水性透明木結構防火助劑的阻燃機理研究*

容七英，劉 嘯，陳 勇

(1 江西龍正科技發展有限公司,江西贛州 341000；2 中鐵十四局集團第二工程有限公司,山東泰安 271000；3 中鐵建昆侖資產管理有限公司,北京 100040)

木結構在防火處理過程中需要使用阻燃涂層進行防火處理,而為了強化木結構本身的材質表達效果,在裝潢藝術表達過程中加強木結構的裝潢建筑美學特征,需要涂層具備足夠的透明特征。所以,研究水溶性透明木結構防火助劑的防火性能,使美學表達需求和阻燃工程需求得到同時滿足,是該研究的重點[1-3]。

當前技術體系下,水溶性透明防火涂料的可選助劑較為多樣,如聚磷酸銨(JLS-APP)、季戊四醇(PER)、三聚氰胺(MEL)等,這些材料單獨使用即具備較為有效的防火性能,也可以在配比條件下聯合使用,且其透明性好,裝潢建筑美學表達過程中可以充分體現木結構的材質紋理,符合前文需求[4]。

該研究重點針對上述三種水溶性透明木結構防火助劑的應用效果,研究其在不同配比和不同用量條件下的阻燃性能,在實驗室條件下對其進行試驗結果數據比較分析[5]。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

作為易燃材料,選擇實木復合板材樣品,采用18mm 西林E0 家裝實木復合板材加工試驗用試樣,試樣厚度18mm,加工為正方形試樣,面積300×300 mm,表面使用不同配比的水溶性透明防火助劑,用作阻燃試驗。

參與試驗的水溶性防火助劑共涉及3 種,包括:1)聚磷酸銨(JLS-APP),工業級,杭州杰爾斯,聚合度n>1000；2)季戊四醇(PER),化學純,上海試劑一廠；3)三聚氰胺(MEL),分析純,天津博迪。

1.2 試驗方法

采用垂直燃燒法進行阻燃試驗,在試驗臺座上固定經過水溶性透明阻燃涂料噴涂保護的易燃材料試樣,使用酒精噴燈距離70mm 對其進行垂直燃燒,使用秒表記錄其阻燃時間。試驗系統如圖1 所示。

圖1 試驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of test system

圖1 中的垂直燃燒法為阻燃性能測試的國際通用標準方法,該方法可以對阻燃材料進行阻燃時間的測定,但因為其受控性有不足,所以其測量誤差約為±5%,可以作為阻燃試驗的半定量研究方法。因為實際燃燒過程并非完全垂直燃燒,所以,該方法的測量結果本身并不完全貼合現場燃燒效果,所以,該誤差完全可以被現場實際環境帶來的燃燒誤差相平衡。在相關研究中,涂層阻燃性能的實際研究多采用計算機仿真分析法進行研究,但計算機仿真分析法也需要該試驗提供參照數據[6]。該試驗標準為GB 12441-1998《飾面型防火涂料通用技術條件》。

1.3 試驗環境及試驗用材料初步測試

通過上述試驗標準和試驗系統,首先對不同涂料的噴涂性能和耐火時間進行測定,得到表1 和表2 測試結果。

表1 防火涂層耐火時間測定結果Table 1 Test results of fire resistance time of fireproof coating

表2 涂料性能測試結果Table 2 Coating performance test results

表2 中的防火涂料為成炭劑APP、三聚氰胺復合材料,為水溶性透明木結構阻燃涂料。由表2 可看出,該防火涂料基本滿足GB 12441-1998 技術指標要求,且性能較該技術條件有所提升。

1.4 統計學方法

根據不同試驗條件,以相關組分涂層材料的耐火時間為縱軸,以相關材料的質量分數占比為橫軸,構建統計學狀態空間。基于狀態空間多項式回歸函數的狀態擬合,分析其變化規律,尋找不同材料及相關材料質量分數占比條件下的最優耐火時間表達[7-8]。

試驗中,對涂層在耐火阻燃過程中的實際工程學表現進行肉眼觀察,記錄其燃燒過程中的反應現象,分析其數據表現的實際作用機理[9]。

2 結果及討論

2.1 聚磷酸銨對耐火時間的影響

采用聚磷酸銨(JLS-APP)作為成炭劑,聚合度n>1000,晶型為II 型,其具有較強的防水性和分散性,確保水溶性涂料噴涂后的耐水性達到GB 12441-1998 要求。因為其同時具有膨脹性,且其膨脹后涂覆表面的附著力和碳質層穩定性較強,可以有效避免涂料涂覆層遇高溫膨脹后的起皺或者脫落,可以確保阻燃涂料的穩定性和可靠性。

試驗中,采用不同配比的聚磷酸銨(JLS-APP)進行涂覆處理,涂層厚度約為0.70mm,在前文介紹的垂直燃燒試驗系統中考驗其涂層耐火能力,得到圖2 結果。

圖2 聚磷酸銨(JLS-APP)對耐火時間的影響曲線Fig.2 The infl uence curve of JLS-APP on the fi re resistance time

圖2 中,隨著JLS-APP的用量(質量分數)增加,涂層耐火時間呈現倒U 型關系,即當JLS-APP 用量增加到質量分數25% 以下時,其用量增加會大幅度提升材料耐火時間,使耐火時間從16.3min 增加到36.2min 以上。而當JLS-APP 用量增加到質量分數35% 以上時,其用量增加會導致涂層耐火時間下降[10]。

試驗觀察中,當JLS-APP 用量較少時,涂層碳質化程度不足,涂層的樹脂化過程不徹底,無法使成炭PER脫水催化過程完整執行,導致其隔熱層穩定性、附著力缺陷。而當JLS-APP 用量較大時,涂層的固含量增加,涂層的附著力下降,燃燒過程會導致涂層提前膨脹脆化脫落,影響其耐火時間。聚磷酸銨(JLS-APP)的工程學意義在于其燃燒加熱過程中會形成聚磷酸和氨氣,聚磷酸促進發泡劑發泡和碳化層炭化,氨氣與發泡劑MEL釋放的氨氣一起參與涂層膨脹過程,可有效延長涂層的有效耐火時間[11]。

綜合考察JLS-APP 耐火因子影響實驗數據(圖2),當JLS-APP 質量分數為27%～36% 時(中位數32%),可以達到最佳耐火時間。

2.2 三聚氰胺對耐火時間的影響

三聚氰胺(MEL)作為發泡劑。試驗中,采用不同配比的三聚氰胺(MEL)進行涂覆處理,涂層厚度約為0.70mm,考察其耐火能力,得到圖3 結果。

圖3 三聚氰胺(MEL)對耐火時間的影響曲線Fig.3 Effect curve of MEL on refractory time

圖3 中,隨著MEL 用量增加,涂層耐火時間出現倒V 型關系,當三聚氰胺用量(質量分數)在18% 以下時,涂層耐火時間隨著其用量增加而快速增加,從MEL質量分數15% 左右的26.7min 快速提升至MEL 質量分數18% 時的45.3min。但當MEL 用量(質量分數)超過18%后,隨著其用量增加,涂層耐火時間快速下降[12]。

試驗觀察中,三聚氰胺(MEL)的耐火特性在于其燃燒加熱過程中會形成比熱容較大的氨氣釋放到燃燒接觸面,對燃燒接觸面進行降溫,當MEL 含量較低時,其分解產生的氣體量較少,難以發揮氨氣的比熱容蒸發作用,且容易造成燃燒接觸表面的碳層沉積。而當MEL 含量較高時,因為其燃燒加熱過程中產生的氣體量較大,導致涂層膨脹離層和提前脫落。且MEL 添加過量后,涂層硬度變軟,影響阻燃過程中的碳化層質量[12]。

綜合考察MEL 耐火因子影響實驗數據(圖3),當MEL 質量分數為18% 時,可以達到最佳耐火時間。

2.3 季戊四醇對耐火時間的影響

季戊四醇(PER)作為成炭劑兼涂層骨料。試驗中,采用不同配比的季戊四醇(PER)進行涂覆處理,涂層厚度約為0.70mm,考察其耐火能力,得到圖4 結果。

圖4 季戊四醇(PER)對耐火時間的影響曲線Fig.4 Effect curve of PER on fire resistance time

圖4 中,當季戊四醇(PER)用量增大時,涂層耐火時間數據呈現倒V 型關系,當PER 質量分數為12%時,其耐火時間最大達到46.8min,而隨著PER 質量分數增大或減小,其耐火時間均會快速降低[12]。

試驗觀察中,季戊四醇(PER)作為耐火涂層成炭劑兼骨料形成涂層樹脂化結構的同時,在燃燒加熱過程中,也會與聚磷酸銨(JLS-APP)發生聯合匹配作用,對碳質層的厚度、致密度、強度產生聯合作用,構成耐火過程的主要隔熱阻燃作用。當PER 用量增加時,因為其材料熱化學特性,可能造成耐火涂層的膨脹滑移,導致涂層出現流動性,從而影響涂層的耐火性能。PER 作為成炭劑兼耐火涂層骨料且與脫水成炭作用催化劑、發泡劑聯合作用,其作用機理較為復雜,但其用量對耐火涂料的統計學關系較為明晰[14]。

綜合考察PER 耐火因子影響實驗數據(圖4),當PER 質量分數為12%時,可以達到最佳耐火時間。

2.4 耐火涂料成分的最終確定

采用聚酯樹脂(PR)作為成膜材料,對上述功能組分含量總配比在垂直燃燒試驗系統中進行實際燃燒試驗。在功能組分的不同總質量分數條件下,觀察燃燒過程中的阻燃涂層表現,得到表3 結果。

表3 功能組分的質量分數配比表現結果Table 3 Results of mass fraction ratio of functional components

表3 中,當功能組分占比達到60%～65% 時,可以在燃燒阻燃過程中產生致密的發泡層和穩定的碳化層,其阻燃效果較好,阻燃時間為51～54 min。而在其他配比條件下,如功能組分質量分數較高時,容易造成粘結性下降,碳層不穩定,功能組分質量分數較低時,容易造成發泡時間較早或發泡層蓬松的缺陷。

綜合考慮前文分析,聚磷酸銨(JLS-APP)最佳質量分數為27%～36%時(中位數32%),三聚氰胺(MEL)最佳質量分數為18%,季戊四醇(PER)最佳質量分數為12%。該耐火涂料最終成分確定結果見表4。

表4 耐火涂料成分的最終確定結果Table 4 Final determination results of refractory coating composition

表4 中,功能組分采用JLS-APP+MEL+PER的構成模式,其質量分數分別為32%、18%、12%,即JLSAPP:MEL:PER=16:9:6,以上質量分數共計占該耐火涂料的62%,涂料輔料適用聚酯樹脂(PR)。聚酯樹脂的熱穩定性較好,燃燒加熱過程的化學穩定性較強,在固化劑、炭化劑的合理添加劑配比條件下,其可以輔助涂料形成穩定的工程力學結構。

3 總結

采用實驗室垂直燃燒試驗對水性透明木結構耐火涂料涂層進行耐火性和最佳成分確定分析,發現在聚酯樹脂(PR)輔料(成膜材料)條件下,功能組分采用JLSAPP+MEL+PERR的結構模式,聚磷酸銨(JLS-APP)最佳質量分數為27%～36% 時(取中位數32%),三聚氰胺(MEL)最佳質量分數為18%,季戊四醇(PER)最佳質量分數為12%。該涂料一次噴涂成型厚度約為0.90mm 時,耐火時間約為51～54 min,且透明性較好,同時裝潢建筑美學表達效果較好。