PMS室外膨胀型钢结构防火涂料老化与使用寿命预测研究

杨守生，王学宝，陈振邦，孟 涛，冯海生

(1.中国人民警察大学，河北 廊坊 065000； 2.荆州市消防支队，湖北 荆州 434000)

0 引言

膨胀型防火涂料因其自重轻、涂刷厚度小、美观性好和良好的施工性能等优点，广泛用于钢结构防火保护以及木材、电线电缆等可燃基材的阻燃，推迟或阻止引燃过程，延缓火灾蔓延，提高保护基材的耐火极限。其作用机理是成膜物质和膨胀阻燃体系在受热过程中产生复杂的物理、化学变化形成具有隔热作用的炭层[1-2]。室外膨胀型钢结构防火涂料因使用环境因素会受到日光、雪、雨、雾、暴晒和温差以及酸、碱、盐雾等的长期作用，其组成成分将产生降解或溶出，导致性能下降，耐久性缩短[3]。科学评估防火涂料的耐久性对发挥其保护作用具有积极意义。本文通过人工加速紫外老化试验及自然暴露试验研究PMS室外膨胀型钢结构防火涂料耐老化性能，并对其使用寿命进行预测。

1 实验部分

1.1 样品及试件

目前通过消防产品合格评估的室外膨胀型钢结构防火涂料品种较多，但市场上的产品质量良莠不齐，试验样品选择的是业界公认的涂料，已知其关键组分为氨基树脂、甲基丙烯酸共聚树脂、聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇，具有优良的耐火性能。

试件：用砂纸将钢板(Q235普通碳素钢150 mm×150 mm×2 mm)表面打磨干净，用无水乙醇等有机溶剂擦去钢板表面的杂质；待钢板表面干燥后，根据涂料实际使用要求涂刷一层底漆，底漆干燥后，分多次涂刷防火涂料，干燥后测其实际涂层厚度。

1.2 试验仪器

紫外老化试验机KW-UV3，承德鑫马测试仪器有限公司(使用UVA-351灯管，光谱范围275～390 μm)；色差仪NR20XE，三恩公司；ZQS6-2000高精度粘结强度测试仪，北京盛世科技有限公司；防火涂料耐火极限测试仪(自制)等。

1.3 老化试验

1.3.1 人工加速紫外老化试验

试验条件参考GB/T 14522—2008[4]，设定紫外辐射强度为1.55 W·m-2，辐射时黑板温度为50 ℃。老化周期为200，400，800，1 600 h。

1.3.2 自然暴露试验

将试件固定在如图1所示的试验架上，置于河北廊坊武警学院2号试验楼楼顶，朝南放置。室外暴露规定时间取样测试。

图1 室外暴露试验实物图

1.4 测试方法

1.4.1 色度测量及色差计算

色度是不包括亮度在内的颜色的性质，它反映的是颜色的色调和饱和度。依据GB/T 11186[5]测量试样表面的色度，按照五点采样法，5次后取平均值，作为试样的色度。将老化后试样的色度与老化处理前试样的色度按公式(1)计算色差，得到老化前后样品的色差变化值。

1.4.2 粘结强度测试

参照JGJ 110—2008[6]进行测试，记录粘结力峰值，测量脱落面积，根据公式(2)计算粘结强度。

粘结强度(MPa)=

脱附拉力(N)/脱附面积(mm2)

(2)

1.4.3 耐火极限测试

耐火极限测试采用自制的防火涂料耐火极限测试装置，如图2所示。其内部温度按照ISO834标准升温曲线升温，如图3所示，背温热电偶示数达到300 ℃时停止试验，并记录所需时间即为防火材料的耐火时间。涂层厚度及基材对防火涂料耐火极限影响较大，为便于比较分析，扣除基材与涂料厚度对结果的影响，定义防火涂料的折算耐火性能如式(3)、式(4)。

折算耐火时间(min)=[样品耐火极限(s)-带漆钢板耐火极限(s)]/60

(3)

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

(4)

图2 防火涂料耐火极限测试装置

图3 升温曲线

2 结果与讨论

2.1 人工加速老化与PMS涂料涂层性能的关系

2.1.1 色差变化

对老化不同周期的试件测试色度，经计算得色差值，如表1所示。可见，PMS防火涂料的色差变化呈现出先上升后下降的趋势，可能因为在老化时间段紫外线使颜填料发生褪色泛白，涂料白度增加，长时间辐照使得树脂降解老化泛黄，使涂料白度下降。

表1 PMS紫外老化不同时间下的色差值

2.1.2 粘结强度变化

室外型涂料由于长期暴露在室外，其附着能力是保证其牢固附着在基材上的重要指标。图4为PMS防火涂料粘结强度随老化时间的变化图，可见老化时间越长粘结强度越低，紫外线使树脂降解失去粘结性。

图4 PMS防火涂料粘结强度随老化时间变化规律

2.1.3 耐火性能的变化

对不同老化周期的试件测试其耐火极限，利用式(3)、式(4)计算折算耐火时间和折算耐火性能，如表2所示。

将表2的老化时间与折算耐火性能作散点图，并将散点进行拟合得耐火性能随老化时间衰减的经验计算式：y=-0.0393x+104.1。从图5发现，PMS防火涂料随着紫外老化时间的增长，其耐火性能呈线性下降。这种下降源于涂层受紫外线作用后形成炭层的膨胀倍率下降，如图6所示。

表2 PMS防火涂料紫外老化不同时间后的耐火性能

图5 老化时间与折算耐火性能的关系

2.2 PMS防火涂料自然暴露试验对性能的影响

2.2.1 外观及色差变化

图7、图8分别为试件自然暴露前后的对比图，显示涂层严重变黄、出现开裂，表明PMS防火涂料在室外暴露500 d后，已经出现老化现象。表3显示其色差的变化呈现出先慢后快再慢的色差变化速率，即S型的趋势，采用Logistic曲线对色差进行拟合，得到涂料的色差与老化时间的关系式：y=32.67/(1+5517e-1.189/x)。

图6 PMS防火涂料膨胀倍数随老化时间的变化

图7 自然暴露前PMS防火涂料形貌照片

图8 自然暴露后PMS防火涂料形貌照片

表3 自然暴露后PMS防火涂料涂层色差变化情况

2.2.2 自然暴露后防火涂料耐火极限的变化

表4为老化前后PMS防火涂料耐火性能。可以看出，PMS防火涂料自然暴露后防火性能显著下降，经500 d自然老化后，其折算耐火性能平均下降了67.1%。

2.3 人工加速老化与自然暴露老化相关性及涂料使用寿命预测

采用耐火性能作为防火涂料老化的判定依据，建立自然暴露老化与人工加速老化相关性关系，借GB 14907—2002要求防火涂料经过耐候性后的耐火性能衰减不大于35%，因此将折算耐火性能下降35%作为防火涂料达到寿命终止的判断依据。确定防火涂料折算耐火性能下降35%所需人工加速老化的时间，即人工加速老化寿命，经倍率关系折算即可获得涂料使用寿命。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，经计算获得PMS防火涂料在自然老化时耐火性能下降35%，即达到寿命所需时间为927×13.5=12 514 h，约1.4 y。

表4 PMS防火涂料自然暴露后耐火性能变化

此估算涂料使用寿命。将人工加速老化与自然暴露老化试样的折算耐火性能与老化时间作图，获得耐火性能与老化时间的关系，如图9所示。

图9 人工加速与自然暴露老化的PMS

根据图9计算人工加速老化达到自然暴露老化同样的耐火性能所需的时间，分别为745 h、1 029 h，取两者平均值为887 h。这2个试样实际经历了500 d的老化，即自然老化12 000 h相当于在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 结论

通过试验研究，可得结论：(1)紫外线对PMS防火涂料涂层性能影响显著，涂层的色差变化呈现出先上升后下降的趋势，粘结强度和耐火性能随照射时间延长而明显下降。(2)PMS防火涂料室外自然暴露后涂层表面开裂、变黄，耐火性能下降显著。经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与自然暴露老化具有相关性，人工加速老化速率是自然老化的13.5倍。根据自然暴露老化试验和人工加速老化试验数据拟合的数学模型预测其使用寿命为1.4 y。