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超薄膨胀型钢结构防火涂料防腐性研究
2006年7月6日 11:11  来源:公安部四川消防研究所  作者:覃文清

    0 引言

    随着我国大型建筑,如展览馆、候机楼、大型商场和高级宾馆及工业厂房等不断增多,采用钢结构的建筑不断增加,钢结构的火灾隐患和腐蚀是人们越来越关注而且必须解决的严重问题。因此,必须对钢结构进行防火保护和防腐处理。

    虽然钢材自身不燃,但其自身导热性好,用其作为建筑承重构件时有着极大的火灾隐患。一般来说,钢材的机械强度随温度的升高而降低,根据国内外有关资料报道及有关机构的试验和统计数字表明,当钢材的温度升高到500℃以上时,会因强度下降而失去支撑力,一旦钢结构建筑发生火灾时,则往往会导致建筑物垮塌。因此,必须对钢结构进行防火保护,以提高其耐火极限。对钢结构进行防火保护有多种形式和措施,其中使用防火涂料是一种简单有效的方法。钢结构防火涂料喷涂在钢构件表面,起防火隔热保护作用,防止钢材在火灾中迅速升温而强度降低,避免钢结构失去支撑能力而导致建筑物垮塌。

    众所周知,钢结构不采用有效的防护措施,很容易产生锈蚀,钢材及金属腐蚀除了给人类带来经济上的损失外,甚至还会危及人身安全。因此,工程上钢结构都必须进行有效的防腐处理,以延长使用寿命。人们在生产实践和科学实验中开发了许多对钢结构进行防火保护和防腐蚀的方法,其中以涂料保护最为方便、经济,因而获得了广泛的应用。

    目前,从钢结构防火涂料品种来看,大多还没有同时兼具防腐蚀的功能,深入开展钢结构防火涂料防腐性能的研究,使钢结构防火涂料同时兼具防腐保护性能,将是钢结构防火涂料研究领域的一个重大突破。公共娱乐场所、体育馆、候机厅、展览馆、电视塔、商贸大厦、大型工业厂房等大跨度建筑物和超高层建筑物等广泛采用钢结构,其结构设计的出发点之一就是要保证一定的美感,在使用防火涂料后对其外观的影响应越小越好。因而涂层薄、耐火极限高,同时具有长期耐候性、耐磨性、耐冲击性、重防腐蚀性等高性能,并且无毒、无环境污染,使钢结构防火涂料兼具防火、防腐和装饰多重作用,将成为钢结构防火涂料发展的方向。

    1实验研究部分

    1.1钢材腐蚀机理

    钢铁腐蚀主要是电化学腐蚀。钢材在冶炼时,常常加入碳及其他元素。由于基体铁元素与其他元素各自的标准电极电位的不同,而形成腐蚀微电池的两极,当大气中的水分、氧气等介质被吸附于钢材表面时,无数个腐蚀微电池的两极便接通了,因此发生腐蚀的电化学反应。

    从能量变化的观点看,金属遭受腐蚀之后,把内部的化学能转变成电能(电化学腐蚀)或热能(化学腐蚀)。结果使金属从热力学不稳定的原子态转化为热力学稳定的离子态,金属的能量降低。显然,这是一个自发的过程。因此,要防止钢铁生锈,就必须设法阻止其表面腐蚀电池的电化学反应过程,或者以一种电极电位更低的金属原子代替铁原子作为阳极,使铁原子作为阴极而受到保护。

    超薄膨胀型钢结构防火涂料在进行配方设计时,在原材料和树脂的选择及搭配上,不仅考虑其应具有高效的防火性能,而且还要考虑它的防腐蚀作用。在防腐方面,正是按照上述机理进行合理设计的。

1. 2  树脂的影响

    在防火涂料的研究中 , 对树脂的选用应考虑并兼顾涂层的防火隔热性、防腐性及装饰性 , 所选用的树脂不仅要使防火涂料有很好的防火效果 , 还需要从应用的角度出发 , 要具有耐水性、耐酸碱性、防霉性和防腐蚀性。防火涂料能否经久耐用 , 主要是取决于成膜物质对氧、水的稳定性如何 , 以及涂料组成中是否含有油脂、蛋白质和碳水化合物等细菌食料。其中 , 成膜物质的耐水性能尤其重要 , 耐水性好 , 漆膜被水解的可能性就小 , 对酸碱和腐蚀的抵抗能力就强。丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、氯化橡胶等都可作为不同防火体系防火涂料的基料。对不同类型树脂的防火涂料性能特性分析观察可知 , 热塑性常温干燥型丙烯酸树脂涂料具有优良的耐候性、保色性、耐水性及耐腐蚀性 , 其主要缺点是耐热性差、硬度较大、软化点较低等 ; 聚氨酯涂料具有优异的防腐蚀性能、附着力、耐候性、耐高温性及良好的耐化学品性和很好的物理机械性能 , 聚氨酯树脂能与多种树脂拼用 , 因此 , 聚氨酯涂料不仅广泛应用于普通防腐蚀领域 , 而且在重防腐蚀涂料中也占有一席之地 , 其主要缺点是涂料中常含有较多的游离异氰酸酯 , 对人体有害 , 施工操作易引起层间剥离、起小泡等 ; 氯化橡胶分子结构饱和 , 无活性化学基团 , 耐候性及化学稳定性好 , 有一定的耐酸碱腐蚀性 , 水蒸气渗透性低 , 耐水性、耐盐水性、耐盐雾性好 , 与富锌漆配合 , 具有长效防腐蚀性能。氯化橡胶的热分解温度为 130 ℃ , 但在潮湿环境下 60 ℃ 即开始分解 , 因此使用温度不能高于 60 ℃ 。其含氯量高 , 阻燃性好 , 且在潮湿条件下可防霉。工业生产的氯化橡胶一般氯含量为 67 %, 单独用于涂料时 , 漆膜较脆 , 附着力不好 , 不耐紫外线 , 易老化。也就是说 , 用一种单一树脂作基料的防火涂料其性能都会存在某种较大的缺陷。而对单一树脂进行改性可以提高涂料的性能 , 比如 , 用酚醛树脂醇酸树脂、丙烯酸树脂等对氯化橡胶进行改性 , 可克服氯化橡胶涂膜硬而脆的缺陷 , 使之成为重要的重防腐蚀涂料。为了发挥不同树脂的优点 , 克服其性能不足之处 , 我们进行了用氯化橡胶、聚氨酯改性丙烯酸树脂技术探索的研究 , 采用了在含磷酸酯基的丙烯酸类树脂分子结构中引入聚氨酯等其它基团的共聚法 , 以提高树脂耐腐蚀性、耐水性、耐候性和在高温下与钢材的粘接性。由于丙烯酸酯类单体中加有一定比例的羟乙基丙烯酸酯 , 因此所形成的共聚单体中含有一定比例的羟乙基。

    含有羟乙基的共聚高分子中的羟基再与聚氨酯中的游离异氰酸酯加成反应即制成聚氨酯改性丙烯酸树脂。

    实验研究表明 , 用改性后的丙烯酸树脂配制的钢结构防火涂料 , 除了具有高效的防火隔热性能外 , 还有优异的防腐蚀性能。涂膜装饰性更强、耐候性、耐化学品性以及耐热性更加优异 , 受火时涂料与钢材的粘结性、发泡层密实度都大大提高。

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