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可膨胀石墨在膨胀型钢结构防火涂料中的应用研究

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可膨胀石墨在膨胀型钢结构防火涂料中的应用研究
王国建1, 2, 纪振鹏2   ( 1. 先进土木工程材料教育部重点实验室,上海200092; 2. 同济大学材料科学与工程学院, 上海200092)

0  引  言
可膨胀石墨在受到150 ℃ 以上高温时, 其层间的H2 SO4与石墨发生氧化还原反应释放出气体, 而使石墨膨胀, 体积可增大100倍左右。膨胀后的石墨由" 鳞片" 状变成密度很低的" 蠕虫"状, 能够形成非常良好的绝热层, 有效隔热。炭为膨胀后的主要成分, 能够耐700℃ 的高温, 而且反应产生的烟气少, 在阻燃材料和环保材料中具有广阔应用前景 。膨胀型钢结构防火涂料遇火即膨胀炭化, 形成一个比原涂层厚十几倍乃至几十倍的多孔发泡层, 导热系数低, 可隔绝火焰对钢材的直接作用, 显著降低热通量, 使钢结构温度在2 h内不超过临界温度540℃ , 从而有足够的时间灭火, 防止钢结构建筑坍塌 。但是, 发泡产生的气孔大小不均匀或膨胀高度过高会使发泡层蓬松, 在火焰气浪的冲刷下往往受力不均或强度不够而出现开裂、脱落的现象, 从而失去防火效果。因而, 发泡层结构的不稳定将直接导致钢结构耐火极限的下降。本研究将可膨胀石墨应用到钢结构防火涂料中, 利用其膨胀后成"蠕虫“状穿插于发泡层中, 起到增强纤维的作用, 使发泡层气孔更细小均匀, 结构更致密, 从而防止其开裂和脱落, 提高其耐火极限。
 
1  实验部分
1. 1  原  料
硅丙乳液( SD- 528): 工业级, 南通生达化工有限公司生产; 聚磷酸铵( DP= 1 000): 工业级, 山东寿光卫东化工有限公司; 三聚氰胺: 化学纯, 上海化学试剂公司; 季戊四醇: 化学纯,上海化学试剂公司; 可膨胀石墨: 工业纯, 保定市艾可森碳素制品有限公司。可膨胀石墨具体技术参数参见表1。
可膨胀石墨技术参数
1. 2  防火涂料的制备
1. 2. 1  防火涂料的配制
按表2给出的配方在容器里加入相应比例的防火助剂( 聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺)、可膨胀石墨与适量水, 用高速搅拌机( 转速800 r/m in左右) 在常温下搅拌20 m in, 使其分散混合均匀。将浆液在三辊机上研磨两次, 使填料和防火助剂颗粒达到一定的细度。将乳液加入制得的浆液中, 然后加入适量成膜助剂, 用玻璃棒稍微搅拌均匀后, 用高速搅拌机( 转速400 r/m in左右) 常温下搅拌5 m in, 得到防火涂料。
防火涂料的基本配方
1.2.2  样板的制备
参照钢结构防火涂料GB14907- 2002《钢结构防火涂料》的规定, 将制得的涂料涂刷于钢板( 150 mm x 70 mm x 1 mm ),并水平放置自然晾干, 经过24 h待表面干燥后先用砂纸轻微打磨涂层表面, 然后再次涂刷一遍。重复涂刷10 ~ 12 次, 直至涂层厚度达到2 mm。涂刷好的样板放置养护7天后, 即可进行性能测试。
1. 3  性能测试
1. 3. 1  涂料耐火极限的测定
防火涂料的耐火极限采用如图1所示的试验装置测定。钢板涂层面距火焰氧化层高度为10 cm。钢板背面用热电偶测温, 并通过数据记录器(台湾群特有限公司Center 305型)记录并绘制曲线。
简易耐火实验装置
1. 3. 2  涂料的热性能测试
将制备好的样板表面涂层刮下并研磨成细度约为100 um的粉末。取三种试样各10 mg, 采用TG /DSC 综合热分析系统(德国NETZSCH STA449C )在空气气氛下测定3组试样的热失质量( TG) 与差热扫描量热图( DSC) 曲线。升温范围: 20 ~1 000℃ , 升温速度: 10℃ /m in。
 
2  结果与讨论
2. 1  可膨胀石墨用量对涂料防火性能的影响
为了考察可膨胀石墨对于涂料防火性能的影响, 按照表2配方分别配制可膨胀石墨( 牌号0807)含量不同的7种涂料,编号为F0、F1、F2、F3、F4、F5、F6, 涂层厚度为2 mm, 养护7天后进行耐火性能测试, 结果如表3所示。
表3 可膨胀石墨用量对涂料防火性能的影响
表3 可膨胀石墨用量对涂料防火性能的影响
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