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0 引言

鋼結構具有強度高、自重輕、可靠性高、抗形變能力強、可回收利用等優點，是最主要的建筑結構類型之一，鋼結構建筑也被譽為21世紀的“綠色建筑”。但是鋼結構的耐火性能差，裸露的鋼結構在火災發生的10min內就能達到臨界溫度，鋼材承受力急劇下降導致建筑迅速坍塌。因此，采取有效措施提高鋼結構的耐火性能一直是研究的重要課題涂料在線coatingol.com。在諸多鋼結構防火保護措施中，涂覆防火涂料是最經濟有效的方法。

隨著環保法規的日益嚴苛，溶劑型防火涂料的使用受到越來越多的限制。水性膨脹型防火涂料是以水作為分散介質的綠色環保防火涂料，具有很好的應用前景。目前市場上水性膨脹型防火涂料主要以丙烯酸乳液為成膜物，以多聚磷酸銨（APP，成炭催化劑）、季戊四醇（PER，成炭劑）、三聚氰胺（MEL，發泡劑）作為阻燃體系，在受熱時，成膜物質熔融變軟，成炭劑在催化劑的作用下脫水成炭，炭化物及熔融態的成膜物在發泡劑熱分解產生的氣體作用下形成致密、封閉的膨脹炭層，在熱源與鋼材之間形成隔熱屏障，阻止熱量向基材傳導。

水性膨脹型防火涂料的膨脹炭層如果強度不夠、防火過程中從鋼材表面脫落，就會導致鋼結構裸露在火焰中很快失去承載力。顏填料是水性膨脹型防火涂料的重要組成部分，對提高涂層的耐火性能，特別是提高炭層的強度和穩定性具有重要作用。有研究表明，鈦白粉是少有的幾種可與多聚磷酸銨在高溫下反應提高涂層耐火性能的顏料。本研究選用鈦白粉作為增強顏料，選用高嶺土、氫氧化鋁、硅酸鋁纖維、蒙脫土與之復配，考察了不同顏填料對炭層強度及涂層耐火性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料與設備

丙烯酸乳液：上海昕特瑪化學品有限公司；多聚磷酸銨（APP）：杭州捷爾思阻燃化工有限公司；季戊四醇（PER）：湖北宜化化工有限公司；三聚氰胺（MEL）：江蘇三木集團有限公司；鈦白粉：攀鋼集團有限公司；高嶺土：山西琚豐新材料科技有限公司；蒙脫土：石家莊灃銘礦產品有限公司；玻璃纖維：深圳鑫纖科技有限公司；氫氧化鋁：深圳市海揚粉體科技有限公司；其余原料、助劑均為市售。以上均為工業級。

砂磨、分散、攪拌多用機（SFJ-400）：上海現代環境工程技術股份有限公司；膜厚儀（QNIX4500）：德國QNix公司；防火性能快速檢驗裝置：中航百慕新材料技術工程股份有限公司。

1.2 水性防火涂料的制備

水性防火涂料的基礎配方見表1。

表1 水性防火涂料的基礎配方

制備工藝：先將助劑和水在分散罐中低速分散均勻，再加入全部粉料高速分散，最后加入乳液中速分散均勻，即可得到水性防火涂料。

1.3 防火性能測試

選用規格為80 mm×40 mm×1.2 mm的鋼片，清洗干凈并用砂紙打磨后采用刮涂的方式將水性防火涂料涂敷在鋼板上，控制干膜膜厚在（1.2±0.1）mm。防火性能測試在防火性能快速檢驗裝置上進行，按照企標Q/6S2153“超薄型鋼結構防火涂料防火性能快速測試方法”進行測試，以鋼片背溫達到580℃的時間作為耐火時間，測試裝置如圖1。

圖1 防火性能快速檢驗裝置

1.4 失質量率測試

測試之前干膜的質量減去測試后膨脹炭層的質量即為涂層的失質量，涂層的失質量與測試之前干膜的質量之比即為失質量率，用以表示涂層的抗燒蝕性能。

1.5 炭層強度測試

炭層的強度以壁紙刀切割炭層的方法確定：用壁紙刀切割膨脹炭層，如果炭層較硬，可以從炭層中間完整切割，并且斷面整齊不破散，則強度高；如果炭層較軟，切割時斷面破散易碎，則強度弱。炭層強度以數字1~10表示，其中1表示強度最弱，10表示強度最高。

2 結果與討論

2.1 不同鈦白粉用量對涂層防火性能的影響

按照表1中初始配方制備水性防火涂料，考察添加不同量鈦白粉的水性膨脹型防火涂料的耐火性能，結果如圖2、表2所述。

圖2 添加不同量的鈦白粉對失質量率的影響

表2 添加不同量的鈦白對水性防火涂料耐火性能的影響

從圖2可以看出，隨著鈦白粉含量的增加，涂層的失質量率逐漸降低，由70%降低到55%，表明鈦白粉添加量越高，水性防火涂料的抗燒蝕性能越好。從表2可以看出，鈦白粉添加量為4%時，炭層膨脹倍數只有28倍，并且疏松開裂，炭層強度低，耐火時間較短。在鈦白粉添加量達到8%時，炭層的膨脹倍數隨著鈦白粉含量的增加而增大，炭層狀態也由疏松逐漸變得致密，說明鈦白粉參與到了炭層骨架的形成過程，在高溫條件下TiO2與多聚磷酸銨或其降解產物反應形成TiP2O7，增強了炭層結構，耐火性能也得到提升。當鈦白粉添加量繼續提升到12%時，雖然炭層變得更加致密，炭層強度更高，但是炭層的膨脹倍數開始降低，這是因為鈦白粉含量的提升導致膨脹阻燃體系含量相對減少，同時鈦白粉的大量加入使得炭層膨脹受阻，在鈦白粉含量為12%時，膨脹倍數只有26倍，導致炭層的后期隔熱效果較差，耐火時間下降到50min。綜合以上實驗結果可以看出，鈦白粉添加量為10%時，炭層致密、強度高，耐火性能最好。

2.2 不同增強填料對涂層防火性能的影響

選用高嶺土、蒙脫土、玻璃纖維、氫氧化鋁以及它們之間按質量比1:1的混合粉料作為無機增強填料，保持配方中各組分用量相同，考察不同增強填料對水性防火涂料性能的影響，結果如表3所示。

表3 不同增強填料對水性防火涂料耐火性能的影響

從表3的實驗結果可以看出，不同增強填料對水性防火涂料的性能具有不同的影響。添加高嶺土的防火涂料炭層膨脹倍數較高，炭層強度較好，主要是因為高嶺土在高溫時可以反應生成類似于陶瓷的保護層覆蓋在炭層表面，提升了炭層的隔熱能力與強度，使涂層表現出較好的耐火性能。蒙脫土的加入明顯降低了涂層的膨脹程度，生成的炭層中有少許大泡存在，可能是因為蒙脫土的加入大大提高了涂層的熔融黏度，同時片狀結構在防火涂料中阻止了部分膨脹阻燃體系生成的惰性氣體的外散，形成了部分大泡。玻璃纖維的加入使炭層膨脹度有所降低，炭層強度較差，整個炭層雖然有明顯的纖維狀殘留，但是炭層呈現破散狀。這是因為玻璃纖維雖然具有較好的耐高溫性，但是不能與膨脹阻燃體系起到協同阻燃的作用，形成的交叉纖維結構不能增強炭層骨架，導致炭層狀態較差。氫氧化鋁的加入，使炭層膨脹度降低，但是炭層致密，仍表現出較好的耐火時間。這是因為氫氧化鋁的加入提升了涂層的熔融黏度，導致炭層膨脹度較小，但是氫氧化鋁在較低溫度時可以分解吸熱，與膨脹阻燃體系共同作用減少了反應初期外部熱量向基材的傳遞，提高了涂層的耐火時間。同時氫氧化鋁分解產生的氧化鋁可以增強炭層的強度，防止炭層中大孔隙的產生，促進致密炭層的生成。這4種增強填料兩兩之間以質量比1:1混合使用時，高嶺土與氫氧化鋁質量比1:1的混合填料使涂層表現出優異的性能，主要是因為兩種填料都可與膨脹阻燃體系產生良好的協同效應，在共同作用下形成了高膨脹度、高強度的致密炭層，提高了涂層的耐火時間。

2.3 高嶺土與氫氧化鋁混合填料的用量對涂層防火性能的影響

按照表1的基礎配方，鈦白粉的添加量為10%，高嶺土與氫氧化鋁質量比為1:1的混合填料的添加量分別為1%，3%，5%，7%，9%，制備5種水性防火涂料，性能測試結果如表4。

表4 不同含量混合填料對水性防火涂料防火性能的影響

從表4可以看出，當混合填料添加量為1%時，炭層較疏松，強度較弱，耐火時間短。隨著混合填料添加量的增加，涂料的膨脹倍數逐漸降低，炭層強度逐漸升高，耐火時間先增大后減小。在添加量為5%時，炭層狀態與耐火性能達到最佳。當繼續添加混合填料至9%時，炭層強度高，但與鋼片之間的附著力較差，易從鋼片上脫落。可能是因為混合填料的過量加入對炭層的膨脹有較強的抑制作用，導致膨脹阻燃體系分解產生的不燃氣體對無法膨脹的炭層產生較強的沖擊，導致炭層的附著力較差，甚至脫落。綜合實驗結果可以看出，當混合填料的添加量為5%時，水性防火涂料的炭層強度、炭層狀態與耐火性能最好。

3 結論

（1）鈦白粉的加入可以提高水性膨脹型防火涂料的抗燒蝕性能，當鈦白粉的添加量為10%時，炭層致密、強度高，耐火性能最好；

（2）對比4種無機填料以及它們兩兩之間按質量比1:1的混合填料，高嶺土與氫氧化鋁質量比1:1的混合填料具有良好的協同阻燃效果；

（3）高嶺土與氫氧化鋁質量比1:1的混合填料添加量為5%時，能夠顯著提高炭層強度與炭層狀態，涂層的膨脹倍數31倍，防火性能最佳。