张小玲1,3,邓远名1,2,张卓1,2,蔡建坤1,3,谢聪1,2,吴明联1,周霰1,黄晓平1,许一婷1,2,戴李宗1,2
(1.福建省防火阻燃材料重点实验室,福建厦门361005;2.厦门大学材料学院,福建厦门361005;3.厦门市消防支队,福建厦门361012)
摘要:通过对主粘结剂、聚合物改性剂、骨料和无机阻燃剂等因素的研究,得到改进的常规厚涂型防火涂料,在其表面涂覆纳米插层氨基树脂以改善其耐腐蚀性。以原位插层法制备了蒙脱土/氨基树脂纳米复合材料,采用X射线衍射(XRD)、断面扫描电镜(SEM)及透射电镜(TEM)研究了其分散形态。试验表明通过表面涂覆改性得到的隧道防火涂料组合物具有良好的耐腐蚀性和耐火性能。
关键词:隧道防火涂料;纳米插层;蒙脱土;氨基树脂
中图分类号:X924.4,TU545文献标志码:A
文章编号:1009-0029(2010)02-0138-04
隧道的墙壁和拱顶由不耐高温的钢筋混凝土构成,混凝土在温度超过300℃时,强度随着温度升高而降低,至600℃时下降达50%。隧道防火保护的关键在于尽可能地阻止外界的热量向钢筋混凝土传递。目前采取的主要措施有:提供额外厚度的混凝土、在混凝土中添加聚丙烯纤维、安装喷淋灭火系统、在隧道衬体上喷涂防火涂料等。从性能、成本及施工的方便性考虑,隧道防火涂料是最佳选择。膨胀型防火涂料具有薄、轻及装饰性的优点,但潮湿环境下不易膨胀,不适合在隧道内使用,隧道防火涂料多属于无机厚涂型防火涂料。
目前隧道防火涂料存在的主要问题是:组分中含有较多轻质多孔无机材料,极易吸水使涂层受潮;另外,防火涂层外表面易受汽车所排放酸性尾气的腐蚀。因此,笔者在常规优化防火涂料配方基础上,在防火涂料表面涂覆聚合物氨基纳米复合材料,以改善涂层的耐腐蚀性。以原位插层法制备了蒙脱土/氨基树脂纳米符合材料,采用X射线衍射(XRD)、断面扫描电镜(SEM)及透射电镜(TEM)研究了其分散形态。
1·试验部分
1.1试样的制备
(1)防火涂料试样的制备。防火涂料的制备流程如图1所示,将配好的粘结材料、阻燃剂、增强材料、助剂按比例顺序放入高速分散机中分散,静置后倒出得到防火涂料。
图1 防火涂料制备流程
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将称好的防火涂料粉料倒入容器中,按水灰比分次加水搅拌。将搅拌好的浆料倒入事先已涂抹了脱模剂的模具中,捣实、抹平并修边,放在试验台上干燥,按《钢结构防火涂料》(GB14907-2002)要求养护一个月。
(2)氨基树脂/蒙脱土纳米复合物的制备。将氨基树脂加至100mL三颈瓶中,加入预定量的有机蒙脱土,常温下搅拌至外观呈均匀状,加入邻苯二甲酸酐,溶解,抽真空脱泡,倒入聚四氟乙烯模具中在60℃下固化1h。
1.2 性能测试
(1)高温燃烧试验。大板燃烧试验法:参照《饰面型防火涂料防火性能分级及试验方法大板燃烧法》(GB/T15442.2-1995)。酒精喷灯实验:模拟大板燃烧试验。
(2)理化性能测试。按GB14907-2002要求进行。
2·结果与讨论
2.1 粘接剂含量对防火涂料的影响
基础配方设计如下(质量含量):主粘接剂为20%~50%,聚合物改性剂为4%,增稠剂∶减水剂∶阻燃剂∶填料=1.2∶1∶1∶3.75。图2是主粘接剂含量对防火涂层粘接强度的影响。从涂料的粘接强度考虑,主粘接剂含量控制在30%~35%时所得防火涂层的粘接强度较好。
图2 主粘接剂对粘结强度和抗压强度的影响
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2.2聚合物粘接改性剂对防火涂料的影响
图3显示聚合物含量与防火涂层粘接、抗压强度的关系(其它物料配比为:主粘结剂:增稠剂∶减水剂∶骨料∶阻燃剂∶填料=32∶1.2∶1∶1∶3.2∶1∶1)。随着EVA胶粉含量的增加,涂层的抗压强度下降,粘接强度上升,两条曲线存在一个交点即胶粉含量在7.4%,粘接、抗压强度分别为0.18MPa/m2和1.9MPa/m2。
图3 聚合物粘接改性剂对粘结强度和抗压强度的影响
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2.3骨料对防火涂料性能的影响
2.3.1单一骨料对防火涂料性能的影响
防火涂料的骨料一般指能起到支撑作用、与粘接材料共同形成涂层强度的材料,要求与粘接材料等基料结合良好,密度小,耐高温。可作为防火涂料的骨料有膨胀蛭石、膨胀珍珠岩,等其特点都是密度低、绝热性好。图4为骨料含量对粘结强度和抗压强度的影响,由图可见,防火涂料涂层粘接、抗压强度随着骨料含量加大而变差。
图4 骨料含量对粘结强度和抗压强度的影响
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图5为骨料含量对密度和耐火性能的影响,图中显示膨胀蛭石能有效降低防火涂料涂层密度,当其质量分数超过25%时,涂层密度小于0.5g/cm3。由于膨胀蛭石自身的耐火性好,加大其在防火涂料中的用量后,涂层的耐火性能在总的趋势上得到较大的提高。膨胀蛭石在防火涂料中的质量分数超过25%时,涂层防火效果较好。防火涂料中的膨胀珍珠岩质量分数在5%~20%之间时,防火涂料密度下降幅度变大,密度变化曲线相对于膨胀蛭石较为平直。酒精喷灯燃烧试验接果表明,随着膨胀珍珠岩含量的加大,防火涂料的耐火性能得到提高。当膨胀珍珠岩的质量分数在10%~15%时,钢板背面最高温度下降较多。
2.3.2骨料二元复合配比对防火涂料性能的影响
图6为二元骨料配比对粘结强度和抗压强度的影响,图7为二元骨料配比对密度和耐火性能的影响。由图6、图7可知,二元骨料配比加大后即膨胀蛭石的使用量增加时,防火涂料涂层的粘接强度、抗压强度降低。根据图7显示,随着骨料配比的加大,密度急剧下降,低达0.553g/cm3,下降幅度达到52%。结果显示,膨胀蛭石/膨胀珍珠岩二元复合配比为2∶1时涂层密度较小,复配后防火涂料的耐火性能均有提高。
图5 骨填料含量对密度和耐火性能的影响
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图6、7
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2.4耐火填料对涂料性能的影响
厚涂型防火涂料一般采用含铝、镁的氢氧化物或氧化物等隔热耐火矿粉作为阻燃剂,如碳酸钙、高岭土、氢氧化铝、钒土、氢氧化镁等。该类化合物具有难燃性,低熔点无机盐熔融形成釉层隔绝空气、材料水汽挥发带走热量等起到防火阻燃的作用。基础配方为质量分数主粘结剂∶聚合物胶粉∶增稠剂∶纤维=4∶1∶0.3∶0.2。
图8为不同填料各含量下酒精喷灯燃烧试验结果。综合考虑密度和耐火性能,碳酸钙的质量分数一般不超过20%。增大高岭土含量,钢板背面升温速率减缓,曲线整体下移,最高温度随高岭土含量的增大延迟出现。当氢氧化铝质量分数超过30%时,钢板背面温度才急剧下降。鉴于氢氧化铝加入量较大时会增大防火涂料涂层密度,氢氧化铝并非防火涂料优选隔热填料。氢氧化镁对于防火涂料的阻燃效果明显,含量加大时钢板背部最高温度出现的时间延长,而且随氢氧化镁含量加大燃烧曲线整体下移。与氢氧化铝和碳酸钙不同的是,氢氧化镁的阻燃效果在低含量下即可表现出来。这是因为氢氧化镁热容高,分解能比氢氧化铝大,能够吸入更多的热量,阻燃效果比氢氧化铝好。
图8 单一填料含量对耐火性能的影响
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由于填料密度较大,从涂料密度方面考虑,通常限定填料质量分数在20%~25%。氢氧化镁具有良好的隔热阻燃性能,但其在防火涂料中的应用受价格因素限制。因此,笔者采用碳酸钙∶高岭土=1∶1(质量分数)的复合填料。
综合单因素研究结果,确定隧道防火涂料主体配方为(质量分数):胶接剂35%~50%,其中主粘接剂30%~35%,聚合物粘接剂5%~8%;骨料28%~36%,其中膨胀蛭石∶膨胀珍珠岩=2∶1;隔热粉料18%~26%,其中高岭土∶碳酸钙=1∶1;并辅以涂料助剂5%~12%,纤维0.1%~7%。
