水性钢结构防火涂料的制备及其耐火性能研究

张凡1，张磊2，张鹤龄3，赵东林1
( 1． 北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室，碳纤维及功能高分子教育部重点实验室，北京100029;2． 中国建筑科学研究院，北京100013; 3． 营口市高级中学，辽宁营口115003)

近年来，随着经济与社会的迅速发展，钢结构在大型体育馆、歌剧院、高层楼房等建筑行业得到了广泛应用［1］。作为现代建筑的主要形式，钢结构在常温下具有质量轻、强度高、抗震性能好、施工周期短、建筑工业化程度高、空间利用率大等优点［2］。但钢结构建筑防火性能差的特点也非常明显，裸露的钢结构在高温条件下强度急剧下降，当温度达到350 ℃、500 ℃、600 ℃时，其强度分别下降1 /3、1 /2、2 /3，普通建筑用钢在全负荷的情况下失去静态平衡稳定性的临界温度为540 ℃左右［3 － 5］。未加保护的钢结构在火灾情况下只需0. 25 h，自身温度就会上升到临界温度，因此必须对钢结构采取防火保护措施。
现在主要的防火措施是在钢结构表面涂刷防火涂料来减缓火灾下的升温，该方法施工简便、质量轻、成本低、耐火时间长，而且不受构件几何形状限制，具有较好的经济性和适用性［2，6 － 9］。防火涂料按分散介质的不同可分为水性防火涂料和溶剂型防火涂料。水性防火涂料具有低VOC、无溶剂的气味等优点，比溶剂型更环保、施工更方便、经济性更好［10 － 12］;同时，基于防火涂料工业目前向低污染、高性能的方向发展，因此水性防火涂料成为发展的主要方向之一［13］。本研究以水性乳液为基体，采用聚磷铵－ 三聚氰胺－ 季戊四醇( APP － MEL － PER) 为防火阻燃组分，添加可膨胀石墨( EG) 与绢云母来改进防火涂料的综合机械性能、防火耐热等性能，制备了一种性能优异的水性环保型钢结构防火涂料。使用自制高温电炉装置，模拟火灾现场的高温环境，对所制备的防火涂料的耐火性能进行了研究。

1 实验部分
1. 1 主要原料
聚磷酸铵( APP) : 聚合度n≥1 000，潍坊杜得利化学工业有限公司; 季戊四醇( PER) : 分析纯，天津市科密欧化学试剂开发中心; 三聚氰胺( MEL) : 分析纯，天津市光复精细化工研究所; 可膨胀石墨( EG) : 北京创意生物工程新材料有限公司;纳米TiO2 : 杭州万景新材料有限公司; 氯偏乳液: 北京万成远行产品有限公司; 纯丙AC261P 乳液、纯丙2468 乳液: 北京东方明天化工有限公司; 苯丙996 乳液、苯丙277NS 乳液: 青州贝特化工有限公司; 助剂: 北京东方澳汉有限公司。
1. 2 制备方法
涂料的制备: 按配方( 见表1) 称取一定量的固体组分，混合，用研钵充分研磨，然后加入到用水稀释好的乳液中，加入消泡剂、分散剂等助剂，机械搅拌器在200 r /min 条件下搅拌10 min，然后在800 r /min 条件下搅拌1. 5 h 得到防火涂料。
表1 防火涂料基准配比

根据钢结构防火涂料GB/T 14907—2002 的规定，将制备好的防火涂料均匀涂刷在打磨除锈后的钢板( 150 mm ×70 mm × 0. 4 mm) 上，将涂刷好的钢板放在50 ℃的鼓风干燥箱中干燥，表干后重复涂8 ～ 9 次，直至厚度达到( 2. 5 ±0. 2) mm; 在室温下进行干燥，直至钢板质量不再变化。
1. 3 性能测试
耐火极限的测定: 耐火极限测定的简易装置如图1 所示。

将涂刷涂料的钢板放在高温电炉上，炉底电炉丝产生高温对涂料正面加热，钢板底面距电炉丝距离12 cm，电炉四周用保温棉隔热密封，钢板背面插上数字温度计，温度计上面覆盖保温棉保温。加热完毕后开启电炉观察防火涂料的膨胀现象。以开始灼烧到钢板背面温度达到540 ℃时的时间定义为耐火极限。
1. 4 结构表征
取涂料进行耐火测试后的炭质层，用日本日立公司生产的S － 4700 冷场发射型扫描电子显微镜研究膨胀炭质层的微观结构。
2 结果与分析
2. 1 基体种类对钢结构防火涂料的影响
在参考涂料的基准配合比，保持膨胀阻燃体系和填料不变的基础上，通过调整乳液种类，确定防火涂料的佳配合乳液。表2 为基体种类对涂料防火性能的影响，图2 为不同基体共混时钢板背温曲线图。
表2 基体种类对涂料防火性能的影响