郭 俊,范國棟,李德斌,陳翔宇,賀玉平
(株洲飛鹿高新材料技術(shù)股份有限公司,湖南 株洲 412000)
近年來,相對(duì)于混泥土建筑,鋼結(jié)構(gòu)因其強(qiáng)度高、塑性韌性好、內(nèi)部組織比較均勻、制造簡便、氣密性水密性好以及耐熱性好等優(yōu)越性越來越受到建筑行業(yè)的青睞[1-2],大型的鋼結(jié)構(gòu)建筑也在不斷的增加。但是目前鋼結(jié)構(gòu)建筑存在著兩個(gè)明顯的缺陷:第一、其相對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑來說,感結(jié)構(gòu)件的耐火性要差,鋼材本身是熱的良導(dǎo)體,具有很好的導(dǎo)熱性,溫度的升高對(duì)鋼的機(jī)械性能有著顯著的影響[3],當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃左右時(shí),鋼材基本失去強(qiáng)度,導(dǎo)致承受力急劇降低,而一般火災(zāi)發(fā)生時(shí)溫度很快會(huì)升到 700~800 ℃[4],使鋼材承受力急劇降低造成建筑倒塌,帶來嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[5]。第二、鋼結(jié)構(gòu)防腐性能差,在沒有防護(hù)的情況下,鋼結(jié)構(gòu)遇到空氣中的水汽和氧氣極容易產(chǎn)生銹蝕或者銹穿,給鋼結(jié)構(gòu)件帶來不可逆轉(zhuǎn)的損傷,最終也將影響到鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,給人們生命財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重的損失。我國2000年因?yàn)殇P蝕所造成的經(jīng)濟(jì)損失就5000億人民幣[6],在國外也是一樣,美國在2008年做的第九次腐蝕損失調(diào)查結(jié)果是顯示:這一年的腐蝕損失造成大約3760億美元的損失之多,這個(gè)數(shù)字大概占到了美國國民生產(chǎn)總值的2.6%之多。同樣一組數(shù)據(jù)顯示,我國2011年因?yàn)榻饘俑g所造成的直接損失就高達(dá)數(shù)以千億美元,占到我國國民生產(chǎn)總值的3%~5%[7-9]。因此解決鋼結(jié)構(gòu)件的防腐以及防火問題,是確保鋼結(jié)構(gòu)件能否大批量應(yīng)用的必要前提。
而目前國內(nèi),室內(nèi)和室外鋼結(jié)構(gòu)件均是采用的防腐底漆和防火涂料以及相應(yīng)的面漆解決鋼結(jié)構(gòu)銹蝕和防火的問題,這種工藝相對(duì)復(fù)雜,需要在基材表面做完底漆之后再噴涂防火涂料,同時(shí)由于現(xiàn)階段,大部分市場上面的溶劑型防火涂料VOC含量高[10],對(duì)環(huán)境造成極大的污染。 所以開發(fā)一種同時(shí)兼防火和防腐的高固體份涂料將是十分必要的,這款防火涂料能夠在基材表面無需做底漆的情況下直接噴涂防火涂料,能有效的節(jié)省施工成本以及施工周期,同時(shí)能夠有效解決防火涂料施工帶來的環(huán)境問題。
SILIKOPON ? EF有機(jī)硅氧烷雜化樹脂(工業(yè)級(jí)),德固賽;液態(tài)石油樹脂(工業(yè)級(jí)),淄博臨淄齊德化工;AGE活性稀釋劑(工業(yè)級(jí)),上海溶溶化工有限公司;5A分子篩活化粉(工業(yè)級(jí)),中山拓信貿(mào)易有限公司;APW-Ⅰ三聚磷酸鋁(工業(yè)級(jí)),廣西新晶科技有限公司;聚磷酸銨(工業(yè)級(jí)),宏泰基;三聚氰胺(工業(yè)級(jí)),志鴻化工;季戊四醇(工業(yè)級(jí)),濮陽化工;Dynasylan ? AMEO(工業(yè)級(jí)),德固賽;1250目5S煅燒高嶺(工業(yè)級(jí)),山西琚豐高嶺土有限公司;Disponer 9250濕潤分散劑(工業(yè)級(jí)),德謙(上海)化學(xué)有限公司;BYK-085消泡劑(工業(yè)級(jí)),BYK;HFS-40高速分散機(jī),歐姆龍;液化氣噴火槍(雙開,30型),帝創(chuàng);DBGD 500拉拔儀,常州德杜精密儀器有限公司;鹽霧箱(120型),東莞市鵬盛儀器有限公司;MIK-R200D溫度傳感器米科。
本實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容首先是在基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上通過實(shí)驗(yàn)方案確定膨脹體系聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇各組份的最優(yōu)比例,然后將確定好的膨脹體系的最優(yōu)比例方案替換到基礎(chǔ)配方中在進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)性能的表征,確定該體系是否能夠滿足防腐防火的指標(biāo)要求。
高固體份防火防腐涂料基礎(chǔ)配方如表1、表2所示。
表1 高固體份防火防腐涂料甲組份基礎(chǔ)配方
將序號(hào)1~7加入到分散罐中,用1000~1500 r/min的速度分散均勻,然后再加入序號(hào)8~13,以800~1200 r/min的速度高速分散40 min以上,然后用序號(hào)5將稠度調(diào)節(jié)至12 cm,降低攪拌速度至100~300 r/min,冷卻至室溫后完成出料,甲組份配制完畢。然后將甲乙組份按照4:1的比例配比制板,進(jìn)行各項(xiàng)性能的測(cè)試表征。
表2 高固體份防火防腐涂料乙組份配方
高固體份防火涂料膨脹體系比例設(shè)計(jì)方案如表3所示。
表3 高固體份防火防腐涂料膨脹體系比例確定方案設(shè)計(jì)
1.3.1 膨脹倍率計(jì)算
防火涂層的厚度為 H0,防火測(cè)試后膨脹層的高度為 H1,防火涂料的膨脹倍率通過計(jì)算 H1/H0得到。
1.3.2 表面形態(tài)表征
通過高倍手機(jī)顯微鏡放大觀察燃燒后的碳化層的表觀狀態(tài)。
1.3.3 耐火時(shí)間表征
通過噴火槍對(duì)防火涂料板面進(jìn)行噴火,然后用溫度傳感器檢測(cè)基材反面的溫度及記錄燃燒的時(shí)間。
1.3.4 碳化層密實(shí)度及硬度表征
用裁紙刀截面切開防火涂料的碳化層,觀察防火涂料橫向及縱向切開后碳化層的密實(shí)情況,以及用手揉捏防火涂料碳化層,感受防火涂料膨脹后碳化層的軟硬程度。
1.3.5 拉拔試驗(yàn)
拉開法附著力的測(cè)定按GB/T 5210[11]的規(guī)定進(jìn)行,底材使用大于或等于2 mm厚的冷軋鋼板,在進(jìn)行結(jié)果判定時(shí)應(yīng)同時(shí)注明破壞性質(zhì)(涂層或界面位置)。
1.3.6 耐鹽水性
將依據(jù)要求制作的試件全部浸泡于盛有5%的鹽水容器中。試驗(yàn)期間應(yīng)觀察并記錄小試件表面的防火涂料涂層外觀情況,直至達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間。
1.3.7 耐鹽霧性能
耐鹽霧性的測(cè)定按GB/T 1771[12]的規(guī)定進(jìn)行。試板采用交叉劃痕,應(yīng)劃透至底材金屬。試板按規(guī)定時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)后取出,目測(cè)觀察;清水沖洗后晾干,狀態(tài)調(diào)節(jié)16 h后用刀片沿底材表面插入并撬動(dòng)涂層,根據(jù)涂層剝離情況判斷附著力變化。 在對(duì)多涂層試板進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)應(yīng)注明出現(xiàn)損壞的涂層或界面位置。
1.3.8 耐酸、耐堿性能
將干燥完畢的漆膜板子,用松香石蠟封邊,然后分別放入10%的硫酸和10%氫氧化鈉水溶液中,到達(dá)規(guī)定時(shí)間取出,觀察漆膜狀態(tài)。
1.3.9 柔韌性能測(cè)試
膩?zhàn)幽と犴g性的測(cè)定按GB/T1748[13]的規(guī)定進(jìn)行,也可根據(jù)需要選擇其他直徑的彎芯(圓柱軸)。
1.3.10 VOC測(cè)試
按照GB/T 23986-2009[14]色漆和清漆 揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)含量的測(cè)定氣相沉淀法的方法進(jìn)行測(cè)定。
表4 膨脹體系的測(cè)試結(jié)果
從試驗(yàn)結(jié)果分析可知12號(hào)樣品在膨脹高度,溫度上升情況,碳化層密實(shí)度及碳化層穩(wěn)定性方面都表現(xiàn)的比較好,這是因?yàn)椋谶@個(gè)比例條件三者可以相互作用,能夠完美的匹配,在體系中,三聚氰胺作為體系的氣源,能夠分解產(chǎn)生大量的氨氣,能夠給體系發(fā)泡提供動(dòng)力,聚磷酸銨則在受熱過程中分解給體系提供酸源以及氣源,季戊四醇提供碳源,當(dāng)體系受熱后,聚磷酸銨產(chǎn)生的酸源會(huì)作用到季戊四醇上面,引起脫水焦化形成碳層結(jié)構(gòu),所以通過本次試驗(yàn),確定了防腐防火涂料的膨脹體系中聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇的用量分別為25%、12%、9%時(shí),涂料的防火性能最佳。
從圖1的高固體份防火防腐涂料燃燒實(shí)驗(yàn)前、中后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知,防火涂料燃燒前表面狀態(tài)良好,沒有產(chǎn)生漆膜弊病,隨著燃燒溫度的升高,漆膜開始融化發(fā)泡,不斷的產(chǎn)生發(fā)泡層,涂層發(fā)泡膨脹,同時(shí)在燃燒過程中不斷的有氣體產(chǎn)生,漆膜沒有明火產(chǎn)生,這是因?yàn)轶w系里面的膨脹體系開始分解產(chǎn)生相互作用,當(dāng)溫度到達(dá)一定程度時(shí),漆膜開始產(chǎn)生碳化層,碳化層開始變黑,并且仍然不斷的上升膨脹,當(dāng)膨脹到一定程度時(shí),漆膜不再發(fā)泡,碳化層不再升高,這是因?yàn)轶w系里面的防火阻燃體系開始發(fā)生作用,聚磷酸胺分解產(chǎn)生磷酸和不燃?xì)怏w,三聚氰胺不斷分解產(chǎn)生氣源,給膨脹層不斷的提供上升的動(dòng)力,產(chǎn)生的磷酸與季戊四醇作用產(chǎn)生碳化,不斷的產(chǎn)生碳化層,形成更厚的碳化層組織,值到膨脹體系反應(yīng)完畢。碳化完后,當(dāng)火焰繼續(xù)燃燒時(shí),碳化層開始逐漸變白,這是因?yàn)轶w系里面的碳在高溫條件下被燃燒完畢,里面的鈦白粉在高溫條件下形成新的表層結(jié)構(gòu),對(duì)膨脹層產(chǎn)生保護(hù)作用,使得碳化層穩(wěn)定不容易脫落。
圖1 高固體份防火防腐涂料
高固體份防火防腐涂料的試驗(yàn)樣與不涂高固體份防火涂料的空白樣背板溫度上升曲線如圖2所示。
圖2 燃燒背板溫度上升曲線圖
從圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,空白樣在噴火槍噴火的條件下,溫度極速上升,燃燒16 min,溫度就高達(dá)800 ℃,后續(xù)隨著燃燒時(shí)間的增加,溫度不在明顯增加,這是因?yàn)橐呀?jīng)達(dá)到噴火槍的極限溫度,而實(shí)驗(yàn)樣品由于噴涂了1 mm的高固體份防火防腐涂料,在高溫作用下迅速發(fā)生膨脹,隔絕了溫度的傳遞,背板溫度上升速度緩慢,高溫灼燒90 min后背板溫度只有 150 ℃,并且隨著時(shí)間延長,背板溫度基本不再發(fā)生變化。因此,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,高固體份防腐防火涂料對(duì)提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限有著顯著的作用。
高固體份防火防腐涂料碳化層密實(shí)度及硬度表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
圖3 高固體份防火防腐涂料的碳化層效果圖
高固體份防火防腐涂料膨脹倍數(shù)、碳化層密實(shí)度及硬度表征實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。
表5 防火防腐涂料碳化層數(shù)據(jù)表
從圖3及表5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知,防火防腐涂料高溫燃燒后的碳化層膨脹倍數(shù)高,可高達(dá)54倍。碳化層長時(shí)間高溫燃燒柔軟不掉落,不易燒穿,碳化層發(fā)泡均勻密實(shí),能夠有效的阻止背板溫度的升高,對(duì)基材起到保護(hù)作用,90 min的高溫灼燒后,背板面溫度只有150 ℃,遠(yuǎn)低于鋼材的屈服溫度,能夠有效的提高鋼結(jié)構(gòu)件的耐火極限時(shí)間。
高固體份防火防腐涂料耐鹽霧、拉開法附著力、VOC測(cè)試結(jié)果、耐酸、耐堿、耐鹽水常規(guī)性能測(cè)試結(jié)果如表6所示。
表6 常規(guī)性能測(cè)試結(jié)果
從表6的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知,高固體份防火阻燃涂料在耐鹽水性能、耐酸性能、耐堿性能、耐鹽霧性能、拉開法附著力、漆膜柔韌性、VOC都能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求,在拉開法附著力和VOC方面的指標(biāo)都要高于技術(shù)指標(biāo)的要求。這說明高固體份防火阻燃涂料具有良好的物理性能指標(biāo),確保能夠給保護(hù)基材提供足夠的保護(hù)。同時(shí)從另外一個(gè)角度出發(fā),由于高固體份防火阻燃涂料具有極低的VOC排放量,可以稱得上是一種綠色環(huán)保的功能涂料。
從上述實(shí)驗(yàn)過程可以得出一下幾個(gè)結(jié)論:
(1)當(dāng)聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇的用量分別為25%、12%、9%時(shí),涂料的防火性能最佳。此時(shí)防腐防火涂料的碳化層密實(shí)、穩(wěn)定,90 min背板溫度只有150 ℃,膨脹倍數(shù)高達(dá)45倍,能夠顯著提高高結(jié)構(gòu)的耐火極限時(shí)間。
(2)防腐防火涂料拉開法附著力可以達(dá)到6.5 MPa,遠(yuǎn)高于國標(biāo)GB14907-2018[15]標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的附著力大于0.15 MPa的要求,能夠有效防止施工后防火涂料脫落的問題,鹽霧性能高達(dá)1000 h無異常,確保了能夠?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)提供持久的防腐效果。耐酸、耐堿、耐鹽水、柔韌性等常規(guī)性能都能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求;
(3)配方整體施工VOC只有8 g/L,是一款低VOC的極低的綠色環(huán)保產(chǎn)品。
總之,高固體份防火阻燃涂料是一款防火性能優(yōu)良,防腐效果理想的二合一多功能涂料,這款涂料噴涂2 mm厚度的干膜,就能顯著的提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限時(shí)間,同時(shí)還能提高高達(dá)1000 h的耐鹽霧效果,成功的解決了原來鋼結(jié)構(gòu)件必須同時(shí)做防腐底漆和防火涂料的苦惱,縮短了施工周期,節(jié)約了施工成本。然而目前由于機(jī)體樹脂采用的是有機(jī)硅氧烷雜化樹脂,這種樹脂存在耐候性差的弊病,因此,目前這款高固體份防火阻燃涂料只適合應(yīng)用于室內(nèi)或者耐候性要求不高的地方,如果想要應(yīng)用到室外則必須在現(xiàn)有的涂層上面再做一道聚氨酯面漆來進(jìn)行保護(hù)。所以,隨著科技進(jìn)步,原材料的不斷創(chuàng)新,開發(fā)出一款集防腐、防火、耐候性高三個(gè)功能為一體的涂料將會(huì)成為未來發(fā)展的新趨勢(shì)。