需有一定强度,防止火焰将其吹垮。
2.2 单一填料对防火性能的影响
在乳液量、助剂量、水量、阻燃助剂量、待考察填料用量及加料顺序均相同的条件下分别考察了碳酸钙、高岭土、*、硅灰石和*不同填料对防火性能的影响。对比实验中主要组分用量见表 2 。
表 2 不同填料的对比实验
表 3 不同填料对耐火实验的影响
按照表 2 以不同填料进行五组实验,分别制板,进行煤气喷灯燃烧法实验,以板背面温度达到 200 ℃ 为测试终点,实验结果见表 3 。
从表 3 可知,加入碳酸钙的涂料虽然膨胀高度较高,增加了火焰与钢板的距离,但由于中间为大泡状,而不是均匀致密的蜂窝状炭层,隔热效果并不好,耐火时间短 , 所以配方中不宜采用碳酸钙;*炭层的膨胀高度虽然比碳酸钙的低,但是*炭层的质量比碳酸钙的好,含*的涂层耐火时间优于碳酸钙,说明炭层质量的好坏比膨胀高度更重要。
将表 3 中炭层质量情况相同的高岭土、*、硅灰石进行比较。膨胀高度zui高的为硅灰石,其次是高岭土,*zui低。耐火时间的次序是硅灰石 > 高岭土 > *。由此可以看出,耐火时间的好坏顺序同膨胀高度的顺序相同,这就说明在炭层质量达到标准的情况下(即炭层中间为密实蜂窝状)时,膨胀的高度越高,防火隔热的效果越好。当然,炭层也不能过高,否则会导致炭层与钢板脱离,起不到防火的作用。
由表 3 可见,含*涂层的发烟量zui少,虽然加入*后炭层的膨胀高度并不很高,但其耐火时间却非常好。此结果与文献 [1] 相一致,即烟少,吸热量大,耐火效果好。*是非常好的耐火阻燃添加剂。
综上所述,在上述所考察的五种无机填料中,硅灰石与*的效果,高岭土、*次之,而碳酸钙效果zui差。笔者认为碳酸钙不适宜应用到防火涂料中。
表 4 正交实验因素水平表
表 5 正交实验结果
2.3 混合填料对防火性能的影响
将表 3 中耐火效果较好的硅灰石、*结合在一起进行实验,使其发挥各自的优势。保持其余原料的比例不变, 只改变硅灰石、*的用量,采用 L 4 ( 2 2 )正交法优化配方。正交实验因素水平及结果见表 4 、表 5 。
由表 5 烟量的多少可以看出*对耐火时间的影响较大,硅灰石对耐火时间的影响很小。实验 6 与实验 8 中,*均为 5 g ,烟量均较多,而实验 7 与实验 9 中,*均为 2 g ,烟量均较少。说明*虽有抑烟作用,但如果加多了不仅不抑烟,还产生烟,同时还影响炭层膨胀高度,导致隔热效果不好。由表 5 可见,实验 9 的耐火效果,不但耐火时间长而且烟量少,说明硅灰石 5 g ,* 2 g 的搭配比例是*的。
2.4 提高炭层强度的方法
由于防火涂料中加入了大量的有机阻燃助剂,在高温作用下,有机物分解成为气体排出,使中间形成了许多微小的孔洞,造成炭层较软,强度不够。为了提高炭层强度,提高其抗气体冲刷能力,避免出现炭层被火焰冲破或炭层脱落等现象,通常可采取两种方法 : ①增加无机填料的用量(如高岭土、*、硅灰石等);②加入空心微珠、玻璃纤维、石棉纤维等 [2] 。但是炭层的高度是随无机填料用量的增加而降低的,这就会影响到防火隔热的效果,所以方法①不宜采用。本实验采用方法②,加入空心微珠。即在实验 9 的基础上,多加入 4 g 空心微珠,配方见表 6 ,测试结果见表 7 。
表 6 提高炭层强度的对比实验配方 /g
表 7 空心微珠的对比实验结果
由表 7 可见,空心微珠的加入不但没有影响炭层的质量和耐火时间,反而使炭层的强度有了明显的提高,这样火焰就不会轻易将炭层吹塌。外另,从表 7 中还可以看出,空心微珠的加入使耐火时间有了明显的增加,笔者认为,可能是因为空心微珠本身就是多孔的结构,这种特殊的结构使每一粒空心微珠都 成为一个隔热体。众多的空心微珠在一起,就形成了一个密实的蜂窝状骨架。同膨胀后的炭层骨架的作用相同。
综上所述,实验 10 的配方为*的防火涂料配方,其综合性能(烟量、炭层强度、炭层质量、耐火 时间)均较优异。
3 实验举例及与国内外产品比较
按上述讨论所得*配方制得防火涂料,按国家标准 GB14907-2002 《钢结构防火涂料》进行性能检测,并与国内外产品进行比较,结果见表 8 、表 9 。
表 8 本实验产品检测结果
表 9 本实验产品与国内外水性防火涂料产品比较结果
由表 8 、表 9 可见,实验 10 的配方产品在性能上已达到了国家标准 GB14907-2002 《钢结构防火涂料》的指标。在耐火隔热效果上已经达到了国外同类产品的性能,优于国内某产品的性能指标。
4 结 语
(1) 在防火涂料中,填料的作用是同样重要的,虽然填料在整个防火涂料中所占的比例不大,但对防火涂料的性能具有重要影响。
(2) 我们选用硅灰石、*、空心微珠为防火涂料的填料,在配方中各组分分别为 5g , 2g , 4g 。其中硅灰石起骨架的作用,*起抑烟、降温的作用,空心微珠起增强炭层强度的作用。
(3) 高岭土、*的作用同于硅灰石,但性能却不及硅灰石。而碳酸钙不适宜应用到防火涂料中。
(4) 充分利用填料价格低廉的优势,配合其它阻燃助剂,可以制备出性能优异的防火涂料。
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