2023-11-28
 
高温下非膨胀型防火涂料粘结剂热膨胀性能
2023年11月28日   阅读量:698

0 引 言

防火涂料要达到防火要求,须同时满足完整性、隔热性的要求。完整性要求防火涂料在整个火灾过程中须保持防火涂层的持续完整。构成非膨胀型防火涂料的主要组份为粘结剂、耐火填料和隔热填料涂料在线coatingol.com。粘结剂不仅将防火涂料的耐火材料和轻质隔热材料粘结在一起,而且将防火涂料束缚到钢结构表面。这要求防火涂料不仅能隔热,而且防火涂料的抗热震性较好,因此,粘结剂作为非膨胀型防火涂料的关键组份之一,抗热震性好,能最大限度保持防火涂料的完整性。


常用的耐高温粘结剂主要有磷酸盐、硅酸盐和硼酸盐等。非膨胀型防火涂料选用性价比较高的硅酸盐粘结剂,该类粘结剂主要含有氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化钠、氧化钙、氧化钛、氧化磷、氧化硫等金属氧化物或非金属氧化物。


从颜色上划分,非膨胀型防火涂料所用的粘结剂一般分为白色和黑色两种。白色粘结剂具有装饰效果,能改善涂料外观;黑色粘结剂价格低,主要用于性价比较高的防火保护场所。


本研究分别选用白色和黑色这两种硅酸盐粘结剂,利用X射线荧光光谱仪分析粘结剂的成份,从理论上分析材料的耐火性能。通过烧结点仪,拍摄加热条件下粘结剂的图像,利用图像软件,计算图像的面积及其收缩率,再绘制粘结剂温度-面积收缩率图,找到高温下步粘结剂的失效规律,以便选择或配制粘结剂。


1 粘结剂成份分析


1.1 粘结剂的成份测定


利用X射线荧光光谱仪分别分析白色粘结剂和黑色粘结剂的成份,结果如表1所示。


表1 粘结剂成份分析

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1.2 粘结剂耐火性能讨论


非膨胀型防火涂料粘结剂中含量>1%的氧化物主要为MgO、Al2O3、SiO2、CaO 和Fe2O3、SO3和CaO。然而SO3高温时变成气体,脱离粘结剂,因此,不应该计为耐火材料的有效成份。而上述其他氧化物含量的比例大小,影响了粘结剂的耐火度。


根据表1成份分析,白色粘结剂中MgO、Al2O3、SiO2、CaO 和Fe2O3的含量之和为96.262%,黑色粘结剂中MgO、Al2O3、SiO2、CaO 和Fe2O3的含量之和为95.899%。如果从氧化物百分比来看,白色粘结剂耐火度大于黑色粘结剂耐火度。


然而,根据晶格能理论,电荷越高,晶格能越大,熔点越高。粘结剂中电荷高且含量高的元素决定了粘结剂的耐火度。粘结剂中含量>1%的耐火氧化物为Al2O3、SiO2和Fe2O3。白色粘结剂中Al2O3、SiO2和Fe2O3的含量之和为16.763%,黑色粘结剂中Al2O3、SiO2和Fe2O3的含量之和为27.008%。根据晶格能分析显示,黑色粘结剂耐火度要大于白色粘结剂。显然,从化学组成分析难以判定粘结剂的耐火性能。


2 粘结剂图像分析


通过成份分析,得出粘结剂耐火度自相矛盾的结论,因此,该分析方法无法用于筛选合适的粘结剂。若采用加热方法分析图像,从图像上分析粘结剂的收缩率,对于选择或设计粘结剂可能更为有效。


2.1 样品制作


首先,按照m(粘结剂):m(水)=100:12的比例,向粘结剂中加入水,充分搅拌成糊状,再将糊状物转入直径10 mm、高10 mm的塑料孔内。用灰刀抹平糊状两端,再用直径<10 mm玻棒捅出成型的粘结剂样品,并置于纸张上,室温下干燥24 h,得到干燥的圆柱状粘结剂样品。


2.2 试验步骤


打开影像式烧结点仪的加热炉托盘,将干燥的粘结剂样品平放于加热炉托盘坩埚正中央,再轻轻地将加热炉托盘推入加热炉内;


接通影像式烧结点仪电源,启动操作软件,通过主界面将加热程序设置为10 ℃/min,加热温度调为1200 ℃,拍摄图像频率为每隔10 ℃拍摄1次;


转动摄像头,使待加热的样品处于显示屏中间,调整焦距,直到能看到清晰的待加热样品;


在摄像头与加热炉连接线之间,放置摄像头保护器;


打开加热炉电源,加热样品;


当加热温度达1200 ℃,停止加热并保存图像数据。


2.3 图像处理


打开图像处理软件


提取各温度点的图像(见图 1)


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图 1 高温下的粘结剂图像


使用折线连接样品图像的边界


通过主界面的分析菜单,计算图像的像素


重复2-4步骤,分别统计不同温度下的图像像素


2.4 数据处理


根据图像处理软件的温度和像素表格,以温度为横坐标,以400 ℃时的图像像素为基本单位,计算各温度点图像像素与400 ℃时的图像像素收缩百分比,如式(1)所示。

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以温度为横坐标,以面积收缩率为纵坐标,绘制粘结剂的温度-面积收缩率图形。


3 结果与讨论


3.1 白色粘结剂高温膨胀性能


从400 ℃开始,每隔10 ℃拍摄白色粘结剂在高温炉中图像(见图2)。   

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图 2 高温时白色粘结剂图像


从图2中可以看出,随着温度的升高,白色粘结剂图像颜色在变浅,外观裂纹在减少,体积在减少。因此,仅仅从图像中,难以判定白色粘结剂的耐火温度。以温度为横坐标,以面积收缩率为纵坐标,绘制白色粘结剂的温度-面积收缩率图形(见图3)。


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图 3 白色粘结剂温度-面积收缩率


从图3看出,当白色粘结剂温度从400 ℃升至650 ℃时,粘结剂体积逐渐减小,减少量最大值为400 ℃面积的6.7%.这是因为水化的白色粘结剂在300 ℃时结合水开始脱去;当温度达到500 ℃时,粘结剂中石英晶体晶型转变,体积膨胀,产生的小裂纹开始增大;同时粘结剂的结合水脱离,体积逐渐减小;当温度升至640 ℃时,结合水全部释放出来,粘结剂体积达到最低值;当温度从640 ℃升至860 ℃时,白色粘结剂体积逐渐增加,这是因为白色粘结剂中的硅酸盐中石英晶型发生改变,石英由β石英转变为α石英时,其晶体结构中两个Si-O四面体连接拉直成180°,石英的体积膨胀率剧增,继续加热到860 ℃时,α石英转变为磷石英, 石英体积膨胀率会再次剧增,缩小的图像面积只有400 ℃时的1.5%;当白色粘结剂温度从860 ℃升至1150 ℃时,白色粘结剂中含KO、NaO等低熔点氧化物发生熔融以及挥发物SO3的溢出,白色粘结剂体积急剧缩小,当温度升到1200 ℃时,其图像面积收缩率为400 ℃时的5%。


从上述分析可看出,在加热过程中,白色粘结剂经历了一个急剧收缩、缓慢收缩和再急剧收缩过程。当温度升至860 ℃左右,图像面积收缩最平稳;温度>860 ℃收缩加剧,该阶段使得防火涂层应力增加,当应力增加到极限,涂层出现裂纹,导致涂层防护失效。


3.2 黑色粘结剂高温失效规律


从400 ℃开始,每隔10 ℃拍摄黑色粘结剂在高温炉中图像,如图 4所示。

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图 4 高温时黑色粘结剂图像


从图4中可以看出,随着温度的升高,黑色粘结剂图像体积在增大,但增大的数值也不明显,没有量化指标,而且从图形中难以判定图像明显增加的温度。因此,仅仅从图像中难以判定黑色粘结剂体积增大的程度。


参照白色粘结剂分析方法,以温度为横坐标,以面积收缩率为纵坐标,绘制黑色粘结剂的温度-收缩率图形(见图5)。

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图 5  黑色粘结剂温度-面积收缩率


从图5中看出,在加热的过程中,整体上看,随着温度的升高,黑色粘结剂面积在增加。当黑色粘结剂温度从400℃升至650℃时,黑色粘结剂体积增加较平缓,其面积增加<2%,这主要是由于黑色粘结剂的热膨胀和收缩达到一个平衡状态。当温度从650 ℃升至1200 ℃时,黑色粘结剂体积增加较快,其面积增加>10%。


上述分析可看出,黑色粘结剂作为粘结剂时,当温度升至650 ℃左右,体积较稳定。当温度从700 ℃升至1200 ℃,涂层体积剧烈膨胀,当膨胀张力增加到一定极限,涂层会出现隆起,涂层遭到破损,同样也会导致涂层防护失效。


4 结 语

(1)硅酸盐是非膨胀型防火涂料最常用的粘结剂。利用X射线荧光光谱仪分析硅酸盐的化学组成,难以判定耐热性能。


(2)利用温度-像素图形,能清晰地看出两种硅酸盐在高温条件下的体积变化规律:在400-1200 ℃加热区间内,总体趋势是白色粘结剂面积减少,黑色粘结剂面积膨胀。


(3)仅用单一的白色粘结剂或者黑色粘结剂,都难以保证防火涂层的完整性。


(4)为最大限度地保证防火涂层高温时的体积稳定性,可以利用白色粘结剂的高温收缩和黑色粘结剂的高温膨胀特性,将白色粘结剂和黑色粘结剂按一定比例配合使用,对粘结剂的配比设计有指导意义。


作者 | 何世家,刘军军,张天昊,等

(应急管理部四川消防研究所,成都市,610036)


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