水性钢结构防火涂料的制备与性能研究

李楠 钟圣韬 韩锐

摘要：成炭剂是水性膨胀型钢结构防火涂料中的一个重要组成部分。双季戊四醇和山梨醇都可以用作成炭剂。本实验研究双季戊四醇与山梨醇这两种成炭剂的混合使用对水性膨胀型钢结构防火涂料的防火性能的影响。本实验以山梨醇的含量为变量一共合成了五种膨胀型防火涂料。采取热失重分析（TG）、扫描电镜（SEM）和隔热效率测试分别对不同比例的双季戊四醇/山梨醇防火涂料进行燃烧过程分析、燃烧炭层结构分析以及隔热效率测试。SEM结果可以得出双季戊四醇/山梨醇混合使用使炭层的结构更加紧密;燃烧测试结果表明双季戊四醇/山梨醇混合使用使耐火时间延长，其中双季戊四醇与山梨醇的比例为0.6：0.4的耐火时长最长。因此，可以得出双季戊四醇/山梨醇混合使用是通过提高炭层结构紧密度，使炭层的高温稳定性更高，从而提高了炭层阻隔热量的能力，达到改善防火效果的目的。

关键词：水性膨胀型防火涂料;成炭剂;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，阻滞火灾的迅速蔓延，也可涂覆于结构材料表面，以提高构件耐火极限，是阻燃材料中的一个重要类别。防火涂料涂附在木材、墙体、钢材上，不仅能起到装饰作用，在发生火灾时，更能提高材料的防火性能和耐火时间，起到保护物件、赢得抢救时间的作用。在众多材料中，钢材由于优异的强度、韧度等优点，在建筑中广泛应用。但是钢易导热、不耐火，使它在540℃时机械强度极速下降。然而，一般火场最终温度在800～1200℃之间，火灾案例和科学实践也表明未加保护的钢材在火场温度达到600℃就会完全失去刚性和强度，而火灾发生10min后裸露的钢材温度就达到700℃以上，极大地减少了救援时间。

防火涂料的膨胀阻燃体系由脱水成炭催化剂聚磷酸铵（APP）/成炭剂季戊四醇（PER）/发泡剂三聚氰胺（MEL）组成。防火机理如下：受热时，基料中的成膜物质会成为熔融态的成膜物质。与此同时，脱水催化剂受热产生的酸和成炭剂受热产生的羟基反应进行酯化脱水，形成粘稠态的酯化产物。发泡剂受热分解产生的惰性气体使熔融态的成膜物质和酯化产物的混合物膨胀形成均匀而致密的蜂窝状或海绵状的碳质泡沫层，该炭化层热导率小且厚度大，它粘附在钢材上延滞了热量传向被保护基材的速度，避免火焰和高温直接进攻钢构件，起到了再阻隔作用。与此同时，释放出来的大量惰性气体，降低了空气中的可燃气体和氧浓度，使燃烧减缓或自熄。成炭剂是主要的发泡物质，它的作用效果主要由两个方面决定：其一为分子中碳含量与羟基的数目;其二为成炭剂的分解温度。碳含量决定炭化速度，羟基数目决定脱水速度。因此，采用含碳量高，分解反应速率低的多羟基化合物作为成炭剂较为适宜。双季戊四醇有较多的碳量，分子中有多个羟基，山梨醇也是成炭剂的一种，单一的成炭剂不能提供足够多的含碳量以及羟基，兩种成炭剂可互相配合，产生协同作用，提高炭层的强度。

一、实验部分

（一）实验原料

季戊四醇、山梨醇、聚磷酸铵、三聚氰胺、苯丙乳液、水、助剂以及填料等，具体配比如下表1所示

（二）实验步骤

将各原料按比例称号后先后混合搅拌，然后用高速搅拌机在3500r/min的速度下搅拌10min。按成碳剂比例（季戊四醇与山梨醇的比例分别为1：0;4：1;3：2;2：3;1：4）配制为5组涂料，分别标记为1S、2S、3S、4S、5S。

将配置好的涂料均匀涂刷在标准钢板和隔热效率测试钢板上。将5组样品放于用马弗炉作燃烧测试，当马弗炉炉温升至800℃时关闭电源，观察发泡情况及测试微观形貌，测试发泡倍数。将涂刷有标准厚度钢结构防火涂料的钢板放置于隔热效率测试炉中，按标准升温曲线测试钢板背火面温度至538℃时停止实验。

二、实验结果与讨论

（一）燃烧测试结果分析

每组样品涂3个小钢板，将5组样品放于用马弗炉作燃烧测试，得到如图2（从左到右为1S-5S，发泡倍数依次为20、30、40、32、25）各个样品的发泡情况。

（二）扫描电镜结果分析

从涂层燃烧后的炭层结构可以判断炭层结构的致密度，从而推断炭层的强度。从图中可以看出1的碳层结构中有细微小孔，有疏松，并且炭结构之间的连接不是太紧凑。3S的炭层结构无小孔和疏松，连接紧密。5S的炭层结构中的小孔多，且炭层发泡程度不足。1S和5S的炭层骨架疏松，致密度差，形成较大的裂缝，这给热量从外向基材传导留下了通道;而3S的炭层无松孔，骨架完整，连接紧密，致密度好，从而增强了炭层结构的强度。

（三）隔热效率测试

隔热效率测试是将刷好的大钢板放置在隔热效率测试炉里，通过热电偶测得钢板背面温度，将之记录、作图得到时间-温度曲线。从曲线的变化情况，可以得到钢板背面温度的变化曲线，以及钢板的耐热时长。我们将1S、3S、5S样品做隔热效率测试，得到图3。

从曲线可以看到，双季戊四醇与山梨醇的比例为0.6：0.4时，即3S钢板的背温变化最缓慢，且当大钢板背温到达540℃时，所用时长最长，达1.6h。而当双季戊四醇与山梨醇的比例为0.2：0.8时，即5S钢板的背温变化明显比纯双季戊四醇1S快，其耐热时长也没有纯双季戊四醇长。从而可以得出适当量的山梨醇与双季戊四醇协同作用能够延长涂料隔热时间，从而提高耐火效果。

三、结语

从扫描电镜结果可以得出适量山梨醇的加入使得炭层结构致密度增加，提高了炭层的强度;隔热效率测试可以得出适量的山梨醇与双季戊四醇混用能够延长耐火时间，其中双季戊四醇与山梨醇的比例为0.6：0.4的耐火时长最长，达1.6h。双季戊四醇与山梨醇是通过提高炭层结构致密度来提高炭层强度，从而阻隔热量，达到改善防火效果的目的。

参考文献：

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王珂.水性钢结构膨胀防火涂料的制备与性能研究[D].北京理工大学，2015.

作者简介：

韩锐，男，四川成都人，任教于西华大学材料科学与工程学院，副教授，博士，主要从事聚合物基复合材料、高性能绿色高分子材料等的研究。