PMS室外膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料老化與使用壽命預(yù)測研究

楊守生，王學(xué)寶，陳振邦，孟 濤，馮海生

(1.中國人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000； 2.荊州市消防支隊，湖北 荊州 434000)

0 引言

膨脹型防火涂料因其自重輕、涂刷厚度小、美觀性好和良好的施工性能等優(yōu)點，廣泛用于鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)以及木材、電線電纜等可燃基材的阻燃，推遲或阻止引燃過程，延緩火災(zāi)蔓延，提高保護(hù)基材的耐火極限。其作用機(jī)理是成膜物質(zhì)和膨脹阻燃體系在受熱過程中產(chǎn)生復(fù)雜的物理、化學(xué)變化形成具有隔熱作用的炭層[1-2]。室外膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料因使用環(huán)境因素會受到日光、雪、雨、霧、暴曬和溫差以及酸、堿、鹽霧等的長期作用，其組成成分將產(chǎn)生降解或溶出，導(dǎo)致性能下降，耐久性縮短[3]。科學(xué)評估防火涂料的耐久性對發(fā)揮其保護(hù)作用具有積極意義。本文通過人工加速紫外老化試驗及自然暴露試驗研究PMS室外膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐老化性能，并對其使用壽命進(jìn)行預(yù)測。

1 實驗部分

1.1 樣品及試件

目前通過消防產(chǎn)品合格評估的室外膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料品種較多，但市場上的產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，試驗樣品選擇的是業(yè)界公認(rèn)的涂料，已知其關(guān)鍵組分為氨基樹脂、甲基丙烯酸共聚樹脂、聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇，具有優(yōu)良的耐火性能。

試件：用砂紙將鋼板(Q235普通碳素鋼150 mm×150 mm×2 mm)表面打磨干凈，用無水乙醇等有機(jī)溶劑擦去鋼板表面的雜質(zhì)；待鋼板表面干燥后，根據(jù)涂料實際使用要求涂刷一層底漆，底漆干燥后，分多次涂刷防火涂料，干燥后測其實際涂層厚度。

1.2 試驗儀器

紫外老化試驗機(jī)KW-UV3，承德鑫馬測試儀器有限公司(使用UVA-351燈管，光譜范圍275～390 μm)；色差儀NR20XE，三恩公司；ZQS6-2000高精度粘結(jié)強(qiáng)度測試儀，北京盛世科技有限公司；防火涂料耐火極限測試儀(自制)等。

1.3 老化試驗

1.3.1 人工加速紫外老化試驗

試驗條件參考GB/T 14522—2008[4]，設(shè)定紫外輻射強(qiáng)度為1.55 W·m-2，輻射時黑板溫度為50 ℃。老化周期為200，400，800，1 600 h。

1.3.2 自然暴露試驗

將試件固定在如圖1所示的試驗架上，置于河北廊坊武警學(xué)院2號試驗樓樓頂，朝南放置。室外暴露規(guī)定時間取樣測試。

圖1 室外暴露試驗實物圖

1.4 測試方法

1.4.1 色度測量及色差計算

色度是不包括亮度在內(nèi)的顏色的性質(zhì)，它反映的是顏色的色調(diào)和飽和度。依據(jù)GB/T 11186[5]測量試樣表面的色度，按照五點采樣法，5次后取平均值，作為試樣的色度。將老化后試樣的色度與老化處理前試樣的色度按公式(1)計算色差，得到老化前后樣品的色差變化值。

1.4.2 粘結(jié)強(qiáng)度測試

參照J(rèn)GJ 110—2008[6]進(jìn)行測試，記錄粘結(jié)力峰值，測量脫落面積，根據(jù)公式(2)計算粘結(jié)強(qiáng)度。

粘結(jié)強(qiáng)度(MPa)=

脫附拉力(N)/脫附面積(mm2)

(2)

1.4.3 耐火極限測試

耐火極限測試采用自制的防火涂料耐火極限測試裝置，如圖2所示。其內(nèi)部溫度按照ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫，如圖3所示，背溫?zé)犭娕际緮?shù)達(dá)到300 ℃時停止試驗，并記錄所需時間即為防火材料的耐火時間。涂層厚度及基材對防火涂料耐火極限影響較大，為便于比較分析，扣除基材與涂料厚度對結(jié)果的影響，定義防火涂料的折算耐火性能如式(3)、式(4)。

折算耐火時間(min)=[樣品耐火極限(s)-帶漆鋼板耐火極限(s)]/60

(3)

折算耐火性能(min·mm-1)=折算耐火時間(min)/涂料平均厚度(mm)

(4)

圖2 防火涂料耐火極限測試裝置

圖3 升溫曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 人工加速老化與PMS涂料涂層性能的關(guān)系

2.1.1 色差變化

對老化不同周期的試件測試色度，經(jīng)計算得色差值，如表1所示。可見，PMS防火涂料的色差變化呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，可能因為在老化時間段紫外線使顏填料發(fā)生褪色泛白，涂料白度增加，長時間輻照使得樹脂降解老化泛黃，使涂料白度下降。

表1 PMS紫外老化不同時間下的色差值

2.1.2 粘結(jié)強(qiáng)度變化

室外型涂料由于長期暴露在室外，其附著能力是保證其牢固附著在基材上的重要指標(biāo)。圖4為PMS防火涂料粘結(jié)強(qiáng)度隨老化時間的變化圖，可見老化時間越長粘結(jié)強(qiáng)度越低，紫外線使樹脂降解失去粘結(jié)性。

圖4 PMS防火涂料粘結(jié)強(qiáng)度隨老化時間變化規(guī)律

2.1.3 耐火性能的變化

對不同老化周期的試件測試其耐火極限，利用式(3)、式(4)計算折算耐火時間和折算耐火性能，如表2所示。

將表2的老化時間與折算耐火性能作散點圖，并將散點進(jìn)行擬合得耐火性能隨老化時間衰減的經(jīng)驗計算式：y=-0.0393x+104.1。從圖5發(fā)現(xiàn)，PMS防火涂料隨著紫外老化時間的增長，其耐火性能呈線性下降。這種下降源于涂層受紫外線作用后形成炭層的膨脹倍率下降，如圖6所示。

表2 PMS防火涂料紫外老化不同時間后的耐火性能

圖5 老化時間與折算耐火性能的關(guān)系

2.2 PMS防火涂料自然暴露試驗對性能的影響

2.2.1 外觀及色差變化

圖7、圖8分別為試件自然暴露前后的對比圖，顯示涂層嚴(yán)重變黃、出現(xiàn)開裂，表明PMS防火涂料在室外暴露500 d后，已經(jīng)出現(xiàn)老化現(xiàn)象。表3顯示其色差的變化呈現(xiàn)出先慢后快再慢的色差變化速率，即S型的趨勢，采用Logistic曲線對色差進(jìn)行擬合，得到涂料的色差與老化時間的關(guān)系式：y=32.67/(1+5517e-1.189/x)。

圖6 PMS防火涂料膨脹倍數(shù)隨老化時間的變化

圖7 自然暴露前PMS防火涂料形貌照片

圖8 自然暴露后PMS防火涂料形貌照片

表3 自然暴露后PMS防火涂料涂層色差變化情況

2.2.2 自然暴露后防火涂料耐火極限的變化

表4為老化前后PMS防火涂料耐火性能?？梢钥闯?，PMS防火涂料自然暴露后防火性能顯著下降，經(jīng)500 d自然老化后，其折算耐火性能平均下降了67.1%。

2.3 人工加速老化與自然暴露老化相關(guān)性及涂料使用壽命預(yù)測

采用耐火性能作為防火涂料老化的判定依據(jù)，建立自然暴露老化與人工加速老化相關(guān)性關(guān)系，借GB 14907—2002要求防火涂料經(jīng)過耐候性后的耐火性能衰減不大于35%，因此將折算耐火性能下降35%作為防火涂料達(dá)到壽命終止的判斷依據(jù)。確定防火涂料折算耐火性能下降35%所需人工加速老化的時間，即人工加速老化壽命，經(jīng)倍率關(guān)系折算即可獲得涂料使用壽命。PMS防火涂料90 ℃人工加速紫外老化耐火性能下降35%需要927 h，經(jīng)計算獲得PMS防火涂料在自然老化時耐火性能下降35%，即達(dá)到壽命所需時間為927×13.5=12 514 h，約1.4 y。

表4 PMS防火涂料自然暴露后耐火性能變化

此估算涂料使用壽命。將人工加速老化與自然暴露老化試樣的折算耐火性能與老化時間作圖，獲得耐火性能與老化時間的關(guān)系，如圖9所示。

圖9 人工加速與自然暴露老化的PMS

根據(jù)圖9計算人工加速老化達(dá)到自然暴露老化同樣的耐火性能所需的時間，分別為745 h、1 029 h，取兩者平均值為887 h。這2個試樣實際經(jīng)歷了500 d的老化，即自然老化12 000 h相當(dāng)于在90 ℃下人工加速老化887 h，人工加速老化的老化速率是自然老化的13.5倍。

3 結(jié)論

通過試驗研究，可得結(jié)論：(1)紫外線對PMS防火涂料涂層性能影響顯著，涂層的色差變化呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，粘結(jié)強(qiáng)度和耐火性能隨照射時間延長而明顯下降。(2)PMS防火涂料室外自然暴露后涂層表面開裂、變黃，耐火性能下降顯著。經(jīng)500 d自然老化后，其折算耐火性能平均下降了67.1%。(3)PMS防火涂料人工加速老化與自然暴露老化具有相關(guān)性，人工加速老化速率是自然老化的13.5倍。根據(jù)自然暴露老化試驗和人工加速老化試驗數(shù)據(jù)擬合的數(shù)學(xué)模型預(yù)測其使用壽命為1.4 y。