超薄膨胀型钢结构防火涂层的耐湿热性能.pdf

第 l 4卷第 1期 2 0 1 1年 2月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI AL S Vo l _ 1 4 ， NO ． 1 Fe b ．， 2 O1 1 文章 编号 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 1 O 1 0 0 3 6 0 5 超薄膨胀型钢结构 防火涂层 的耐湿热性能 王玲玲 ， 李 国强 ， Y． C． WANG 1 ． 同济大 学 土木工 程学 院 ， 上海 2 0 0 0 9 2 ； 2 ． 曼彻 斯特 大学 土 木 、 力 学与 航空学 院 ， 曼 彻斯特 M1 3 9 P I 摘要为考察超薄膨胀型钢结构防火涂层的防火隔热性能在某一特定环境下随使用时间的变化规 律， 对 3 6个试件进行 了人工加速老化试验和隔热性能试验． 结果表明 高湿度环境下， 涂层 阻燃体 系中的亲水性物质 如 AP P 会迁移到涂层表面而被溶解， 使 阻燃体 系的组分和配比发 生变化 ， 导 致 高温 下 阻燃 体 系的膨 胀 受 阻， 从 而影 响 到 膨 胀倍 率 和 膨 胀层 内部 结 构 ， 最 终 导致 膨 胀 层 等 效 导 热 系数 变 大 ； 1 ， 2 mm 涂层 试件 的等效 导 热 系数 随老化 时 间总体 上 呈现 出相 同 的变化 规律 ， 与 0次 循 环试件 相 比 ， 2， 4次 循 环 试 件 涂 层 的 仅 增 大 了 1 ． 0 左 右 ， 2 1次循 环 试 件 涂 层 的 增 大 了 3 0 ． 0 ， 与 2 1次循 环试 件相 比， 4 2次循 环试件 涂 层 的 仅 增 大 了 3 ． 0 左 右 ， 表 明经 过 2 1次循 环 以后 ， 涂层 已达 到一 个稳 定状 态． 关键词 超薄膨胀型钢结构防火涂层 ；老化；隔热性能； 人 工加速老化试验；等效导热系数 中图分 类号 TU5 4 5 文献 标志 码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 9 6 2 9 ． 2 O l 1 ． 0 1 ． 0 0 8 Ef f e c t s o f Ag i n g o n I n s u l a t i v e Pr o pe r t i e s o f I n t u m e s c e nt Co a t i n g f o r S t e e l El e m e n t s W AN G Li n g l i ng ，LI Guo q i an g ，Y． C． W AN G 1 ． Co l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g ，To n g j i Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，Ch i n a ； 2 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l ，Ae r o s p a c e a n d Ci v i l En g i n e e r i n g ，Un i v e r s i t y o f M a n c h e s t e r ，M a n c h e s t e r M 1 3 9 P L，UK Abs t r a c t I n o r de r t o u nd e r s t a nd ho w t he t he r ma l pr o pe r t i e s of i nt u m e s c e n t c o a t i n g c ha n ge wi t h t i me i n c e r t a i n e n v i r on m e nt ， a c c e l e r a t e d a ge i ng t e s t s a nd f i r e r e s i s t a n c e t e s t s we r e c a r r i e d o ut on 3 6 s t e e l s p e c i m e ns c o a t e d wi t h i n t u m e s c e nt c oa t i ng， o f whi c h 1 8 s p e c i m e ns we r e a p pl i e d wi t h i nt u m e s c e nt c oa t i ng o f 1 mm t h i c k a nd t he o t he r 1 8 wi t h t ha t o f 2 mm t h i c k ．The e xp e r i me n t a l r e s ul t s i s p r e s e nt e d wi t h p a r t i c u l a r f o c u s o n t he e f f e c t s o f t h e v a r i o us c y c l e s o f a c c e l e r a t e d a gi ng on t he e f f e c t i v e t he r ma l i ns ul a t i o n o f t he c o a t i n g．I t i s c o nc l u de d t ha t u nd e r t he a c c e l e r a t e d a g i ng r e gi m e i n t h i s s t ud y， t he hy d r op hi l i c c o m p o ne nt s APP a n d PER m o v e t o t he s u r f a c e o f t he c o a t i n g a n d c a n be d i s s o l v e d by mo i s t u r e， S O t ha t t he i n t e n de d c h e mi c a l r e a c t i o n s o f t h e s e c o mp o n e n t s t o f o r m a n e f f e c t i v e i n t u me s c e n t c h a r a r e h i n d e r e d ．I n t u me s c e n t c o a t i n g t h i c k n e s s h a s l i t t l e i n f l u e n c e o n t h e a c c e l e r a t e d a g i n g t e s t r e s u l t s ．Co mp a r e d t o t h e s p e c i me n s wi t h o u t a c c e l e r a t e d a g i ng， t he s p e c i me ns t ha t we n t t hr o ug h 2 a nd 4 c yc l e s o f a c c e l e r a t e d a gi ng s h o w l i t t l e de g r a d a t i o n o f t h e r m a l pr o t e c t i on p e r f o r ma nc e ． H o we ve r， t he s p e c i m e ns a f t e r 2 1 c y c l e s a nd 4 2 c yc l e s of a c c e l e r a t e d a gi n g s ho w c o ns i de r a bl e d e g r a d a t i o n i n t he i r f i r e pr o t e c t i o n p e r f o r ma nc e wi t h m u c h h i g he r e f f e c t i v e t he r ma l c o n du c t i vi t y．Th e e f f e c t i ve t he r ma l c o nd uc t i v i t y wa s a b o ut 3 0． 0 h i gh e r ． Fur t h e r mor e， t he f i r e p r ot e c t i o n p r o pe r t i e s o f t he i nt u m e s c e nt c o a t i ng a f t e r 2 1 a n d 4 2 c y c l e s o f a c c e l e r a t e d a ge i ng t e s t a r e s i m i l a r， i nd i c a t i n g t h a t t he i n t u me s c e nt c o a t i ng b e c o me s s t a b l e a f t e r a l on g pe r i od e xp os u r e t o e n vi r o n m e nt a l c o n di t i on ． 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 1 6 ；修订 日期 2 0 1 0 0 3 1 0 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 0 7 2 8 8 0 5 第一作者 王玲玲 1 9 8 1 一 。 女 ， 吉林磐石人 ， 同济大学博士生． E ma i l wa n g l i n g l i n g ma r y y a h o o ． C O IT I ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 王玲玲 ， 等 超薄膨胀型钢结构防火涂层 的耐湿 热性 能 3 7 Ke y wo r d s i nt u m e s c e nt c o a t i ng f o r s t e e l e l e m e nt s；a g i ng；f i r e p r ot e c t i o n pr o p e r t i e s ； a c c e l e r a t e d a g i n g t e s t e f f e c t i v e t he r m a l c o nd uc t i v i t i e s 超薄膨胀型钢结构 防火涂料 因其具 有施工简 便 、 重 量 轻 、 耐 火 时 间长 、 不 受 钢 构件 几 何 形状 限制 且 装饰 效果 好等 优点 近年 来在 钢结 构 防火工 程 中得 到 了广 泛应 用． 遇高 温时 ， 超薄 膨胀 型钢 结构 防火涂 层中的各化学组成因发生反应导致其涂层发泡膨胀 进 而在 钢结 构表 面形 成 隔 热 保 护层 ， 该 保 护层 的厚 度 约初 始涂 膜厚 度 的 2 5 ～5 0倍 ， 而 涂层 的有 效 导热 系数则 下 降到初 始涂 膜 的几 十分之 一． 此 外 ， 涂层 受 热 后发 生化 学反 应 时 ， 催 化 剂 和发 泡 剂 分 解 放 出 的 水 蒸气 和其 他 不燃 气 体 能 起 到 消 耗 热量 、 降低 燃 烧 温度和速度 、 稀释氧气的作用 ， 从而可进一步降低钢 结 构基 体 的升温 ． 在钢结构防火设计 中， 一般假定 防火涂层不受 时效及 周 围环境 条件 的影 响 ， 但 事 实表 明 ， 随 着 时 间 的推移 及周 围环境 条 件 的影 响 ， 防火 涂层 的性 能会 发 生退 化 ， 一段 时 间后 其 性能无 法 达到原 设 计要 求 ， 将 导致 严重 后果 ． 在膨 胀 型防火 涂 料的组 成 物 中 ， 无 论 是 成膜 物 、 酸 源 、 碳 源 还是 气 源 ， 绝 大 部 分是 有 机 物 ， 而该涂料无论用于室内还是室外 ， 都可能经受紫 外线照射 、 温度 、 湿度等各种 自然环境 因素 的考验 ， 从而使其组成发生降解和老化口 ] ． 经过不 同年限后 ， 防火涂 料 的防 火 隔热 性 能 是 否 依 旧 ， 发 生 火灾 时能 否发挥其应有的作用 ， 这些都是亟待解决的问题． 近 年 来 ， 人们从 不 同 角 度对 膨 胀 型 防 火 涂料 的耐 久 性 进行了探索性研究 ] ， 并取得 了一些进展． 本文在 既有研 究 成果 的 基础 上 ， 对 超 薄 膨 胀 型钢 结 构 防火 涂层在某一特定 的使用环境下其防火隔热性能随使 用时 间 的变化规 律进 行 了试验 研究 ． 1 试验方案 1 ． 1试 件设计 本文 共进行 了 3 6个 试 件 的人 工 加 速 老 化 试 验 和 隔热性 能 试 验 ． 按 照 涂 层 厚 度 不 同 ， 将 试 件 分 为 1 ， 2 mm 两组 ， 每组 试 件 中包 括 未 经 人 工加 速 老 化 、 人工 加速 老化循 环 次数 为 2 ， 4 ， 1 1 ， 2 1 ， 4 2次的试件 各 3 个 ． 试 件 底 材 为 Q 2 3 5钢 板 ， 尺 寸 为 2 0 0 mm 2 7 0 mm1 6 mm． 采用直径 2 mm的铠装镍铬一 镍硅 热 电偶 测 温 ， 涂 料 为杜 邦 公 司 u n i t h e r m 3 8 0 9 1 i n t e r i o r 超 薄膨胀 型钢 结构 防火 涂料 ． 1 ． 2耐 湿热性 能试 验 超薄膨胀 型钢结 构 防火 涂层 耐 湿热 性 能试 验 按 照 E T AG0 1 8 -- 2 0 0 6 P a r t 2 标准l 5 进行 ， 在 E T A GO l 8 2 0 0 6 P a r t 2标准中 ， 根据涂层使 用环境 的不 同， 将人工 加速老化试验分为 X， Y， Z 1 ， Z 2四种类型 ， 本文选择 Z 2 型试 验条件 2 3 4 - 3 ℃ ， R H 8 0 4 - 5 ， 4 h ； 4 0 3 ℃ ， R H一 5 0 5 ， 1 6 h ； 5 4 -_3 ℃ ， R H一 5 0 4 -_5 9 ／ 6 ， 4 h ． 将 2 4 h定 为 一 个 循 环 ， 不 问 断 进 行 2 1次 循 环 试验相当于实际使用时间为 i 0 a ． 由于 目前对超薄 膨胀 型钢结 构 防火涂 层 耐湿 热性 能相 关系 数 的试 验 研 究 还是 一个 空 白 ， 因此 ， 本 文暂 假设 涂层 的实 际使 用时 间与试 验 时 间服从 线性关 系 ， 并 以此为 依 据 ， 确 定涂层在室内使用 1 ， 2 ， 5 ， 2 0 a的试验 时间为 2 ， 4 ， l l ， 4 2 次 循 环． 整个试验过程参照文献[ 6 3 进行控制 ， 表 1为试 验工况编号表 ， 其中 i 表示第 i 个试件． 表 1 试 验 工 况编 号 表 T a b l e 1 S p e c i me n l a b e l s 1 ． 3隔热性 能试 验方 案 隔热性能试验在同济大学抗火实验室的试验炉 中进 行 ， 其 升 温 曲 线 按 照 G B ／ T 9 9 7 8 -- 1 9 9 9 建 筑 构件耐火试验方法 进行控制 ， 试件温度 由埋设在钢 板 内的 热 电偶 测 量． 在 试 验过程 中 ， 通过 4个 设 置在 炉体上的观察孔观察试件涂层的膨胀现象． 将试件 内部 温度 达 到 7 0 0℃ 的时 间作 为试 验结 束时 间． 试验结束后 ， 利用钢板温度一 时间试验 曲线和炉 温一 时 间试 验 曲线 ， 可 得试 件 涂 层 在 时 间 间隔 △ 内 的平 均 等效 导热 系数 。 ， ， W ／ m ℃ 为 J 一 羝 _} _ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 王玲玲 ， 等 超薄膨胀 型钢结构防火涂层 的耐湿热性能 2 ． 2结 果及 分析 超簿膨胀 型钢 结构防火涂 层等效导热 系数 。 随涂 层温度 的变化 曲线 如 图 2 所 示 ． 由图 2可 以看 出 ， 在 1 1 0℃之 前 ， 涂 层 的等效 导 图 2 超薄膨胀型钢结构防火涂层等效 导热 系数一 涂层温度关 系曲线 Fi g．2 Ef f e c t i v e t he r ma l c on duc t i vi t y p of c o a t i n g a s f unc t i o n of c oa t i n g t e mp e r a t ur e 热系数较大， 约在 1 1 0℃开始显著下降， 这说明涂层 在 1 1 0℃ 左 右 开 始 发 生 化 学 反 应 并 发 泡 膨 胀 ． 在 4 3 0℃以后 ， 涂层等效导热系数保持不变 ， 发泡膨胀 基本结束 ， 此时涂层沿着厚度方向均 已发生化学反 应l 8 ] ， 其防火 隔热性能随发泡倍率的增加而提高． 由 图 2还可以看出， 相 同试件的等效导热系数一 温度关 系曲线仍存在一定的差异 ， 原因在 于超簿膨胀型钢 结构防火涂层与传统的防火保护材料不 同， 高温作 用 下 涂层 表面 发 生 的 化学 反应 不 仅 与 温 度 有关 ， 还 与其所受到的热量等因素有关． 处在试验炉 中不 同 位 置 的试 件其 外 部 温 升环 境 会 有 微 小 的 差 别 ， 从 而 导 致涂 层 的等 效导 热系 数一 温度 关 系 曲线 略有 不 同． 取 涂 层 温 度 为 2 5 0 ， 3 0 0 ， 3 5 0 ， 4 0 0 ， 4 5 0 ， 5 0 0 ， 5 5 0 ， 6 0 0 ， 6 5 0 ， 7 0 0 ， 7 5 0℃时相 同试件的等效导热系数的 算术平均值 ， 并将人工加速老化循环 0 ， 2 ， 4 ， 1 1 ， 2 1 ， 4 2次的试件的等效导热系数 。的平均值 一 涂层 温度0 。 O p的平均值 关 系曲线进行比较 ， 以考察老 化 时 间对涂 层 等效 导热 系数 的影 响 ， 结 果 见 图 3 ． 由图 3 可 见 ， 所 有试 件涂 层 的等 效 导 热 系 数 先 随着温度的升高而降低 ， 直到 5 5 0℃左右降至最低 点 ， 之 后 随着涂 层温 度 的升 高又 有所上 升 ； 人工 加 速 老化 循环 2 ， 4次 的试 件 与 循 环 0次 的试 件 相 比， 涂 层等效导热系数变化很小， 循环 1 1 次的试件与循环 0次的试件相比， 涂层等效导热系数有所增大 ， 循环 2 1次 的试件 与 循 环 1 1次 的 试 件 相 比 ， 涂 层 等 效 导 热系 数更 大 ， 而循 环 4 2次 的试 件 与循 环 2 1次 的试 件相 比， 涂层等效导热系数变化却很小． 涂层的阻燃 机理可 以解 释这种等效导热系数一 涂层温度关系 曲 线 的变 化 规 律 ． 因为 u n i t h e r m 3 8 0 9 1 i n t e r i o r防 火 阻燃体系以聚磷酸铵 AP P 一 三聚氰胺 ME L 一双 季戊 四醇 D P E 体 系 为 主 ， 硼 酸 锌 体 系 为辅． 在 g - ,0． 1 0 0．08 垂0 ．0 6 0．0 4 兰 0 ． 0 2 0 ， 吕 ≥ 1 0 08 0 6 0 4 0 2 0 3 ， 图 3 老化时间对等效导热系数一 涂层温度关系 曲线的影 响 Fi g．3 Ef f e c t of a gi ng on e f f e c t i v e t he r ma l c o ndu c t i vi t y o f i nt um e s c e nt c oa t i ng 1 0 0 2 0 0℃ 时 ， 涂 层 由干 膜 状 态 变 成 熔 融 态 ， 同时 结 晶水 分解 产 生水 蒸 气 ， 使 熔 融 态 涂 层 形成 多 孔 结 构 ； 在 2 9 0 o C左 右 时 ， 阻燃 体 系 中 的催 化 剂 AP P分 解放出无机酸 ， 促使成炭剂 DP E失水炭化为发泡 层 炭 质骨架 ， 另 外 ， AP P分 解 产生 的水蒸 气 、 二氧 化 碳 连 同发泡 剂分 解产 生 的水 蒸气 和不 燃 气体 C O ， NH。 使熔融涂层发泡膨胀 ， 形成低导热率微孔泡沫 炭质层 ； 在 4 0 0℃之后 ， 高温膨胀体系硼酸锌体 系开始分解 ， 导致发泡层等效导热系数随温度升高 而降低 ， 至 5 5 0℃时， 膨胀层开始热分解 ， 其等效导 热 系数 随 温度上 升 而增 大． 影 响涂 层耐 湿热 性能 的主 要 因素是 高湿 环境 下 的水分． 在高湿 环境 下 ， 涂层 中的亲水性 物质 如 AP P 会迁移到涂层表面而被溶解 ， 从而降低了它们 在 阻燃 过程 中 的功 能 和 作用 ． 经过 2 ， 4次人 工 加 速 老化循环的试件其等效导热系数之所 以变化很小 ， 就 是 因为在 短 时间 内涂层 中的亲水性 物质 迁移 和 流 失较少 ， 阻燃体系中的三组分变化不大， 使膨胀层厚 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 建筑材料学报 第 1 4卷 度及其内部结构变化不大． 在 4 ～2 1次循环试验过 程 中 ， 随着 时 间的延 长 ， 阻燃体 系 三组分 的成 分 和配 比逐渐变化， 使阻燃体系膨胀受阻， UI 1 2 1 涂层高温 膨胀 后虽 然也 可 形 成炭 化 层 结 构 ， 但 由于 老 化破 坏 了涂 层 的膨胀 效果 ， 导致 UI 1 1 1 ， UI 1 2 1 ， UI 1 4 2的炭 化层 不 能形 成 UI l O 0 ， UI 1 0 2 ， UI 1 0 4那 样致 密 的蜂 窝状结构 ， 使涂层等效导热系数升高． 经过 2 1次循 环以后 ， 涂层基本达到稳定状态， 所 以其等效导热系 数变 化很 小． 为 了将老 化 时间对 涂层 等效 导热 系数 的影 响进 行量 化 ， 本 文 分 别 取 4 0 0 ～ 4 5 0 ， 5 0 0 ～ 5 5 0 ， 6 0 0～ 6 5 0 ， 7 0 0 7 5 0℃ 温度 区 间 的 涂 层 等 效 导 热 系数 平 均值 进行 了 比较 ， 结 果见 表 2 ． 表 2不同温度区间涂层等效导热 系数平均值 Ta b l e 2 Av e r a g e v a l u e o f e f f e c t i v e t h e r ma l c o n d u c t i v i t i e s i n di f f e r e n t t e mp e r a t u r e r a n g e 由表 2 可 以看 出 ， 不 同温度 区间 随老化 时 间呈 现 出如 下 的变 化规 律 1 涂层厚 度 为 l ， 2 mm 的试 件 总体 上 呈 现 出 相 同的 变化规 律． 2 降到最低点以前 ， 即温度为 4 0 0 4 5 0 ， 5 0 0 5 5 0℃时 ， UI l O 0 ， UI 1 0 2 ， UI 1 0 4的 变 化 幅度 很 小 ， 经 过 1 1次循 环 以后 ， 有 一 个 突 变 ， 与 UI I O 0相 比 ， UI 1的 增 大 了 3 1 ． 5 4 0 0 ～4 5 0℃和 2 5 ． 9 5 0 0 ～5 5 0℃ ． UI 1 2 1 ， UI 1 4 2的 在 UI 1 1 1的基 础 上进 一 步增大 ， 但 增 大 幅度 有 限 ； 涂层 厚 度 为 2 F i l m 的试件总体上也呈现出相 同的变化规律， 只是经过 1 1 次循 环 以后 ， 的增 大 幅 度 不 如 1 mm 试 件 明显 ， 与 UI 2 0 0相 比 ， U1 2 1 1的 只增 大 了 2 5 ． 1 4 0 0 ～ 4 5 0℃和 1 3 ． 4 0 0 5 0 0 ～ 5 5 O℃ ， 而 U1 2 2 1 ， UI 2 4 2 的 只在 UI l 1 1的基础 上小 幅增 大． 3 降到最低点以后， 即温度为 6 0 0 6 5 0 ， 7 0 0 7 5 0℃ 时 ， UI 1 0 0 ～ UI 1 2 1 ， U1 2 0 0 ～ UI 2 2 1的 逐 渐 递 增 ， 而 后 UI 1 4 2 ， UI 2 4 2分 别 在 UI 1 2 1 ， UI 2 2 1的 基 础上 小 幅度 增 长 ； 与 UI I O 0相 比， UI 1 2 1的A 增 大 了 1 2 ． 0 6 O O ～ 6 5 0℃ 和 3 3 ． 2 7 0 0 ～ 7 5 0℃ ， 与 UI 2 0 0相 比 ， U1 2 2 1的 增 大 了 3 1 ． 7 6 0 0 ～ 6 5 0℃ 和 2 2 ． 0 7 0 0 ～ 7 5 O℃ ． 3 结 论 1 ． 超薄膨胀型钢结构防火涂层在投入使用的短 时期 内 2 a ， 老 化 时 间对 涂层 的影 响很 小 ， 仅 增 大 了 1 ． 0 左 右． 2 ． 随着时间的延长， 超薄膨胀型钢结构 防火涂 层阻燃体系中的亲水性聚合物会发生转移和流失 ， 导致 高温下 涂层 的膨 胀厚 度和 膨胀 层 的内部 结构 发 生变化， 进而引起 增大． 超薄膨胀 型钢结构 防火涂 层投入使用 1 0 a 后 ， 虽然高温作用下其涂层也会膨 胀 ， 但 由于膨胀倍率受到影响 ， 涂层膨胀后不会形成 致密的蜂窝状结构 ， 涂层 防火 阻燃效果明显衰减 ， 增 大 了 3 0 ． 0 ． 3 ． 超薄膨胀 型钢结构 防火 涂层投入使用 1 0 a 后 ， 其 涂 层 基 本 达 到 稳 定 状 态 ， UI 1 4 2 的 仅 比 UI 1 2 1增 大 了 3 ． 0 左 右． 参考 文献 1● 々J 4 5 6 7 o0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m