复合粘接材料对钢结构防火涂料性能的影响.pdf

灭火剂与阻燃材料 复合粘接材料对钢结构防火涂料性能的影响 蔡建坤1, 郑毅芳2, 瞿 波2, 邓远名2, 雷光财2, 黄晓平3, 许一婷2, 戴李宗2 1. 厦门市消防支队, 福建 厦门 361012; 2. 厦门大学 材料学院 厦门市防火阻燃材料重点实验室, 福建 厦门 361005; 3. 厦门大平工贸有限公司, 福建 厦门 361004 摘 要 以硅酸盐类凝胶材料为主粘接剂, 采用有机无机 复合方法, 通过聚合物和改性水玻璃对主粘接剂进行改性, 使 涂层兼具水泥的刚性和聚合物的柔性, 提高其粘结性、 耐水性 和柔韧性, 克服涂层高温或骤冷条件下易爆裂、 脱落, 常温下易 粉化、 受潮、 附着力差等缺点; 理化性能测试和高温燃烧实验表 明, 防火涂层具有优良的耐火性能, 与基材粘接性能良好。 关键词 粘接剂; 钢结构; 防火涂料 中图分类号 X924. 4, TU545 文献标志码 A 文章编号 1009- 0029 200809- 0671- 04 厚涂型钢结构防火涂料通常以硅酸盐、 磷酸盐等 无机凝胶材料为主粘接剂。 着火初期, 无机粘接剂显示 出不燃性, 但当温度持续升高, 结晶水被蒸发, 可能造 成粘接剂爆裂脱落, 并且由于其密度较大, 增加了钢结 构负载, 提高了造价, 也给施工带来不便。 有机、 无机粘接剂复合用于防火涂料, 可促进其综 合性能的提高。适当的水玻璃、 硅溶胶、 聚合物乳液等 粘接改性剂与主粘接剂复合, 可提高涂层常态下和着 火初期的粘接强度。 有机粘接剂使用高分子混合物, 通 常是乙烯基聚合物或共聚物与氯化橡胶的共混物。聚 合物的加入可赋予刚性主粘接剂一定的柔性, 并逐渐 形成网络。 当聚合物含量达到一定程度时, 由无机物形 成的刚性网络结构和聚合物的柔性网络结构相互贯穿 形成互穿网络体系, 改善了涂层性能。 水玻璃是无机粘接改性剂的一种, 属无机反应型 凝胶材料, 水化后的主要产物为硅酸凝胶, 结构组成中 的硅氧键耐酸耐热, 通常使用温度为300 ℃, 如果和耐 火骨料配混, 使用温度可达1 000 ℃。但水玻璃类改性 剂受游离碱金属离子的影响, 易潮解、 固化慢, 且固化 体系中的碱金属离子受潮后游离出来, 会破坏以硅酸 盐为主的无机网络结构, 降低耐水性。 通过添加固化剂 可将碱金属离子固定下来的, 形成稳定的硅酸盐无机 网络结构, 提高涂层的耐水性。 这样改性的水玻璃使养 护速率加快, 抗压强度等性能提高。 改性后的水玻璃对 提高防火涂层高温粘接性能有重要作用, 且不会降低 涂层的耐水性。 笔者借鉴聚合物改性技术, 水玻璃固化改性技术, 以硅酸盐类凝胶材料为主粘接剂, 选用可水再分散的 聚合物和改性水玻璃对主粘接剂进行改性, 赋予涂层 水泥的刚性和聚合物的柔性, 提高了涂层粘结性、 耐水 性和柔韧性, 克服涂层高温或骤冷条件下易爆裂、 脱 落, 常温下易粉化、 受潮、 附着力差等缺点。 1 试验部分 1. 1 试样制备 将定量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涂抹了脱模剂的模具 中, 或者直接倒在做过防锈处理的钢板上, 捣实、 抹平 并修边, 养护后得到一定规格的试块。 一般养护期不低 于28 d。 1. 2 试样的养护 按GB 14907- 2002 要求, 涂层的养护需在环境温 度5～35 ℃, 相对湿度50～80的条件下进行。 实验 室养护通常在温度205 ℃、 湿度655下进行。 1. 3 理化性能测试 根据GB 14907- 2002 对防火涂料试块进行以下 测试 在容器中的状态、 干燥时间、 外观与颜色、 收缩 率、 粘结强度、 抗压强度、 干密度和耐火性能测试。 2 结果与讨论 2. 1 主粘接剂含量对防火涂层理化性能的影响 防火涂料的粘接性能主要来自于主粘接剂硅酸盐 中的硅酸三钙、 硅酸二钙、 石灰及矿物原料的刚性水化 产物、 水化硅酸钙、 氢氧化钙等。主粘接剂含量对聚合 物涂层粘接性能改善有明显作用。 笔者以未含骨料的防火涂料为研究对象, 以高强 度矿物混料为主粘接剂, 水分散型聚合物为粘接改性 剂, 采用实验室养护 一定天数恒温湿环境 和自然养 护两种方式, 对比主粘接剂含量变化引起的抗压、 粘接 性能的差异。 基础配方设计为 质量百分含量 主粘接 剂20～50 , 聚合物改性剂4 , 增稠剂∶减水剂∶ 阻燃剂∶填料 1. 2∶1∶1∶3. 75。 图1 为主粘接剂含量对涂层粘接及抗压强度的影 基金项目 福建省科技重点项目 2007T 0013, 2006I0026 ; 厦门市科技计划项目 3502Z20073006 671 消防科学与技术2008 年9 月第27 卷第9 期 响, 由图1 实线 可以看出, 经实验室养护的粘接强度 比经自然养护的涂层粘接强度高, 在主粘接剂含量为 30时出现最大值; 自然养护的涂层粘接强度在主粘 接剂含量35时出现最高值。随着主粘接剂含量的增 加, 涂层对钢板基体的有效粘接能力加大, 但当主粘接 剂含量超过40后, 含量增大反而使涂层对钢板的粘 接由于水化程度降低及自收缩的影响, 呈下降趋势。 从 涂料的粘接强度及养护方式考虑, 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1 主粘接剂含量对涂层粘接及抗压强度的影响 主粘接剂含量对防火涂层抗压强度影响的实验结 果 图 1 虚线 表明, 无论采取自然养护还是实验室养 护, 主粘接剂含量的增加都使涂层抗压强度增大, 经实 验室养护的涂层抗压强度稳步上升, 而采用自然养护 的涂层抗压强度有波动。这主要是自然养护下由于涂 层内的水分挥发, 聚合物水化成膜作用减小, 且未能得 到外加水分补充, 主粘接剂内的无机矿物水化未能完 全和深入。 2. 2 聚合物改性剂的影响 2. 2. 1 聚合物改性剂对涂层理化性能的影响 聚合物对主粘接剂的改性有如下几种效应 一是 引起主粘接剂水化结构形态的改变; 二是聚合物与主 粘接剂及水化产物发生物理、 化学作用, 影响主粘接剂 水化及凝结硬化过程; 三是改善矿物凝胶材料形成的 微观结构, 改善主粘接剂浆料对骨料等的粘接及物理 力学性能; 四是改善无机主粘接剂形成浆料的施工性 能, 降低水灰比。聚合物种类及含量不同, 改性的效果 也不同, 改性作用是多种效应协同发生的过程。 笔者采用的水再分散性良好的聚合物作为粘接改 性剂, 配方设计为 质量百分比 主粘接剂 32 , 聚合 物改性剂0～14 , 增稠剂∶减水剂∶骨料∶阻燃剂∶ 填料 1. 2∶1∶3. 2∶1∶1。 聚合物含量与防火涂层粘接、 抗压强度的关系, 见 图 2 所示。随着聚合物含量增加, 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, 即聚合物 含量为7. 4 , 这时涂层的粘接、 抗压强度分别为0. 18 MPa/ m 2 和1. 9 MPa/ m 2, 均大于相关标准要求, 且涂 层的整体性能较为稳定, 这个“ 交叉点” 对控制聚合物 添加量、 获得具有优良综合性能的防火涂料具有积极 意义。 从数据分析看, 粘接强度随聚合物含量增加而变 大, 由0. 035 MPa 提高到0. 375 MPa, 增幅为9. 7 倍; 而 涂 层抗压强度逐渐减小, 由 3. 371 MPa 降为0. 947 MPa, 下降幅度为72。 图2 聚合物含量与粘接、 抗压关系 图3 为聚合物含量与防火涂层密度强度的关系。 由图 3 可以看出, 涂层的密度由0. 512 g/ cm 3减少为 0. 494 g/ cm 3, 下降幅度为3。 主要原因为聚合物对填 料的分散包裹作用, 对吸水性轻质填料的表面进行了 封闭, 降低水灰比, 使涂层的水含量减少, 自重减轻。 但 搅拌、 水化、 养护上的差异, 使涂层的密度变化存在一 定的不稳定性。 图3 聚合物含量与密度的关系 综合考评聚合物含量与防火涂料粘结、 抗压强度 及密度的变化关系, 控制合适的聚合物添加量对平衡 防火涂层的抗压强度和密度, 获得具有优良性价比的 防火涂料具有积极意义。 2. 2. 2 聚合物改性剂对防火涂料耐火性能的影响 由上述测试结果可以看出, 聚合物对涂层的低温 粘接性能改善效果较为明显, 并且密度减轻, 有利于降 低自重, 提高防火涂料的施工性。 但它的加入不应对防 672 Fire Science and Technology, September 2008, Vol 27, No. 9 火涂料的耐火性能造成太大损害, 为了研究聚合物改 性剂对防火涂料耐火性能的影响, 笔者将防火涂料涂 覆在预先经过防锈漆处理的规格为70 mm15 mm 2 mm 的钢板上, 待24 h 涂层表干后, 拆模并养护, 涂 层养护期满后对钢板进行酒精喷灯燃烧实验, 测试涂 覆防火涂料的钢板背面温度。结果见图4 所示。 图4 聚合物含量对防火涂料耐火性能的影响 从图4 可以看出, 聚合物含量在10 、 8 时, 钢板 背部温度下降较多。这是因为聚合物高温炭化时带走 热量并留下空隙, 便于无机粘结剂脱除的水汽逸散, 不 造成内部压力, 也不会爆裂。 随着聚合物含量进一步降 低, 钢板背面最高温度继续下降, 但有趋向平和的趋 势, 这表明聚合物含量的继续减少并不一定能提高涂 层耐火性能, 相反, 含量的减少会对涂料的理化性能产 生不良的影响。 综合考虑涂层的耐火性能和理化性能, 聚合物含量应控制在2 ～8 。 2. 3 水玻璃对防火涂料性能的影响 2. 3. 1 水玻璃含量对防火涂料表观性能的影响 根据聚合物改性防火涂料性能的实验结果, 将聚 合物添加量确定为5 , 以改性水玻璃为变量对粘接剂 进行配方设计。 以速溶型钠水玻璃粉末 模数M 为2. 5 ～2. 8 为粘结改性剂, 采用以聚合磷酸铝为主的复合 固化剂可获得良好的涂层防火性能, 其中水玻璃与固 化剂的质量配比为5∶1。对防火涂料的表观观察是判 断水玻璃对涂层粘接性能影响最直接有效的方法之 一。表1 为水玻璃含量逐渐增加时防火涂料表观性能 的变化。 从表1 的实验现象可以看出, 断裂面出现的部位 从涂层与钢板面结合处变化至涂层中间, 且断裂面凹 凸不平呈锯齿状, 这说明随着水玻璃含量的增大, 涂层 的内聚力提高, 涂层对钢板的粘接性能也提高。 2. 3. 2 水玻璃含量对涂层理化性能的影响 厚涂型防火涂料在具备防火性能的同时, 必须具 备部分涂层装饰性及保护基材等通用性。但通常能提 高防火性能的因素, 往往使力学性能降低, 令防火涂料 的防火性能和力学性能之间存在一种反比的关系。因 此, 对试块的理化性能进行考察, 再结合防火性能的检 测, 兼顾两者以满足相关国家标准的要求。 表2 为水玻 璃含量对涂层理化性能的影响。 表1 水玻璃含量对防火涂料表观性能的影响 编号 含 量 养护后涂层 表面情况 粘接、 抗压测试时 涂层破坏方式 烧后涂层完整性、 粉化及脱落情况 C10 光亮土灰色、 无析出物 从钢板面完整断开, 试块无明显裂纹 完整、 表面易粉化、 可从接合处脱落 C22 光亮土灰色, 少量白点 从钢板面部分断开, 试块无明显裂纹 完整、 表面粉化、 可从接合处部分脱落 C34 土灰色, 少量 白色结晶物析出 从钢板面部分断开, 试块呈现小裂纹 完整有粉化, 不易脱落 且大多从层内脱落 C46 泛白, 少量 白色结晶物析出 从钢板面部分断开, 试块呈现裂纹加大 完整有粉化, 难脱落 C58 白色, 有结晶物 从涂层中间断开, 试块呈现裂纹加大 完整有粉化, 难脱落 C6 10 白色, 大量结晶物 从涂层中间断开, 试块呈现裂纹加大 完整有粉化, 难脱落 表2 水玻璃含量对涂层理化性能的影响 编号 表干 ≤24 h 耐酸性耐水性 涂层厚 度/ mm 密度 /g/cm3 抗压强度 / MPa 粘接强度 /M Pa C1符合符合符合10. 040. 4731. 620. 120 C2符合符合符合10. 050. 4781. 940. 223 C3符合符合符合10. 020. 4822. 300. 286 C4符合符合符合10. 020. 4883. 480. 320 C5 符合符合符合10. 050. 4955. 160. 472 C6不符符合符合10. 020. 5076. 550. 547 表2 可以看出, 除水玻璃含量 10 时的表干时间 稍长外, 各配方的基本理化性能都达到了GB 14907- 2002 要求。 随着水玻璃含量的增加, 涂层的粘接性能、 抗压性能逐渐增强。 水玻璃含量小于4时涂层抗压强 度上升缓慢; 超过 4时, 抗压强度上升幅度变大, 由 4 时的 1. 94 MPa 变化为10的 6. 55 MPa, 上升了 238。水玻璃含量大于6 时, 粘接强度增大较快, 由 6 时的0. 32 MPa 变为10的0. 547 MPa, 上升幅度 为68。 从抗压测试发现由于涂层内部结合紧密, 团结性 能加强, 使涂层的破坏逐渐由分散式变为集中式, 从微 小众多的小裂纹变为明显集中的可见裂纹。 2. 3. 3 水玻璃含量对防火涂料耐火性能的影响 耐火性能是防火涂料最主要的技术指标。在水玻 璃对改善防火涂料理化性能研究的基础上, 探讨其对 涂层耐火性能的影响是必要的。 图5 为水玻璃含量对防火涂料燃烧实验钢板背面 温度的影响。由图5 可以看出, 水玻璃含量小于6 C4 时, 钢板的背面温度较低, 耐火阻热性较好。当水 玻璃含量大于8 C5 时, 钢板的背面温度温度较高, 673 消防科学与技术2008 年9 月第27 卷第9 期 这对涂层的早期耐火性能是不利的。从涂层经高温燃 烧后的情况看, 水玻璃使涂层的高温粘接性增强。 图5 水玻璃含量对防火涂料耐火性能的影响 3 结 论 1 从养护形式、 理化性能、 耐火性能以及改性剂 的使用等方面考虑, 防火涂料中的主粘接剂含量宜控 制在30～40 。 2 聚合物改性剂对涂层的粘接性能有较大改善, 但随着其含量增大, 抗压性能和耐火性能降低, 综合考 虑涂层的理化性能和耐火性能, 其最佳使用范围控制 在2 ～8 。 3 水玻璃对主粘接剂的改性提高了防火涂层的 粘接性能和抗压强度, 加快涂层的养护速率, 在一定程 度上抑制了碱金属离子的析出, 对涂层耐水性能的提 高起到了积极的作用, 但添加量大会导致防火性能下 降。权衡涂层的粘接、 抗压性能和防火性能, 水玻璃含 量控制在4～8比较适宜。 参考文献 [ 1] Kobayashi.Intumescentfire-resistantcoating,fire-resistant material,and process for producing the fire-resistant material[P] . 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College of Materials,Xiamen University,Key Laboratory for Fire-proofing Materials of xiamen City, Fujian Xiamen361005,China; 3.Xiamen Daping Industry and T rade Co. ,Ltd. ,Fujian Xiamen361004,China Abstract In the steel structure fire- retardant coating silicate gel materials is as primarybinder,which is modified by polymer and modified sodium silicate using organic-inorganic compound .After modification,the coating possesses stiffness of cement and flexibility of polymer at the same time. The adhesive strength of coating increases as well as resistivity against water and flexibility.The coating is not easy to burst or scale off under high temperature or shock cooling condition. It is also hard to be chalked, wetted under room temperature condition.Thephysicochemicalpropertiestestingand combustion experiments prove thatmodified fire-retardant coating has good fireproof perance, and high adhesive strength to protected backing. Key words adhesive; steel structure; fire retardant coating 作者简介 蔡建坤 1975- , 男, 厦门市消防支队 防火监督处助理工程师, 厦门市防火阻燃材料重点实 验室成员, 主要从事消防产品监督管理工作, 福建省厦 门市湖滨北路119 号, 361012。 收稿日期 2008- 04- 30 674 Fire Science and Technology, September 2008, Vol 27, No. 9