PMS室外膨脹型鋼結構防火涂料老化與使用壽命預測研究

楊守生，王學寶，陳振邦，孟 濤，馮海生

(1.中國人民警察大學，河北 廊坊 065000； 2.荊州市消防支隊，湖北 荊州 434000)

0 引言

膨脹型防火涂料因其自重輕、涂刷厚度小、美觀性好和良好的施工性能等優點，廣泛用于鋼結構防火保護以及木材、電線電纜等可燃基材的阻燃，推遲或阻止引燃過程，延緩火災蔓延，提高保護基材的耐火極限。其作用機理是成膜物質和膨脹阻燃體系在受熱過程中產生復雜的物理、化學變化形成具有隔熱作用的炭層[1-2]。室外膨脹型鋼結構防火涂料因使用環境因素會受到日光、雪、雨、霧、暴曬和溫差以及酸、堿、鹽霧等的長期作用，其組成成分將產生降解或溶出，導致性能下降，耐久性縮短[3]?？茖W評估防火涂料的耐久性對發揮其保護作用具有積極意義。本文通過人工加速紫外老化試驗及自然暴露試驗研究PMS室外膨脹型鋼結構防火涂料耐老化性能，并對其使用壽命進行預測。

1 實驗部分

1.1 樣品及試件

目前通過消防產品合格評估的室外膨脹型鋼結構防火涂料品種較多，但市場上的產品質量良莠不齊，試驗樣品選擇的是業界公認的涂料，已知其關鍵組分為氨基樹脂、甲基丙烯酸共聚樹脂、聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇，具有優良的耐火性能。

試件：用砂紙將鋼板(Q235普通碳素鋼150 mm×150 mm×2 mm)表面打磨干凈，用無水乙醇等有機溶劑擦去鋼板表面的雜質；待鋼板表面干燥后，根據涂料實際使用要求涂刷一層底漆，底漆干燥后，分多次涂刷防火涂料，干燥后測其實際涂層厚度。

1.2 試驗儀器

紫外老化試驗機KW-UV3，承德鑫馬測試儀器有限公司(使用UVA-351燈管，光譜范圍275～390 μm)；色差儀NR20XE，三恩公司；ZQS6-2000高精度粘結強度測試儀，北京盛世科技有限公司；防火涂料耐火極限測試儀(自制)等。

1.3 老化試驗

1.3.1 人工加速紫外老化試驗

試驗條件參考GB/T 14522—2008[4]，設定紫外輻射強度為1.55 W·m-2，輻射時黑板溫度為50 ℃。老化周期為200，400，800，1 600 h。

1.3.2 自然暴露試驗

將試件固定在如圖1所示的試驗架上，置于河北廊坊武警學院2號試驗樓樓頂，朝南放置。室外暴露規定時間取樣測試。

圖1 室外暴露試驗實物圖

1.4 測試方法

1.4.1 色度測量及色差計算

色度是不包括亮度在內的顏色的性質，它反映的是顏色的色調和飽和度。依據GB/T 11186[5]測量試樣表面的色度，按照五點采樣法，5次后取平均值，作為試樣的色度。將老化后試樣的色度與老化處理前試樣的色度按公式(1)計算色差，得到老化前后樣品的色差變化值。

1.4.2 粘結強度測試

參照JGJ 110—2008[6]進行測試，記錄粘結力峰值，測量脫落面積，根據公式(2)計算粘結強度。

粘結強度(MPa)=

脫附拉力(N)/脫附面積(mm2)

(2)

1.4.3 耐火極限測試

耐火極限測試采用自制的防火涂料耐火極限測試裝置，如圖2所示。其內部溫度按照ISO834標準升溫曲線升溫，如圖3所示，背溫熱電偶示數達到300 ℃時停止試驗，并記錄所需時間即為防火材料的耐火時間。涂層厚度及基材對防火涂料耐火極限影響較大，為便于比較分析，扣除基材與涂料厚度對結果的影響，定義防火涂料的折算耐火性能如式(3)、式(4)。

折算耐火時間(min)=[樣品耐火極限(s)-帶漆鋼板耐火極限(s)]/60

(3)

折算耐火性能(min·mm-1)=折算耐火時間(min)/涂料平均厚度(mm)

(4)

圖2 防火涂料耐火極限測試裝置

圖3 升溫曲線

2 結果與討論

2.1 人工加速老化與PMS涂料涂層性能的關系

2.1.1 色差變化

對老化不同周期的試件測試色度，經計算得色差值，如表1所示?？梢?，PMS防火涂料的色差變化呈現出先上升后下降的趨勢，可能因為在老化時間段紫外線使顏填料發生褪色泛白，涂料白度增加，長時間輻照使得樹脂降解老化泛黃，使涂料白度下降。

表1 PMS紫外老化不同時間下的色差值

2.1.2 粘結強度變化

室外型涂料由于長期暴露在室外，其附著能力是保證其牢固附著在基材上的重要指標。圖4為PMS防火涂料粘結強度隨老化時間的變化圖，可見老化時間越長粘結強度越低，紫外線使樹脂降解失去粘結性。

圖4 PMS防火涂料粘結強度隨老化時間變化規律

2.1.3 耐火性能的變化

對不同老化周期的試件測試其耐火極限，利用式(3)、式(4)計算折算耐火時間和折算耐火性能，如表2所示。

將表2的老化時間與折算耐火性能作散點圖，并將散點進行擬合得耐火性能隨老化時間衰減的經驗計算式：y=-0.0393x+104.1。從圖5發現，PMS防火涂料隨著紫外老化時間的增長，其耐火性能呈線性下降。這種下降源于涂層受紫外線作用后形成炭層的膨脹倍率下降，如圖6所示。

表2 PMS防火涂料紫外老化不同時間后的耐火性能

圖5 老化時間與折算耐火性能的關系

2.2 PMS防火涂料自然暴露試驗對性能的影響

2.2.1 外觀及色差變化

圖7、圖8分別為試件自然暴露前后的對比圖，顯示涂層嚴重變黃、出現開裂，表明PMS防火涂料在室外暴露500 d后，已經出現老化現象。表3顯示其色差的變化呈現出先慢后快再慢的色差變化速率，即S型的趨勢，采用Logistic曲線對色差進行擬合，得到涂料的色差與老化時間的關系式：y=32.67/(1+5517e-1.189/x)。

圖6 PMS防火涂料膨脹倍數隨老化時間的變化

圖7 自然暴露前PMS防火涂料形貌照片

圖8 自然暴露后PMS防火涂料形貌照片

表3 自然暴露后PMS防火涂料涂層色差變化情況

2.2.2 自然暴露后防火涂料耐火極限的變化

表4為老化前后PMS防火涂料耐火性能?？梢钥闯觯琍MS防火涂料自然暴露后防火性能顯著下降，經500 d自然老化后，其折算耐火性能平均下降了67.1%。

2.3 人工加速老化與自然暴露老化相關性及涂料使用壽命預測

采用耐火性能作為防火涂料老化的判定依據，建立自然暴露老化與人工加速老化相關性關系，借GB 14907—2002要求防火涂料經過耐候性后的耐火性能衰減不大于35%，因此將折算耐火性能下降35%作為防火涂料達到壽命終止的判斷依據。確定防火涂料折算耐火性能下降35%所需人工加速老化的時間，即人工加速老化壽命，經倍率關系折算即可獲得涂料使用壽命。PMS防火涂料90 ℃人工加速紫外老化耐火性能下降35%需要927 h，經計算獲得PMS防火涂料在自然老化時耐火性能下降35%，即達到壽命所需時間為927×13.5=12 514 h，約1.4 y。

表4 PMS防火涂料自然暴露后耐火性能變化

此估算涂料使用壽命。將人工加速老化與自然暴露老化試樣的折算耐火性能與老化時間作圖，獲得耐火性能與老化時間的關系，如圖9所示。

圖9 人工加速與自然暴露老化的PMS

根據圖9計算人工加速老化達到自然暴露老化同樣的耐火性能所需的時間，分別為745 h、1 029 h，取兩者平均值為887 h。這2個試樣實際經歷了500 d的老化，即自然老化12 000 h相當于在90 ℃下人工加速老化887 h，人工加速老化的老化速率是自然老化的13.5倍。

3 結論

通過試驗研究，可得結論：(1)紫外線對PMS防火涂料涂層性能影響顯著，涂層的色差變化呈現出先上升后下降的趨勢，粘結強度和耐火性能隨照射時間延長而明顯下降。(2)PMS防火涂料室外自然暴露后涂層表面開裂、變黃，耐火性能下降顯著。經500 d自然老化后，其折算耐火性能平均下降了67.1%。(3)PMS防火涂料人工加速老化與自然暴露老化具有相關性，人工加速老化速率是自然老化的13.5倍。根據自然暴露老化試驗和人工加速老化試驗數據擬合的數學模型預測其使用壽命為1.4 y。