水性鋼結構防火涂料的制備與性能研究

李楠 鐘圣韜 韓銳

摘要：成炭劑是水性膨脹型鋼結構防火涂料中的一個重要組成部分。雙季戊四醇和山梨醇都可以用作成炭劑。本實驗研究雙季戊四醇與山梨醇這兩種成炭劑的混合使用對水性膨脹型鋼結構防火涂料的防火性能的影響。本實驗以山梨醇的含量為變量一共合成了五種膨脹型防火涂料。采取熱失重分析（TG）、掃描電鏡（SEM）和隔熱效率測試分別對不同比例的雙季戊四醇/山梨醇防火涂料進行燃燒過程分析、燃燒炭層結構分析以及隔熱效率測試。SEM結果可以得出雙季戊四醇/山梨醇混合使用使炭層的結構更加緊密;燃燒測試結果表明雙季戊四醇/山梨醇混合使用使耐火時間延長，其中雙季戊四醇與山梨醇的比例為0.6：0.4的耐火時長最長。因此，可以得出雙季戊四醇/山梨醇混合使用是通過提高炭層結構緊密度，使炭層的高溫穩定性更高，從而提高了炭層阻隔熱量的能力，達到改善防火效果的目的。

關鍵詞：水性膨脹型防火涂料;成炭劑;季戊四醇

防火涂料可涂覆于可燃性基材表面，降低被涂材料表面的可燃性，阻滯火災的迅速蔓延，也可涂覆于結構材料表面，以提高構件耐火極限，是阻燃材料中的一個重要類別。防火涂料涂附在木材、墻體、鋼材上，不僅能起到裝飾作用，在發生火災時，更能提高材料的防火性能和耐火時間，起到保護物件、贏得搶救時間的作用。在眾多材料中，鋼材由于優異的強度、韌度等優點，在建筑中廣泛應用。但是鋼易導熱、不耐火，使它在540℃時機械強度極速下降。然而，一般火場最終溫度在800～1200℃之間，火災案例和科學實踐也表明未加保護的鋼材在火場溫度達到600℃就會完全失去剛性和強度，而火災發生10min后裸露的鋼材溫度就達到700℃以上，極大地減少了救援時間。

防火涂料的膨脹阻燃體系由脫水成炭催化劑聚磷酸銨（APP）/成炭劑季戊四醇（PER）/發泡劑三聚氰胺（MEL）組成。防火機理如下：受熱時，基料中的成膜物質會成為熔融態的成膜物質。與此同時，脫水催化劑受熱產生的酸和成炭劑受熱產生的羥基反應進行酯化脫水，形成粘稠態的酯化產物。發泡劑受熱分解產生的惰性氣體使熔融態的成膜物質和酯化產物的混合物膨脹形成均勻而致密的蜂窩狀或海綿狀的碳質泡沫層，該炭化層熱導率小且厚度大，它粘附在鋼材上延滯了熱量傳向被保護基材的速度，避免火焰和高溫直接進攻鋼構件，起到了再阻隔作用。與此同時，釋放出來的大量惰性氣體，降低了空氣中的可燃氣體和氧濃度，使燃燒減緩或自熄。成炭劑是主要的發泡物質，它的作用效果主要由兩個方面決定：其一為分子中碳含量與羥基的數目;其二為成炭劑的分解溫度。碳含量決定炭化速度，羥基數目決定脫水速度。因此，采用含碳量高，分解反應速率低的多羥基化合物作為成炭劑較為適宜。雙季戊四醇有較多的碳量，分子中有多個羥基，山梨醇也是成炭劑的一種，單一的成炭劑不能提供足夠多的含碳量以及羥基，兩種成炭劑可互相配合，產生協同作用，提高炭層的強度。

一、實驗部分

（一）實驗原料

季戊四醇、山梨醇、聚磷酸銨、三聚氰胺、苯丙乳液、水、助劑以及填料等，具體配比如下表1所示

（二）實驗步驟

將各原料按比例稱號后先后混合攪拌，然后用高速攪拌機在3500r/min的速度下攪拌10min。按成碳劑比例（季戊四醇與山梨醇的比例分別為1：0;4：1;3：2;2：3;1：4）配制為5組涂料，分別標記為1S、2S、3S、4S、5S。

將配置好的涂料均勻涂刷在標準鋼板和隔熱效率測試鋼板上。將5組樣品放于用馬弗爐作燃燒測試，當馬弗爐爐溫升至800℃時關閉電源，觀察發泡情況及測試微觀形貌，測試發泡倍數。將涂刷有標準厚度鋼結構防火涂料的鋼板放置于隔熱效率測試爐中，按標準升溫曲線測試鋼板背火面溫度至538℃時停止實驗。

二、實驗結果與討論

（一）燃燒測試結果分析

每組樣品涂3個小鋼板，將5組樣品放于用馬弗爐作燃燒測試，得到如圖2（從左到右為1S-5S，發泡倍數依次為20、30、40、32、25）各個樣品的發泡情況。

（二）掃描電鏡結果分析

從涂層燃燒后的炭層結構可以判斷炭層結構的致密度，從而推斷炭層的強度。從圖中可以看出1的碳層結構中有細微小孔，有疏松，并且炭結構之間的連接不是太緊湊。3S的炭層結構無小孔和疏松，連接緊密。5S的炭層結構中的小孔多，且炭層發泡程度不足。1S和5S的炭層骨架疏松，致密度差，形成較大的裂縫，這給熱量從外向基材傳導留下了通道;而3S的炭層無松孔，骨架完整，連接緊密，致密度好，從而增強了炭層結構的強度。

（三）隔熱效率測試

隔熱效率測試是將刷好的大鋼板放置在隔熱效率測試爐里，通過熱電偶測得鋼板背面溫度，將之記錄、作圖得到時間-溫度曲線。從曲線的變化情況，可以得到鋼板背面溫度的變化曲線，以及鋼板的耐熱時長。我們將1S、3S、5S樣品做隔熱效率測試，得到圖3。

從曲線可以看到，雙季戊四醇與山梨醇的比例為0.6：0.4時，即3S鋼板的背溫變化最緩慢，且當大鋼板背溫到達540℃時，所用時長最長，達1.6h。而當雙季戊四醇與山梨醇的比例為0.2：0.8時，即5S鋼板的背溫變化明顯比純雙季戊四醇1S快，其耐熱時長也沒有純雙季戊四醇長。從而可以得出適當量的山梨醇與雙季戊四醇協同作用能夠延長涂料隔熱時間，從而提高耐火效果。

三、結語

從掃描電鏡結果可以得出適量山梨醇的加入使得炭層結構致密度增加，提高了炭層的強度;隔熱效率測試可以得出適量的山梨醇與雙季戊四醇混用能夠延長耐火時間，其中雙季戊四醇與山梨醇的比例為0.6：0.4的耐火時長最長，達1.6h。雙季戊四醇與山梨醇是通過提高炭層結構致密度來提高炭層強度，從而阻隔熱量，達到改善防火效果的目的。

參考文獻：

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作者簡介：

韓銳，男，四川成都人，任教于西華大學材料科學與工程學院，副教授，博士，主要從事聚合物基復合材料、高性能綠色高分子材料等的研究。