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醋叔防火涂料在防火過程中的物質變化,研究了醋叔防火涂料在防火過程中的膨脹層形成以及物質變化過程,中國建材網,cnprofit.com
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醋叔防火涂料在防火過程中的物質變化,研究了醋叔防火涂料在防火過程中的膨脹層形成以及物質變化過程
2019年12月08日    閱讀量:561    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

 引言

與磚石結構、鋼筋混凝土結構以及更傳統的木結構相比,鋼結構具有質量輕、機械強度高、抗震性好、可工廠預制、建筑工期短、安裝方便等優點,是一種符合“綠色建筑”特征的建筑材料。鋼材雖然不燃,但具有耐熱不耐高溫的特性,易導熱,常溫熱導率高達58.2 W/(m·K)。當達到臨界溫度(540℃)時,鋼結構將失去支撐能力,造成建筑物坍塌等事故中國建材網cnprofit.com。因此,鋼結構建筑有必要進行防火保護。


CECS 200:2006《建筑鋼結構防火技術規范》中規定的防火措施主要有:外包混凝土、砌筑砌體、包敷防火板、噴涂防火涂料、包敷柔性氈狀隔熱材料、復合防火保護(即在鋼材表面先噴涂防火涂料或包敷柔性氈狀隔熱材料,再用防火板飾面)等。在以上防火措施中,噴涂防火涂料具有施工簡單、方便、自重輕、防火效果好等特點,因而成為最理想、可靠、實用的防火保護方法。


鋼結構防火涂料可分為多種類型。其中,水性超薄型鋼結構防火涂料是當前的研究熱點,也是未來的發展方向。與溶劑型超薄鋼結構防火涂料相比較,水性超薄型鋼結構防火涂料具有減少揮發性有機物(VOC)排放量,降低能耗,減少涂料在生產、施工、應用等環節對人體的危害和對環境的污染等優點。


水性超薄型鋼結構防火涂料大多采用P-N-C 體系作為膨脹阻燃體系。近年來,有關提高成膜物質性能以及探索最佳膨脹阻燃體系的研究和報道很多,但對水性超薄型鋼結構防火涂料在膨脹防火過程中的物質變化卻鮮有詳細報道。


在此之前,作者研究了成膜物質和膨脹阻燃體系對防火涂料性能的影響,篩選出了最佳的成膜物質———醋叔乳液,掌握了成膜物質的作用與影響規律,并獲得了膨脹阻燃體系的最佳配比。


在此基礎上,本文研究醋叔防火涂料在防火過程中的物質變化和膨脹層的形成過程,對醋叔防火涂料的膨脹防火過程進行了階段性分析,采用紅外光譜儀(FTIR)和X-射線衍射儀(XRD)對各階段的殘余物進行了表征。以上研究對認識防火涂料的膨脹過程,掌握膨脹防火過程中的物質變化以及防火作用機理具有較好的指導意義。

 

1 實驗

1.1 原材料

醋叔乳液(VAc/VeoVa,直鏈型分子結構),粒徑為300 nm,固含量50%,科萊恩化工(中國)有限公司;聚磷酸銨(APP),聚合度n>1000,P 含量為31%~32%,N 含量為14%~15%,水解度<0.5%,杭州捷爾思阻燃化工有限公司;季戊四醇(PER),質量含量為95%,湖北宜化集團有限責任公司;三聚氰胺(MEL),質量百分數為99%,江蘇三木化工股份有限公司;鈦白粉,R706,美國Dupont 公司;氯化石蠟(52 級,CP-52),廣東江鹽化工有限公司;助劑若干種。

1.2 防火涂料的制備

防火涂料的基本配方見表1。

防火涂料的基本配方

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根據表1 所示配方,首先將水和分散劑加入砂磨機中,然后依次加入聚磷酸銨(APP)、季戊四醇(PER)、三聚氰胺(MEL)、鈦白粉、氯化石蠟(CP-52)等組分高速研磨分散。將醋叔乳液加入砂磨機中,研磨分散后過濾。再加入消泡劑、防腐劑、防凍劑、成膜助劑,并加入增稠劑調節至合適的黏度,即得醋叔防火涂料。

1.3 分析與表征

將防火涂料涂刷在干凈的玻璃板上,待其自然干燥后,用小刀刮下得到防火涂料涂膜,分別進行以下分析與表征。

用于FTIR 和XRD 分析的防火涂料殘余物是將防火涂料涂膜放置于馬弗爐中焙燒制得,馬弗爐的升溫速率為10 ℃/min,焙燒時間為15 min。

1.3.1 TG 分析

采用德國NETZSCH 公司的STA449C 熱重分析儀進行樣品的TG 分析,升溫速率為10 ℃/min,測試溫度范圍為室溫~800 ℃,空氣氣氛。

1.3.2 FTIR 分析

采用美國PERKIN ELMER 公司的Spectnlm2000 型紅外光譜儀進行防火涂料殘余物的FTIR 分析,掃描波長范圍為4000~400 cm-1,分辨率為8 cm-1。壓片制樣定量比例為100 mg KBr,1 mg 樣品。

1.3.3 XRD 分析

采用德國Bruker 公司的D8 Advance X 射線衍射儀測定防火涂料中殘余物的物相組成,采用Cu 靶Kα 輻射(λ=0.154056 nm),掃描范圍2θ 為10°~65°,掃描電壓和電流分別為40 kV 和40 mA。

 

2 結果與討論

2.1 TG 分析

為了得到防火涂料防火過程中的特征分解溫度與階段,在進行膨脹過程分析之前,先對醋叔防火涂料進行了TG 分析。圖1 為醋叔防火涂料在空氣氛圍中的TG-DTG 曲線,通過DTG 曲線可以獲得醋叔防火涂料各階段的熱失重最大速率溫度峰。

醋叔防火涂料的TG-DTG 曲線

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由圖1 可知,醋叔防火涂料在防火作用過程中包含了6個熱失重階段:第1 個階段為室溫~202 ℃,對應的熱失重率為5.20%;第2 個階段為202~275 ℃,其熱失重率為9.86%;第3 個階段為275~463 ℃,這個溫度段是防火涂料的主要熱分解作用區間,其熱失重率達到35.30%;第4 個階段為463~623 ℃,熱失重率為8.95%;第5 個階段為623~747 ℃,熱失重率為5.48%;第6 個階段為747~904 ℃,熱失重率為3.39%。

2.2 FTIR 分析

為了研究醋叔防火涂料在膨脹防火過程中的物質變化,根據TG 曲線(見圖2)上各階段的特征溫度,首先將防火涂料涂膜放置于馬弗爐中焙燒15 min,然后對焙燒殘余物進行紅外光譜(FTIR)分析,FTIR 譜圖見圖3。

APP 和MEL 的TG 曲線

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由圖3 可見,室溫時,紅外譜圖中特征峰主要歸屬為醋叔聚合物、APP、PER、MEL 等物質。315℃時,1740 cm-1 處C=O、1235 cm-1 處C—O—C 特征峰減弱,說明醋叔聚合物已經開始分解。在1001 cm-1 位置出現PO2、PO3 的特征峰,歸屬于含P—O—C 結構的復合物。


P—O—C 鍵可由APP 與PER 反應脫水,APP 與MEL 反應脫氨,以及APP 與醋叔聚合物反應脫除側鏈而生成。3181 cm-1 處為N—H 的伸縮振動特征峰,1672、1401 cm-1 處為N—H 的變形振動特征峰。

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醋叔防火涂料殘余物的FTIR 圖譜

335 ℃,3042 cm-1 處出現苯環上C—H 的伸縮振動特征峰,由此說明,在該溫度時防火涂料已經開始生成芳香烴類物質。365 ℃時,1672 cm-1 處的N—H 變形振動特征峰消失。由APP 與MEL 的TG 曲線圖(見圖2)可知,該位置特征峰消失主要歸因于MEL 環外的伯胺(—NH2)基團的脫除。


395 ℃時,3128、1400 cm-1 處的N—H 伸縮振動和變形振動特征峰強度減弱,說明APP 的脫氨過程在持續不斷的進行,殘余物中銨離子(NH4+)含量在不斷降低。463 ℃時,N—H 特征峰消失,說明APP 中NH4+熱分解脫除NH3 的反應結束。


同時在這個溫度時,623,566 cm-1 處出現Ti—P 的特征吸收峰,這是因為TiO2 與APP 的分解產物反應生成了TiP2O7。3040 cm-1 左右苯環上C—H 的伸縮振動特征峰明顯減弱,說明在該溫度時芳香烴類物質出現分解。


623 ℃時,殘余物FTIR 譜圖中主要存在1211 cm-1 處P=O,1081、957 cm-1 處P—O—P,618、567 cm-1 處Ti—P,以及504 cm-1 處Ti—O 的特征峰,由此說明膨脹層主要由TiP2O7、TiO2 等無機物組成。譜圖中3430 cm-1 左右以及1630 cm-1 左右為殘余物在空氣中所吸附的水的紅外吸收峰。


2.3 XRD 分析

圖4 為膨脹阻燃體系(APP/PER/MEL)的XRD 圖譜,圖5為醋叔防火涂料在不同溫度下焙燒15 min 后得到的殘余物的XRD 圖譜。

膨脹阻燃體系(APP/PER/MEL)的XRD 圖譜,醋叔防火涂料殘余物的XRD 圖譜

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由圖4 可見,APP 的特征衍射峰主要位于2θ=14.5°、15.4°、29.1°處;PER 的特征衍射峰主要位于2θ=20.1°;MEL 的特征衍射峰主要位于2θ=26.1°、28.7°、29.7°處。

圖5 中,特征衍射峰歸屬于金紅石型TiO2 和APP 及其分解產物,以及TiO2 與APP 的分解產物反應生成的TiP2O7。金紅石型TiO2 的特征衍射峰位于2θ=27.4°、36.1°、41.2°、54.3°處。TiP2O7 的特征衍射峰位于2θ=22.6°、25.4°、27.8°、37.9°處。295 ℃時,醋叔防火涂料殘余物XRD 譜圖中包括完整的TiO2 特征衍射峰,以及APP 和MEL 的部分特征衍射峰(APP:14.5°、15.4°;MEL:28.7°、29.7°