王清海，王秀娟，方健君，赵起锋，曹碧辉，官自超
（中海油常州涂料化工研究院有限公司，江苏常州213016）
0 引言
钢结构具有强度高、自重轻、可靠性高、抗形变能力强、可回收利用等优点，是最主要的建筑结构类型之一，钢结构建筑也被誉为21世纪的“绿色建筑”。但是钢结构的耐火性能差，裸露的钢结构在火灾发生的10min内就能达到临界温度，钢材承受力急剧下降导致建筑迅速坍塌。因此，采取有效措施提高钢结构的耐火性能一直是研究的重要课题。在诸多钢结构防火保护措施中，涂覆防火涂料是最经济有效的方法。
随着环保法规的日益严苛，溶剂型防火涂料的使用受到越来越多的限制。水性膨胀型防火涂料是以水作为分散介质的绿色环保防火涂料，具有很好的应用前景。目前市场上水性膨胀型防火涂料主要以丙烯酸乳液为成膜物，以多聚磷酸铵（APP，成炭催化剂）、季戊四醇（PER，成炭剂）、三聚氰胺（MEL，发泡剂）作为阻燃体系，在受热时，成膜物质熔融变软，成炭剂在催化剂的作用下脱水成炭，炭化物及熔融态的成膜物在发泡剂热分解产生的气体作用下形成致密、封闭的膨胀炭层，在热源与钢材之间形成隔热屏障，阻止热量向基材传导。
水性膨胀型防火涂料的膨胀炭层如果强度不够、防火过程中从钢材表面脱落，就会导致钢结构裸露在火焰中很快失去承载力。颜填料是水性膨胀型防火涂料的重要组成部分，对提高涂层的耐火性能，特别是提高炭层的强度和稳定性具有重要作用。有研究表明，钛白粉是少有的几种可与多聚磷酸铵在高温下反应提高涂层耐火性能的颜料。本研究选用钛白粉作为增强颜料，选用高岭土、氢氧化铝、硅酸铝纤维、蒙脱土与之复配，考察了不同颜填料对炭层强度及涂层耐火性能的影响。
1 实验部分
1.1 主要原料与设备
丙烯酸乳液：上海昕特玛化学品有限公司；多聚磷酸铵（APP）：杭州捷尔思阻燃化工有限公司；季戊四醇（PER）：湖北宜化化工有限公司；三聚氰胺（MEL）：江苏三木集团有限公司；钛白粉：攀钢集团有限公司；高岭土：山西琚丰新材料科技有限公司；蒙脱土：石家庄沣铭矿产品有限公司；玻璃纤维：深圳鑫纤科技有限公司；氢氧化铝：深圳市海扬粉体科技有限公司；其余原料、助剂均为市售。以上均为工业级。
砂磨、分散、搅拌多用机（SFJ-400）：上海现代环境工程技术股份有限公司；膜厚仪（QNIX4500）：德国QNix公司；防火性能快速检验装置：中航百慕新材料技术工程股份有限公司。
1.2 水性防火涂料的制备
水性防火涂料的基础配方见表1。
表1 水性防火涂料的基础配方
制备工艺：先将助剂和水在分散罐中低速分散均匀，再加入全部粉料高速分散，最后加入乳液中速分散均匀，即可得到水性防火涂料。
1.3 防火性能测试
选用规格为80 mm×40 mm×1.2 mm的钢片，清洗干净并用砂纸打磨后采用刮涂的方式将水性防火涂料涂敷在钢板上，控制干膜膜厚在（1.2±0.1）mm。防火性能测试在防火性能快速检验装置上进行，按照企标Q/6S2153“超薄型钢结构防火涂料防火性能快速测试方法”进行测试，以钢片背温达到580℃的时间作为耐火时间，测试装置如图1。
图1 防火性能快速检验装置
1.4 失质量率测试
测试之前干膜的质量减去测试后膨胀炭层的质量即为涂层的失质量，涂层的失质量与测试之前干膜的质量之比即为失质量率，用以表示涂层的抗烧蚀性能。
1.5 炭层强度测试
炭层的强度以壁纸刀切割炭层的方法确定：用壁纸刀切割膨胀炭层，如果炭层较硬，可以从炭层中间完整切割，并且断面整齐不破散，则强度高；如果炭层较软，切割时断面破散易碎，则强度弱。炭层强度以数字1~10表示，其中1表示强度最弱，10表示强度最高。
2 结果与讨论
2.1 不同钛白粉用量对涂层防火性能的影响
按照表1中初始配方制备水性防火涂料，考察添加不同量钛白粉的水性膨胀型防火涂料的耐火性能，结果如图2、表2所述。
图2 添加不同量的钛白粉对失质量率的影响
表2 添加不同量的钛白对水性防火涂料耐火性能的影响
从图2可以看出，随着钛白粉含量的增加，涂层的失质量率逐渐降低，由70%降低到55%，表明钛白粉添加量越高，水性防火涂料的抗烧蚀性能越好。从表2可以看出，钛白粉添加量为4%时，炭层膨胀倍数只有28倍，并且疏松开裂，炭层强度低，耐火时间较短。在钛白粉添加量达到8%时，炭层的膨胀倍数随着钛白粉含量的增加而增大，炭层状态也由疏松逐渐变得致密，说明钛白粉参与到了炭层骨架的形成过程，在高温条件下TiO2与多聚磷酸铵或其降解产物反应形成TiP2O7，增强了炭层结构，耐火性能也得到提升。当钛白粉添加量继续提升到12%时，虽然炭层变得更加致密，炭层强度更高，但是炭层的膨胀倍数开始降低，这是因为钛白粉含量的提升导致膨胀阻燃体系含量相对减少，同时钛白粉的大量加入使得炭层膨胀受阻，在钛白粉含量为12%时，膨胀倍数只有26倍，导致炭层的后期隔热效果较差，耐火时间下降到50min。综合以上实验结果可以看出，钛白粉添加量为10%时，炭层致密、强度高，耐火性能最好。
2.2 不同增强填料对涂层防火性能的影响
选用高岭土、蒙脱土、玻璃纤维、氢氧化铝以及它们之间按质量比1:1的混合粉料作为无机增强填料，保持配方中各组分用量相同，考察不同增强填料对水性防火涂料性能的影响，结果如表3所示。
表3 不同增强填料对水性防火涂料耐火性能的影响
从表3的实验结果可以看出，不同增强填料对水性防火涂料的性能具有不同的影响。添加高岭土的防火涂料炭层膨胀倍数较高，炭层强度较好，主要是因为高岭土在高温时可以反应生成类似于陶瓷的保护层覆盖在炭层表面，提升了炭层的隔热能力与强度，使涂层表现出较好的耐火性能。蒙脱土的加入明显降低了涂层的膨胀程度，生成的炭层中有少许大泡存在，可能是因为蒙脱土的加入大大提高了涂层的熔融黏度，同时片状结构在防火涂料中阻止了部分膨胀阻燃体系生成的惰性气体的外散，形成了部分大泡。玻璃纤维的加入使炭层膨胀度有所降低，炭层强度较差，整个炭层虽然有明显的纤维状残留，但是炭层呈现破散状。这是因为玻璃纤维虽然具有较好的耐高温性，但是不能与膨胀阻燃体系起到协同阻燃的作用，形成的交叉纤维结构不能增强炭层骨架，导致炭层状态较差。氢氧化铝的加入，使炭层膨胀度降低，但是炭层致密，仍表现出较好的耐火时间。这是因为氢氧化铝的加入提升了涂层的熔融黏度，导致炭层膨胀度较小，但是氢氧化铝在较低温度时可以分解吸热，与膨胀阻燃体系共同作用减少了反应初期外部热量向基材的传递，提高了涂层的耐火时间。同时氢氧化铝分解产生的氧化铝可以增强炭层的强度，防止炭层中大孔隙的产生，促进致密炭层的生成。这4种增强填料两两之间以质量比1:1混合使用时，高岭土与氢氧化铝质量比1:1的混合填料使涂层表现出优异的性能，主要是因为两种填料都可与膨胀阻燃体系产生良好的协同效应，在共同作用下形成了高膨胀度、高强度的致密炭层，提高了涂层的耐火时间。
2.3 高岭土与氢氧化铝混合填料的用量对涂层防火性能的影响
按照表1的基础配方，钛白粉的添加量为10%，高岭土与氢氧化铝质量比为1:1的混合填料的添加量分别为1%，3%，5%，7%，9%，制备5种水性防火涂料，性能测试结果如表4。
表4 不同含量混合填料对水性防火涂料防火性能的影响
从表4可以看出，当混合填料添加量为1%时，炭层较疏松，强度较弱，耐火时间短。随着混合填料添加量的增加，涂料的膨胀倍数逐渐降低，炭层强度逐渐升高，耐火时间先增大后减小。在添加量为5%时，炭层状态与耐火性能达到最佳。当继续添加混合填料至9%时，炭层强度高，但与钢片之间的附着力较差，易从钢片上脱落。可能是因为混合填料的过量加入对炭层的膨胀有较强的抑制作用，导致膨胀阻燃体系分解产生的不燃气体对无法膨胀的炭层产生较强的冲击，导致炭层的附着力较差，甚至脱落。综合实验结果可以看出，当混合填料的添加量为5%时，水性防火涂料的炭层强度、炭层状态与耐火性能最好。
3 结论
（1）钛白粉的加入可以提高水性膨胀型防火涂料的抗烧蚀性能，当钛白粉的添加量为10%时，炭层致密、强度高，耐火性能最好；
（2）对比4种无机填料以及它们两两之间按质量比1:1的混合填料，高岭土与氢氧化铝质量比1:1的混合填料具有良好的协同阻燃效果；
（3）高岭土与氢氧化铝质量比1:1的混合填料添加量为5%时，能够显著提高炭层强度与炭层状态，涂层的膨胀倍数31倍，防火性能最佳。
完整内容请见《涂层与防护》2021年第11期
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