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貝殼粉對飾面型防火涂料阻燃性能的影響分析,將貝殼粉與膨脹型防火涂料按一定比例混合,采用隧道燃燒法探測貝殼粉的加入對防火涂料防火阻燃性能的影響,中國建材網,cnprofit.com
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貝殼粉對飾面型防火涂料阻燃性能的影響分析,將貝殼粉與膨脹型防火涂料按一定比例混合,采用隧道燃燒法探測貝殼粉的加入對防火涂料防火阻燃性能的影響
2019年12月08日    閱讀量:612    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

浙江省舟山市嵊泗縣是馳名中外的“貽貝之鄉”,貽貝養殖加工已成為舟山群島新區海洋經濟的一個重要經濟支柱產業。舟山群島新區的設立,對發展海洋經濟起到了模范作用,探索可持續發展戰略,成為這個海濱城市的主要發展目標。但其各種廢棄物已不可避免的成為可持續發展應該優先考慮的因素中國建材網cnprofit.com。


隨著人們安全消防意識的不斷提高,防火涂料被廣泛使用。膨脹型防火涂料,其常溫下成膜后與普通漆膜無異。但在火焰或高溫的作用下,可以有效降低基材表面通過膨脹炭層傳遞到的熱量,從而使基材得以較好的保護。


優質貝殼粉具有防火阻燃的功效,因此,試著將這兩種材料混合,把貝殼粉特有的性能有效的應用到防火涂料中,本文探究貝殼粉對防火涂料性能的影響,并找出貝殼粉與防火涂料對防火性能的最佳配比范圍。

 

1 材料的主要成分及準備

1. 1 材料主要成分分析

廢棄的貽貝的主要成分為95%碳酸鈣和少量的殼質素。一般可分為3 層,最外層是黑角質層( 殼皮) ,褐色、薄而透明,能防止被碳酸侵蝕; 中層為棱柱層( 殼層) ,較厚,由外套膜邊緣分泌的棱柱狀的方解石構成; 內層為珍珠層( 底層) ,由外套膜表面分泌的葉片狀霰石( 文石) 疊成,其中方解石和霰石的主要化學成分為碳酸鈣( CaCO3)。

TAPN - 01 膨脹型防火涂料耐火成分主要有: 聚林酸氨,氨三聚氫氨,季戊四醇,氯化石蠟,鈦白粉,丙烯酸乳液,聚醋酸乳液,防沉劑等,其中不含石棉、甲醛類等揮發性有害物質。膨脹型防火涂料在較高溫度下生成一層穩定的難燃性炭質覆蓋層,或者分解生成泡沫狀物質,覆蓋于木材的表面。從宏觀上看,這種難燃性炭質覆蓋層的形成對木材的防火阻燃性能有以下四種作用:

( 1) 隔斷外界火焰和熱量對木材的繼續燃燒和熱輻射作用;

( 2) 防火涂料層的軟化、溶解、受熱膨脹等過程產生的物理變化,以及涂料中各組分的化學反應,都會吸收大量的熱量,從而降低了火焰對木板的表面溫度,延長了火焰傳遞時間;

( 3) 難燃性炭質覆蓋層覆蓋在木板的表面,使木材因熱分解而生成的可燃性煙氣難以逸出,阻止這些可燃性氣體與空氣接觸發生燃燒事故,減緩木材受高溫氧化時被降解的速度。

1. 2 貝殼粉在防火涂料中應用的原理

干貝殼粉在隧道爐中以900 ~ 1 000 ℃溫度煅燒,會發生分解反應,其煅燒所得產物主要為生石灰,即氧化鈣( CaO) ,以及產生大量二氧化碳,從而降低了在燃燒爐中氧氣的濃度,使測試板在燃燒的過程中不能充分燃燒,降低了火焰燃燒程度。貝殼粉煅燒反應式如下:

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在煅燒過程中,溫度高低與煅燒時間過長過短,都會影響貝殼粉的分解。表1 中記錄測試過程中各組試板前4 min 內火焰平均燃燒溫度,以及在關閉燃氣開關閥第5 min 時的火焰溫度。

由表1 可知,測試中的溫度控制在900 ~ 1 000 ℃之間,碳酸鈣能充分分解生成氧化鈣及二氧化碳。

火焰各階段燃燒平均溫度

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1. 3 測試準備

實驗采用隧道燃燒法測試火焰傳播性能、阻火性能和耐火性能。實驗前把隧道爐和控制記錄箱平穩放在牢固的工作臺上,安裝好儀器。實驗前首先調節噴燈火焰溫度,使火焰呈藍色狀態,溫度記錄儀控制在( 900 ± 20) ℃為宜。試板表面平整光滑、木質基材表面無節疤、無缺陷、紋理與長度方向一致,木板的規格為長600 mm、寬90 mm、厚6 ~ 8 mm。橡木板的規格為長600 mm、寬90 mm、厚8 ~ 10 mm。五層膠合板的規格為長600 mm、寬90 mm、厚6 ~ 8 mm。試板在涂防火涂料之前應在溫度( 25 ± 1) ℃,相對濕度60% ~ 70%的條件下調節恒重。

實驗儀器具體見表2。

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實驗所用儀器清單表

實驗使用的貝殼為貽貝粉,實驗前先把貽貝洗干凈,置于烘箱中烘干,用碾磨器磨碎,用200 目左右篩子篩除比較大的顆粒,把篩選好的貝殼粉放于密閉容器中,防止其重量和性能發生改變。實驗中,先開啟燃氣開關閥,點燃燃料氣調整燃氣供給量。


液化石油氣供給量為860 mL/min。初始空氣供給量以火焰內部發藍,中部火焰溫度達到約900 ℃左右為宜。保持隧道爐系統此刻的工作狀態,各閥門的位置不變,關閉燃氣開關閥,停止液化石油氣的供給。將處理過的石棉標準板的光滑面向下,放置在試板支架內,再蓋上絕熱蓋板。


開啟液化石油氣準備供氣,點燃液化石油氣的同時啟動記時儀。觀察噴燈火焰沿試件底側面擴展的情況,每隔15 s 記錄火焰前沿達到的長度值,直至4 min 末停止記錄。試驗進行至5 min 時,關閉液化石油氣開關閥,依次取下蓋板和試件。取相鄰三個火焰前沿達到的長度最大值為最高火焰傳播讀數,取這三個數據的平均值,即為石棉試板的火焰傳播值,同理,測出橡木板的火焰傳播值。


使用五層膠合板測試貝殼粉防火涂料,貝殼粉與防火涂料的配比一共采用7 個濃度梯度,各濃度0%、1%、3%、5%、7%、10%、15%,每個濃度使用5 塊相同試板。涂在試板上的混合液料按照500 g /m2 涂覆。實驗過程中的具體步驟與測試石棉板火焰傳播值的步驟一樣。因數據比較多,限于篇幅,所以下表中只列舉了各組數據的平均值,具體數據見表3。

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測試涂料各組數據平均值表



2 測試結果分析

2. 1 測試數據分析

2. 1. 1 貝殼粉濃度對火焰傳播比的影響

從圖1 可以看出,貝殼粉的加入會對火焰傳播比產生一定的影響。首次實驗的貝殼粉含量分別是5%、10%、15% 進行。測試結果發現,隨著貝殼粉濃度的增加,火焰傳播比隨濃度的增加而降低,數據中,只有濃度為5% 的測試組的火焰傳播比低于純防火涂料,所以5% 的配比有效,10%、15% 對防火性能會有阻礙作用。


所以在第二次測試時,分別設置濃度梯度在5%左右,依次是1%、3%、7%。發現當濃度在3% ~ 5% 之間,貝殼粉防火涂料的防火性能有很大程度的提高; 當濃度為7. 8%左右時防火性能與純防火涂料相接近,當濃度大于7. 8%時,防火性能會隨著貝殼粉的加入而降低。

貝殼粉濃度對火焰傳播比的影響圖

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2. 1. 2 貝殼粉濃度對失重的影響

貝殼粉濃度對失重的影響圖

從圖2 可以看出,貝殼粉的加入會對測試板碳化失重產生一定的影響。實驗中發現貝殼粉含量以5%、10%、15% 進行時,隨著貝殼粉濃度的增加,測試板失重量隨濃度的增加而增加。而且數據中只有濃度為5% 的測試組的測試板失重量低于純防火涂料,所以5% 的配比有效,10%、15% 增加火焰對木材的燃燒作用,木材失重嚴重,所以在第二次測試時,分別設置濃度梯度在5%左右。


依次是1%、3%、7%,發現當濃度在3% ~ 5%之間,貝殼粉濃度對測試板失重的影響較小,防火性能有很大程度的提高,所以適當增加貝殼粉的濃度會增強防火性能。當濃度為10%,測試板的失重接近純防火涂料的,隨著貝殼粉的不斷加入測試板的失重在不斷增加,防火性能不斷降低,會導致防火性能降低。綜上得出,貝殼粉與防火涂料的配比小于10%時,對防火性能有積極地作用。


2. 1. 3 貝殼粉濃度對平均碳化體積的影響

從圖3 可以看出,貝殼粉的加入會對木材碳化體積產生一定的影響。實驗中發現貝殼粉配比以5%、10%、15% 進行時,隨著貝殼粉濃度的增加,碳化體積隨貝殼粉濃度的增加而增加,所測結果中發現,當貝殼粉配比濃度為5%、10% 測試組的碳化體積低于純防火涂料,所以5%、10% 的貝殼粉配比實驗組有效,15%的貝殼粉濃度會增加火焰對木材的燃燒作用,導致碳化嚴重。


所以在第二次測試時,分別設置濃度梯度在5%和10%左右,依次是1%、3%、7%。發現當貝殼粉濃度在3% ~ 5%之間,對碳化體積影響較小,木材防火性能有很大程度的提高; 當貝殼粉濃度大于12%左右的時候,貝殼粉的加入會對防火涂料的性能產生負面影響。

貝殼粉濃度對平均碳化體積的影響圖

2. 2 測試板表象分析

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涂有0%、1%、3%、5%、10%、15% 貝殼粉的防火涂料,燃燒后火焰灰燼的照片如圖4 ~ 圖6 所示。

2. 3 圖像分析

經過測試,計算出每組濃度梯度試板的平均火焰長度,平均火焰傳播比值,平均失重及平均碳化體積,最后根據防火涂料性能表得出防火涂料的防火等級,如表4 所示。

不同貝殼粉混合比防火涂料防火級別表

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從表4 和圖1 ~ 圖3 中可以得出,當貝殼粉濃度小于10%的時候防火性能保持在一級,但是當貝殼粉濃度超過10% 發現隨著貝殼粉的加入,會導致防火涂料在防火阻燃方面的性能有所減弱。

具體原因分析:

( 1) 雖然貝殼粉燃燒后產生的二氧化碳和氧化鈣能提高防火涂料的性能,但是當配比濃度高于7. 8% 時,木板上單位面積的防火涂料量減少,燃燒后形成的碳化層變薄,火焰傳播的面積變大,導致碳化體積變大,木板被破壞的程度越深,使防火性能的降低。

( 2) 當貝殼粉加入濃度過小的時候,防火涂料中貝殼粉的含量幾乎沒有,比如測試中貝殼粉濃度為1% 的測試組,貝殼粉高溫分解產生的二氧化碳和氧化鈣的量太少,不會對結果產生影響。

 

3 結論

( 1) 貝殼粉與防火涂料的最大配比濃度為7. 8%,一旦超過7. 8%貝殼粉會對防火涂料的火焰傳播值產生負面作用降低防火涂料的防火性能。

( 2) 貝殼粉的濃度不能小于3%,否則不會對防火性能產生任何效果。

( 3) 當貝殼粉的配比濃度在3% ~ 5%之間的時候,混合涂料的的防火性能最好,實際應用中控制貝殼粉配比濃度在3% ~5%為宜。


胡簫,王亞東,葉繼紅,李柯萱( 浙江海洋學院石化與能源工程學院,浙江舟山316022)

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