为了提高钢结构的耐火极限,减缓钢结构在火灾中承载能力的损失速度,避免钢结构建筑和设施在火灾中因坍塌造成的人员伤亡,有必要对钢结构进行防火保护。目前对钢结构防火保护有多种方法,其中在钢结构表面涂刷防火涂料是最简单而有效的方法,已在很多领域得到了推广应用[1,2]。在现代生活中,噪音是影响人们生活质量的又一重要因素,人们已研究并开发出多种解决振动和噪音问题的方法和技术措施,其中阻尼涂料是控制结构共振和降低噪音的一种重要手段[3,4]。目前对建筑和设施进行防火和降噪,最有效的方法都是涂刷涂料。但如果将这2种涂料分别施工,不仅费工费时,而且存在涂料相容性和配合性的问题,影响了它们的实际应用效果。市场上未见同时具备这两种功能的涂料的报到,为此,本研究旨在开发一种同时具备防火性能和阻尼性能的水性双功能涂料。
本研究在水性防火涂料配方的基础上通过采用不同玻璃化转变温度的乳液进行共混,并添加纤维状的碱式硫酸镁晶须,以期在保持涂料防火性能的基础上提高涂料阻尼性能。讨论了乳液和碱式硫酸镁晶须用量对涂料防火性能和阻尼性能的影响和作用机理,确定了水性防火阻尼双功能涂料的适宜配方。
1 实验部分
1.1 主要原料
苯丙乳液(S1):296DS型,Tg=22 ℃,工业级,巴斯夫公司;丙烯酸酯乳液(S2):S400F型, Tg=-8 ℃,工业级,巴斯夫公司; 聚磷酸铵(APP):工业级,山东世安化工有限公司;三聚氰胺(MEL):工业级,山东鲁明化工有限公司;季戊四醇(PER):化学纯,国药集团化学试剂有限公司;二氧化钛(TiO2):工业级,R-902+型,美国杜邦公司;可膨胀石墨(EG):工业级,808型,河北保定市艾可森碳素制品有限公司;碱式硫酸镁晶须(MHSH):工业级,平均直径<1 μm,平均长度10~60 μm,长径比>30,密度为2.3 g/cm3,辽宁营口康如有限公司。
1.2 试样制备
按照表1涂料配方称取除乳液之外的组分,置于容器中,再加入适量水,用玻璃棒搅拌均匀。采用高速搅拌机将该浆液高速搅拌分散20 min,转速约1 000 r/min。再使用三辊机研磨2次,得到均匀细腻的浆液。最后在低速搅拌(约100 r/min)下缓慢加入乳液,搅拌20 min,得到涂料样品。
表1 添加S2的涂料配方Tab.1 The formulations of coatings with S2 |
 |
参照GB 14907—2002《钢结构防火涂料》规定,首先用砂纸将钢板(35#碳钢,150 mm×70 mm×1 mm)打磨除锈,然后将制得的水性防火阻尼涂料涂刷在钢板上,倾斜45°静置,自然晾干。24 h后再次涂刷。重复上述涂刷过程直至涂层厚度达到(2±0.1)mm。自然养护1周后即可进行各项性能测试。
1.3 性能测试与结构表征
1.3.1 涂料及炭层结构的微观形貌观察
采用场发射环境扫描电子显微镜(FESEM,Quanta 200 FEG型,荷兰FEI公司)在30 kV交流电压下进行。
1.3.2 聚合物胶膜和涂层的阻尼性能测试
将完全干燥的胶膜或涂层裁成尺寸为 4 cm×4 mm×3 mm,采用动态热机械分析仪(TADMAQ800型,美国 TA 公司)测试。测试条件:压缩模式,液氮冷却,温度范围-20~60 ℃,升温速率3 ℃/min,频率5 Hz。
1.3.3 涂料的防火性能测试
防火性能测试的装置如图1所示。将按1.2节制得的涂料样板置于煤气灯的还原焰上灼烧,用测温仪(Center 305型,台湾群特有限公司)测量并记录样板背面的温度。防火性能测试结束后,用游标卡尺测量多个受火点的厚度,按式(1)计算防火涂料的膨胀倍率I。每个样品测试3次,取平均值。
I=
式中:d0 —钢板的厚度,mm;d1—测试涂料样板的厚度,mm;d2—防火性能测试后样板的厚度,mm。
2 结果与讨论
2.1 在水性防火涂料中引入阻尼性能的思路
黏弹性是高分子材料的一个重要特性。当振动或噪音作用在高分子材料上时,机械振动能被转化为大分子链或链段的运动,通过分子间的内摩擦将力能转化为热能,从而起到阻尼效果。在通常情况下,玻璃化转变温度附近链段能充分运动,但又跟不上交变应力作用的频率,因此会产生滞后现象,亦即在玻璃化转变区内出现一个内耗的极大值。高分子材料在受到交变力的作用下发生的滞后现象和力学损耗是其产生阻尼作用的根本原因。将应变落后于应力的相角差δ称为力学损耗角,并用力学损耗角正切tanδ来表示内耗的大小,称为损耗因子。
E*=E'+iE″
tanδ=E″/E'
式中:E'—实数模量,又称储能模量,表示应力作用下能量在试样中的贮存;E″—虚数模量,又称损耗模量,表示能量的损耗。
2.2 S2用量对涂料防火和阻尼性能的影响
由以上实验数据可见,适当添加低玻璃化转变温度的乳液,有助于拓宽涂料的阻尼温域,同时又保持一定的防火性能。但实验中也发现,添加S2乳液后,涂层燃烧后发泡层较软,容易脱落;低温区(<10 ℃)的阻尼性能虽然大幅提高,但高温区(>30 ℃)的阻尼性能尚不理想。
为了进一步改善涂料的防火及阻尼性能,考虑加入增强填料碱式硫酸镁晶须MHSH,一方面提高涂层燃烧后发泡层的硬度和强度,进而提高其防火性能;另一方面通过加大聚合物与填料间的摩擦和填料与填料间的摩擦,从而改善涂料的高温阻尼性能[13]。
2.3 碱式硫酸镁晶须对涂料防火和阻尼性能的影响
2.3.1 碱式硫酸镁晶须用量的影响
碱式硫酸镁晶须是一种针状单晶体材料,直径是亚微米和纳米级尺寸,长度几微米到几十微米,由于其晶体结构十分完整,因此具有极高的力学强度,目前作为塑料、涂料和陶瓷等材料的增强改性添加剂,已经得到较广泛的应用[14]。
表4 MHSH用量及形状对涂料的膨胀倍率和背温数据的影响Tab.4 The effect of MHSH content and shape on the intumescent rate and backside temperature data of the coatings |
 |
表5 MHSH用量及形状对涂料阻尼参数的影响Tab.5 The effect of MHSH content and shape on the damping parameters of the coatings |
 |
图4是MHSH和其在发泡层中形貌对比的SEM照片。
2.3.2 碱式硫酸镁形状对涂料防火和阻尼性能的影响
表6 MHSH形状对涂料膨胀倍率和背温数据的影响Tab.6 The effect of MHSH shape on the intumescent rate and backside temperature data of the coatings |
 |
表7 MHSH形状对涂料阻尼参数的影响Tab.7 The effect of MHSH shape on the damping parameters of the coatings |
 |
2.3.3 MHSH对涂料阻尼性能影响的机理分析
阻尼作用实际上是涂料内部聚合物分子间的摩擦和填料分子与聚合物分子间的摩擦的共同作用。根据损耗因子的定义,材料的阻尼性能是损耗模量和储能模量共同作用的结果[16]。与聚合物基体相比,刚性填料通常具有较高的模量,因此涂料的储能模量会得以提升。
图6是涂料的内部结构扫描电镜照片。
从图6(a)可见,特殊的针状结构会使MHSH扎入聚合物基体,与基体结合。当涂料受到周期性外力作用时,MHSH可通过振动接收并传递能量,并且与聚合物之间产生内摩擦作用而增加能量的消耗,从而提高了材料的阻尼值。因此在MHSH晶须含量较低时,体系的损耗因子随MHSH晶须含量的增加而增大。
另外,从图6(c)可以看出,粉末状的碱式硫酸镁晶须在涂料中分散较均匀。相比之下,其颗粒之间以及与聚合物链之间的相对运动较纤维状的MHSH容易得多,对聚合物分子链运动的阻碍作用也不显著,因此对涂料阻尼性能的影响远不如纤维状的MHSH显著。
3 结 语
(1)在防火涂料的基础上加入玻璃化转变温度为-8 ℃的乳液S2,随着乳液加入量的提高,涂料的防火性能有所下降;玻璃化转变温度区域向低温移动,阻尼温域明显增加。当S2加入量为24%时,涂有样品的钢板燃烧1 h后背部温度为286 ℃,发泡倍率为12.4倍,仍具有较优异的防火性能。但涂料燃烧后的发泡层较软,易脱落。而涂料的损耗因子峰值为0.481,tanδ> 0.3的温域为-5.2~35.3 ℃,表现出一定的阻尼性能。
(2)MHSH的加入使得涂料的防火性能和阻尼性能均有所提升。在加入24%S2的基础上,加入3%的MHSH,涂料燃烧1 h后的钢板背部温度降低为256 ℃,发泡倍率可达14.0倍,表现出更优异的防火性能。涂料的损耗因子峰值为0.518,tanδ>0.3的温域为-2.0~49.3 ℃,表明MHSH的加入对涂料阻尼性能亦有较显著的提高。但当MHSH加入量超过3%之后,涂料的防火性能和阻尼性能均反而有所下降。将碱式硫酸镁晶须研磨后加入涂料,对防火性能提升并不明显,而对阻尼性能反而有不良影响。
(3)MHSH的形状对涂料的防火性能和阻尼性能有较大的影响。纤维状的MHSH对提高涂料防火性能和阻尼性能均有较明显的作用。但研磨成粉末状后,碱式硫酸镁的加入对防火性能的影响不显著,而涂料的阻尼性能却反而下降。