鋼結構是建筑領域廣泛使用的建筑材料，對其進行防火耐熱保護的研究正日益受到人們的重視[1-3]。鋼結構防火涂料是施涂于鋼構件表面、遇火焰能形成耐火隔熱保護層、并具有一定裝飾作用的防護性涂料，按防火機理分為膨脹型和非膨脹型兩類，按涂層厚度分為厚型、薄型、超薄型，其中涂層厚度不超過3mm的超薄型鋼結構防火涂料近年來發(fā)展迅速，市場份額占近90%。但是，這類阻燃涂料通常為溶劑型，采用鹵系阻燃劑制備，在生產(chǎn)和施工時，溶劑的揮發(fā)不僅造成不可再生石油資源的浪費，而且污染環(huán)境；在火災發(fā)生時釋放的有毒氣體嚴重威脅人們的生命、財產(chǎn)和賴以居住的環(huán)境的安全。因此，環(huán)境友好阻燃涂料的研究具有重大的現(xiàn)實意義[4]。為此，本文以丙烯酸乳液為基體樹脂，以綠色環(huán)保的磷、氮非鹵阻燃劑和阻燃協(xié)效劑為阻燃體系，制備水性超薄膨脹型鋼結構防火涂料，系統(tǒng)考察了__

    1實驗部分

    1.1主要原料

    丙烯酸乳液：工業(yè)品，固含量42%，中山市孫大化工有限公司提供；多聚磷酸銨(APP)：工業(yè)品，山東壽光衛(wèi)東化工有限公司生產(chǎn)；三聚氰胺(MEL)：工業(yè)品，四川美豐化工股份有限公司生產(chǎn)；季戊四醇(PTH)：工業(yè)品，云天化集團生產(chǎn)；其他相關原料、助劑均為市售。

    1.2水性超薄膨脹型鋼結構防火涂料的制備

    將計量的阻燃體系、相關助劑和去離子水混合均勻后，在球磨機上研磨，然后加入到高速攪拌的丙烯酸乳液中攪拌分散，即得水性超薄膨脹型鋼結構防火涂料。其中阻燃體系由APP、MEL、PTH組成的膨脹型阻燃劑和阻燃協(xié)效劑兩部分構成。

    1.3測試與表征

    1.3.1耐火性能測試樣片的制備

    按超薄型鋼結構防火涂料的施工工藝，涂刷在150mm×75mm×3mm的鋼板上，每次涂刷厚度約0.1mm，涂刷間隔約2h，直到用游標卡尺測得涂層厚度為(1±0.05)mm，即得耐火性能測試樣片。

    1.3.2防火涂料耐火時間的測定

    采用自行設計的簡易耐火測試裝置(見圖1)，將耐火性能測試樣片放置在固定于鐵架臺上的鐵圈上，涂層朝下，鐵圈與酒精噴燈口的垂直距離為7cm，熱電偶置于測試樣片的上方測量燃燒過程中鋼板溫度的變化。待噴燈火焰溫度升到1000℃時，將酒精噴燈移至測試樣片下方，直接燃燒防火涂層，并開始計時，把鋼板溫度升至300℃的時間作為涂層的耐火時間，同時采用數(shù)碼相機跟蹤拍攝防火涂層在燃燒初期、中期、后期的涂層變化情況，以評價涂層的阻燃性能。

圖1簡易耐火測試裝置

    圖1簡易耐火測試裝置

    1.3.3燃燒炭層的X射線衍射分析

    采用日本理學公司D/MAX-YAD型陽極轉靶X射線衍射儀對燃燒形成的炭層進行測試，CuKα輻射源(波長λ=0.1542nm)，石墨單色器，掃描范圍2θ=1～50°。

 2結果與討論

    2.1防火涂料中膨脹型阻燃劑各組分的優(yōu)化

    膨脹型阻燃劑是制備鋼結構防火涂料的關鍵材料，只有當各組分配比合理時，它在燃燒時的成炭速度與氣體釋放速度才能相互匹配，使生成的炭化層在釋放氣體的沖擊下變成蓬松、均勻、結構致密、孔隙封閉的炭層，此時的炭層熱傳導率最小，阻燃效果最優(yōu)[5-6]。為此，在防火涂料中其他組分比例不變的條件下，作者選用L9(34)正交設計法考察了膨脹型阻燃劑中APP、MEL、PTH三組分對涂料耐火性能的影響。正交實驗的因子水平表如表1所示，以涂層的耐火時間作為評價標準，以極差的相對大小作為判斷各因子對涂料耐火性能影響的依據(jù)，所得實驗結果如表2所示。

    表1正交實驗因子水平表

表1正交實驗因子水平表

    表2膨脹型阻燃體系正交試驗結果表

表2膨脹型阻燃體系正交試驗結果表

    由表2的正交實驗結果表明，因子A(APP)的極差最大，為67.5，因子B(MEL)的極差略高于因子C(PTH)的極差，分別為23.2和20.8，都顯著低于因子A的極差，可見，影響耐火時間的因子由主至次的順序為：A→B→C，即APP對涂層的耐火性能影響最大，MEL次之，PTH最小，三者的最佳質量比為5∶3∶2。

    2.2阻燃體系含量對防火涂料耐火性能的影響

    本文選擇成炭效果好、性價比高的丙烯酸乳液作為水性超薄膨脹型鋼結構防火涂料的基料和成膜物質，在涂料固含__量、乳液用量、阻燃體系中各組分的質量比相同的條件下，考察了由膨脹型阻燃劑和阻燃協(xié)效劑構成的阻燃體系的含量對防火涂料耐火性能的影響，實驗結果見圖2。

圖2阻燃體系含量對防火涂料耐火性能的影響

    圖2阻燃體系含量對防火涂料耐火性能的影響

    從圖2可見，隨著防火涂料中阻燃體系含量的增加，涂層的耐火時間顯著增大，當防火涂料中阻燃體系含量增加至40.8%時，其涂層的耐火時間達最大值，為52.8min，但進一步提高防火涂料中阻燃體系的含量，涂層的耐火時間又顯著降低，該結果與文獻[7]的報道基本吻合。作者認為，當阻燃體系含量適中時，涂層在燃燒時形成的膨脹炭化層既有較高的強度和致密性，又有較高的發(fā)泡高度，使得膨脹炭化層的隔熱性能較好，不容易被火焰沖破，顯示出較好的耐火性能；在阻燃體系含量過低時，在燃燒時涂層形成的膨脹炭層孔隙結構不均勻，炭化層強度較低，膨脹高度較小，導致涂層耐火時間較短；在阻燃體系含量過高時，乳液中的成膜物質含量相對較低，涂層與鋼材的附著力變差，使得燃燒時形成的大塊膨脹炭層夾帶涂層脫落，同樣導致涂層耐火時間較短。

    2.3阻燃協(xié)效劑對防火涂料耐火性能的影響

    對鋼結構防火涂料而言，涂層的耐火時間與阻燃劑的阻燃效率和涂料的粘結能力密切相關，因此，期望阻燃協(xié)效劑既能顯著提高阻燃劑的阻燃效率，又能提高涂料的粘結能力。為此，作者考察了兩種阻燃協(xié)效劑對防火涂料耐火性能的影響，實驗結果見圖3。

圖3阻燃協(xié)效劑對防火涂料耐火性能的影響

    圖3阻燃協(xié)效劑對防火涂料耐火性能的影響

    從圖3可見，這兩種阻燃協(xié)效劑對涂層耐火時間的影響趨勢基本相同，即隨著阻燃協(xié)效劑含量的增加，涂層的耐火時間延長，當阻燃協(xié)效劑的含量增加到某一數(shù)值時，涂層的耐火時間達最大值，繼續(xù)增大阻燃協(xié)效劑的含量，涂層的耐火時間又呈下降趨勢，而且在防火涂料中添加這兩種阻燃協(xié)效劑后，其涂層的最大耐火時間都顯著高于國標規(guī)定的大于60min的標準。但是這兩種阻燃協(xié)效劑的協(xié)同增效能力也存在明顯差異，阻燃協(xié)效劑1#在含量為5.1%時，其涂層即達到最大耐火時間，95.3min，而由阻燃協(xié)效劑2#制備的防火涂料的涂層的最大耐火時間只有89.0min，此時阻燃協(xié)效劑2#的含量卻達7.3%，比阻燃協(xié)效劑1#的添加量高了近50%，說明阻燃協(xié)效劑1#具有更好的協(xié)同增效能力。

    2.4防火涂料涂層燃燒時的形貌分析

    圖4是通過數(shù)碼相機跟蹤拍攝的涂層在燃燒初期、中期和后期時的形貌變化。

圖4涂層在燃燒時的形貌變化

    圖4涂層在燃燒時的形貌變化

    在燃燒初期(圖4a)，涂層在高溫灼燒下開始受熱熔融，隨著燃燒的繼續(xù)，APP開始分解，釋放出不燃性氣體，同時生成的磷酸、聚磷酸或焦磷酸等物質催化PTH和丙烯酸酯聚合物脫水成炭；進入燃燒中期時(圖4b)，PTH脫水生成的水蒸氣和MEL分解產(chǎn)生的不燃性氣體使已處于熔融狀態(tài)的涂層膨脹發(fā)泡，形成黑色蜂窩狀炭化層；進入燃燒的后期時(圖4c)，黑色蜂窩狀炭化層在持續(xù)的高溫灼燒下，炭化層中的碳逐漸被空氣中的O2消耗形成CO2逸出體系，同時有一部分附著力稍弱的炭化層在火焰的沖擊下被氣流帶走，最后剩下白色陶瓷質的膨脹炭層。

 2.5殘余炭層的X射線衍射分析

    圖5是由膨脹型阻燃劑和阻燃協(xié)效劑1#制備的防火涂料的涂層在耐火時間測定結束后殘余炭層的X射線衍射分析結果。

圖5殘余炭層的X射線衍射分析

    圖5殘余炭層的X射線衍射分析

    根據(jù)文獻[8-9]的研究結果和阻燃協(xié)效劑1#中含有的TiO2組分，作者認為，圖5中2θ在25.26°、37.88°、47.59°三處的衍射峰應為TiO2的特征衍射峰，2θ在22.56°處的衍射峰應為TiP2O7的特征衍射峰，其他位置出現(xiàn)的衍射條紋應為無定型炭等有機物的非晶漫射。這些結果說明，阻燃協(xié)效劑在高溫灼燒時參與了炭層的形成，并生成了的新物質，該物質對膨脹炭層有增強作用，其生成過程如式1所示。

    2TiO2+(NH4)4P4O122TiP2O7+4NH3+2H2O式(1)

    3結語

    (1)以丙烯酸乳液為基體樹脂，添加膨脹型阻燃劑和阻燃協(xié)效劑，制備了水性超薄膨脹型鋼結構防火涂料。當膨脹型阻燃劑中多聚磷酸銨、三聚氰胺和季戊四醇按質量比5∶3∶2進行復配時，阻燃效果最佳。(2)在丙烯酸乳液中添加該阻燃劑35.7%，阻燃協(xié)效劑5.1%制得的防火涂料，當涂層厚度為1.0mm時，耐火時間高達95.3min，明顯高于國標規(guī)定的大于60min的標準。(3)防火涂料中的阻燃協(xié)效劑在燃燒時參與炭層的生成，對炭層有增強作用。