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水性防火涂料成分对防火时间的影响

文档作者：赵苏杨海峰吴娇颖文档来源：沈阳建筑大学材料科学与工程学院		点击数：	更新时间： 2021年11月19日
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． 。
材 研 谋 ‘
水性防火涂料成分对防火时间的影响
赵苏。杨海峰。吴娇颖
(沈阳建筑大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110168)
[摘要] 为了探讨水性防火涂料成分对防火时间的影响，以模拟大板燃烧法研究了其组分乳液、颜料、脱水催化
剂、成炭剂、发泡剂不同用量时的防火效果。结果表明：水性防火涂料的防火时间主要受膨胀海绵状炭质层的膨胀
高度、泡孔尺寸以及炭质层表面形成的白色无机物质连续程度等因素影响；水性防火涂料中基料、颜料、防火组分
含量影响了膨胀海绵状炭质层的结构和性能，进而影响了其防火时间。
[关键词】水性防火涂料；防火时间；膨胀炭质层；成分
[中图分类号】TQ637．8 [文献标识码】B [文章编号】1001—1560(2011)05—0056—03
0 前言
近年来，高分子材料和钢材在建筑领域的应用越
来越广。然而，高分子材料易燃，钢材耐火极限低，过
去的十多年中，年均约有30 000起火灾，造成3 000左
右人员的死亡，直接经济损失达数百亿元 ’2 J。因此，
预防火灾已成为当今关注的焦点。水性膨胀型防火涂
料l3 具有防火效率高、不污染环境、施工方便、价格低
廉等优点，对基材有较好的保护作用H J，是火灾预防的
有效手段。
将可膨胀石墨和埃洛石等阻燃剂填加到水性涂料
中能提高其防火性能 J。对于膨胀型防火涂料，膨胀
炭质层是决定防火性能的重要因素，过去对此研究较
少。本工作重点从水性防火涂料组分对炭质层膨胀高
度、含微气孔量和强度等影响方面研究防火时间的长
短，得到了各组分的合理比例。
l 防火涂层制备及防火时间测定
1．1 防火涂层制备
水性防火涂料：将聚磷酸铵(APP)、三聚氰胺
(MEL)和季戊四醇(PER)混合在一起作防火组分；加
水、分散剂、润湿剂、消泡剂于烧杯中，用电动搅拌器搅
拌，转速1 000 r／min，时间5 min；减慢搅拌速度，依次
缓缓加入TIO 与混合均匀的防火组分，将搅拌速度调
[收稿日期] 2010—11—28
[基金项目] 建设部资金资助(06-I(7-31)
[通信作者] 赵苏(1965一)，教授，博士，主要从事材料
，
化学的研究，电话：1332243321，E．mail：zhaosu
20o5@ 126．corn
至1 500 r／min，大约30 min后调至1 000 r／min，加入乳
液，成膜助剂，流平剂，搅拌30 min左右过滤。
按500 g／m 水性防火涂料用量，在水泥石棉板上
涂刷2遍，放置1周左右，即可制成防火涂层。
1．2 防火时间测定
将具有防火涂层的水泥石棉板放人烘箱中于5O
℃左右烘烤2 h，使水性涂料中挥发组分彻底挥发。参
照GB／T 15442．2—1995(大板燃烧法)，建立模拟大板
燃烧法试验装置：将具有防火涂层的板面向下放置在
铁架台上；用酒精喷灯作加热源，喷灯口距防火涂层大
约8 cm；水泥石棉板背面放置温度计，加热计时，背面
温度达到120℃的时间即为防火时间。
2 涂料组分选用与防火时间
2．1 基科
基料是涂料的基础组成，是主要的成膜物质，对涂
料的性能起着决定性的作用。水性防火涂料以水为溶
剂或分散介质，基料应是能与之互溶的物质。因此，以
使用最广泛的乳液作水性防火涂料的基料。
2．I．I 基料种类
对3种乳液进行选择，采用相同的防火组分、颜
料、助剂和方法制备防火涂层。3种乳液对水性防火涂
料防火时间的影响见表1。
表1 水性防火涂料各组分含量及防火时间
种类”
l越封偶妒l
。馥臻如蕾 秒 彳c e ￡缸"
结果显示，有机硅改性苯丙乳液的防火时间最长，
原因是有机硅分子以重复的si—O键为主链，其解离
能为460．5 kJ／mol，显著高于C—C键的304 kJ／mol，有
机硅对苯丙乳液改性可以提高涂料的耐候性 和乳液
的热稳定性。因此，选用有机硅改性苯丙乳液作基料。
2．1．2 有机硅改性苯丙乳液含量
其他原料配比不变，不同有机硅改性苯丙乳液含
量对水性防火涂料防火时间的影响见图1。由图1可
知：其含量在27．5％左右时，防火时间较长，涂层膨胀
形成的炭质层膨胀高、泡孔闭合分布均匀，锐钛矿型
TiO 和焦磷酸钛 形成的无机防火层连续密实；乳液
含量过少，膨胀炭质层内部气孑L尺寸大，泡孔壁薄被火
焰冲破，使基材暴露于火焰中，生成的白色无机防火层
不连续，防火时间短；乳液含量过多，膨胀炭质层膨胀
高度低，由热传导公式Q=A·A·At／L可知，炭质层
厚度 减小，传导的热量Q相对增加，防火时间减少。
图1 不『司有机硅改性苯丙乳液含量水性防火涂料的防火时间
2．2 颜料
颜料的作用是使涂膜拥有遮盖基材的能力，提高
涂膜的硬度，为涂膜增加色彩。TiO 在白色颜料中用
量最大，主要有金红石型和锐钛矿型2种。后者的抗
粉化和耐候性比前者低，但成本较低，故用此作颜料。
在高温条件下，TiO 可以与防火组分发生化学反应形
成白色、耐高温的无机物质，能提高炭质层强度，而且
有利于涂层防火时间的延长。
TiO 含量对水性防火涂料防火时间的影响见图2。
由图2可知，TiO 用量约为17．5％时防火效果较好，此
时炭质层膨胀高、泡孔无开裂且分布均匀、TiO 和焦磷
酸钛白色粉末分布得比较密集。当涂层刚遇到火焰
时，TiO 与其他组分迅速发生化学反应形成膨胀的炭
质层，当石棉板背面温度达到90 左右时，炭质层表
面开始出现白色物质，升温速度明显下降；当白色粉末
基本不再产生时，升温速度开始增加。涂层的防火过
程可能分为2个阶段，一是高温作用下迅速形成膨胀
炭质层，另一则是TiO：与防火组分发生化学反应形成
白色粉末。TiO：含量少，形成的白色物质量少，对热量
的隔绝效果差，防火时间短。TiO：含量过多，形成的膨
胀炭质层组分相应就会减少，影响了炭质层膨胀的高
度，防火时间也会下降。
470
460
45O
440
430
42O
410
4oo
39O
图2 不同TiO 含量水性防火涂料的防火时间
2．3 防火组分
水性防火涂料的防火组分由脱水催化剂、成炭剂
和发泡剂组成，是防火的关键组分。高温作用下3种
组分发生一系列的化学反应释放出不燃气体稀释空气
中的氧气浓度，形成热导率低的膨胀炭质层，生成可以
终止或减缓燃烧连锁反应的自由基。
2．3．1 脱水催化剂(聚磷酸铵)
以APP为脱水催化剂，使之与多羟基化合物发生
酯化反应，引发膨胀过程，促进不易燃烧的三维炭层结
构形成，减少热分解产生的可燃性焦油量L8 ；此外，其
分解的产物还可以与TiO：发生反应生成耐热性好的焦
磷酸钛。不同APP含量水性防火涂料的防火时间见
图3。
48O
460
440
420
4o0
380
36O
340
32O
图3 不同APP含量水性防火涂料的防火时间
由图3可知：APP含量为5O％时防火效果较好，此
时炭质层膨胀高，无脱落，白色粉末较多；APP用量少
时，分解产生的酸源不足，成炭量小、膨胀高度低，不利
于延长防火时间；同时，它与TiO 反应生成的焦磷酸钛
量少，也不利于延长防火时间；此外，发泡剂的用量相
对提高，分解的气体吹落炭质层，致使基材暴露于火焰
之中。所以，APP含量少时，防火时间短；APP含量多
时，发泡剂分解的气体量少，炭质层膨胀低、结构密实，
热传导率增加，从而使水性防火涂料的防火时间下降。
2．3．2 成炭荆(季戊四醇)
成炭剂的主要作用是在涂层遇到火焰或高温时，
； 。 ；
坡 靠鼍 强 打
图5 不同MEL含量水性防火涂料的防火时间
由图5可知：当MEL含量在20％ 一30％ 时，PER
与APP含量相对较高，成炭量较多，形成的炭质层膨胀
也高，MEL含量增加，炭质层包裹的气体量也增加，气
体热导率远远低于固体的热导率，炭质层的热导率也
逐渐降低，使防火时间逐渐延长；30％ 时防火效果较
好。在小于咖5 mm气孔中，传热方式以辐射为主，几
乎不存在对流 ，MEL含量超过30％ 一40％时，气孔
尺寸过大，由洛布式A=46·8·d·r·7d【1。 可知，炭
质层中气孔尺寸越大，热导率A越高，防火时间越短；
当MEL含量在40％ 一50％，炭源逐渐减少，炭质层几
乎不发生膨胀，其开裂趋势也越来越严重，并出现脱
落，因而防火时间呈下降趋势。
3 结论
(1)以有机硅改性苯丙乳液为基料的水性防火涂
料防火时间较长，其用量在27．5％ 时防火效果较好。
乳液的分子结构也会影响涂料的防火性能。
(2)TiO：用量为17．5％时水性防火涂料的防火效
果较好。TiO：对防火性能的影响主要是体现在与APP
的分解产物发生反应形成耐高温的无机物，但它对炭
质层的结构和性能影响不大。
(3)APP，MEL，PER含量分别为50％，30％ ，20％
时水性防火防火涂料的防火效果较好。防火组分对水
性防火涂料防火性能的影响：任一组分发生变化，炭质
层的结构和性能都将改变，APP和PER主要通过化学
反应为炭质层提供充足的炭源，MEL主要使炭质层发
生膨胀、影响炭质层内部气孔尺寸和数量，炭质层的结
构内部含有微气孔，热导率会降低。三者的含量要相
互协调，才可以形成炭源充足、不开裂、膨胀高、含微气
孔的炭质层。
(4)水性防火涂料中乳液含量为27．5％ ，TiO 含
量为17．5％，APP：MEL：PER=5：3：2时，水泥石
棉板背面温度可以达到120 oC，防火时间为480 s。
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