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季寶華,陶建清

(鹽城師范學(xué)院,江蘇省灘涂生物資源與環(huán)境保護重點建設(shè)實驗室,江蘇鹽城224002)

摘要:選取有機硅改性丙烯酸乳液為成膜材料,聚磷酸銨(APP)、三聚氰胺(MEL)、季戊四醇(PER)為阻燃體系,二氧化鈦和凹凸棒石為顏填料,采用紅外光譜儀、X射線衍射儀、元素分析儀和X射線熒光分析儀對自制的膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料灼燒后的膨脹炭質(zhì)層進行了研究,內(nèi)層主要是無機物和有機鹽的混合物,表層為無機物。

關(guān)鍵詞:防火涂料;紅外分析;XRD;元素分析;熒光分析

0引言

膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料受火時能膨脹發(fā)泡,形成一個比原涂層厚幾十倍乃至幾百倍的難燃海綿狀炭質(zhì)層,這層難燃炭質(zhì)層能隔斷火焰避免對鋼材直接加熱,延緩鋼材的溫升,保護鋼構(gòu)件[1-3]。近年來,隨著城市經(jīng)濟和工業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)以其強度高、自重輕、延伸性好、抗震性強和施工周期短等特點在建筑業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用,帶動了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的開發(fā)研究,不斷有高性能、超薄型和低成本的膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料新產(chǎn)品問世,但關(guān)于膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料膨脹炭質(zhì)層研究的報道很少[4-6]。本文選用有機硅改性丙烯酸乳液為成膜材料,聚磷酸銨、三聚氰胺和季戊四醇為阻燃體系,二氧化鈦和凹凸棒土為顏填料,添加適量助劑,自制了膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,經(jīng)檢驗,涂層厚度為3mm時,耐火極限為60min。使用元素分析、X射線熒光光譜、X射線衍射和紅外光譜對該涂料的膨脹炭質(zhì)層進行了研究,揭示了膨脹炭質(zhì)層的形成過程和結(jié)構(gòu)組成,為膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的配方設(shè)計提供重要的依據(jù)。

1實驗部分

1.1儀器與試劑

Perkin-Elmer2400Ⅱ型元素分析儀:C、H、N、S模式,美國PE產(chǎn);ARL-9800型X射線熒光光譜儀:瑞士產(chǎn);D/max2000PC衍射儀:管壓40kV,管流40mA,Cu靶,波長115406nm,日本理學(xué)產(chǎn);NicoletAVATAR360紅外光譜儀:KBr壓片,掃描次數(shù)為32次,在4000～400cm-1范圍內(nèi)攝譜,美國尼高力產(chǎn)。聚磷酸銨:江蘇昆山市金城化工助劑廠;季戊四醇:上海晉維商貿(mào)有限公司;三聚氰胺:江蘇南京金星石化實業(yè)有限公司;二氧化鈦:ZR940型,江蘇鎮(zhèn)江鈦白粉股份有限公司;有機硅改性丙烯酸乳液:四川大西新型建材有限公司;其他填料和助劑均為工業(yè)品。

1.2樣品制備

按配方量將水投入高速分散機,開動攪拌,加入凹凸棒土攪拌成均勻的乳液,然后逐步加入聚磷酸銨(APP)、季戊四醇(PER)、三聚氰胺(MEL)、二氧化鈦,攪拌均勻,最后加入有機硅改性丙烯酸乳液、乳化劑、增稠劑等助劑,充分?jǐn)嚢?送球磨機研磨6h,細(xì)度達(dá)到80～10μm后出料,即得防火涂料成品。將制得的防火涂料涂覆于干凈的玻璃板上,待其自然干燥后,再涂刷一層涂料,讓其自然風(fēng)干,用小刀刮下涂膜(樣品1)供分析用。將制得的防火涂料涂覆于干凈的一級5層膠合板上,待其自然干燥后,再涂刷一層涂料,到涂層厚度為3.0mm后,讓其自然風(fēng)干,在酒精噴燈上對試板進行灼燒,灼燒時間為40min,冷卻至室溫,用小刀分別輕輕刮下外層的白色物質(zhì)(樣品3)和內(nèi)層的黑色物質(zhì)(樣品2)待分析用。

2結(jié)果與討論

2.1元素分析和X射線熒光光譜分析

對樣品2進行元素分析和X射線熒光光譜分析,結(jié)果如表1所示。從表1可見,黑色炭質(zhì)層中有C、N、H、S等元素存在,其中無定形碳是炭質(zhì)層的骨架,P、Ti、Si的氧化物含量達(dá)到78109%,是防火涂料起阻燃作用的關(guān)鍵組分。

表1炭質(zhì)層內(nèi)層黑色物質(zhì)化學(xué)成分

對樣品3進行X射線熒光光譜分析,結(jié)果如表2所示。比較表1和表2,可見,白色物質(zhì)中的有機物已經(jīng)不存在,主要是P、Ti、Si、Al等氧化物的混合物。其中,P的氧化物含量與內(nèi)層相比有所下降,而Ti、Si、Al和Ca的氧化物含量上升。

表2炭質(zhì)層表層白色物質(zhì)化學(xué)成分

2.2XRD分析

對樣品1、樣品2和樣品3分別進行XRD分析,結(jié)果如圖1所示。

圖1防火涂料灼燒前后的XRD衍射圖

由XRD衍射圖譜可見,防火涂料中的顏料TiO2在灼燒前后的晶型均是金紅石型[7-8]。從樣品1的XRD衍射圖譜可見,涂料中脫水催化劑APP的單元結(jié)構(gòu)為NH4PO3[9]。在樣品1、樣品2和樣品3的XRD衍射圖譜中,SiO2和金紅石型的TiO2均有較強的吸收峰,說明這兩種化合物參與了涂層膨脹、穩(wěn)定的炭質(zhì)層形成和白色物質(zhì)生成的全過程。從樣品2的XRD衍射圖譜可見,低衍射角和高衍射角出現(xiàn)的衍射條紋是無定型碳和有機物非晶漫射的結(jié)果,強吸收峰是SiO2和硅鋁氧化物[11]的混合物所致,硅鋁氧化物是在高溫下形成的過渡態(tài)物質(zhì),有助于炭質(zhì)層的防火隔熱。在衍射角22.66°和27.90°處有2個強吸收峰,經(jīng)自動檢索標(biāo)準(zhǔn)圖譜未能比對出對應(yīng)的物質(zhì)名稱,結(jié)合元素分析結(jié)果,它應(yīng)是磷的化合物,是防火涂料的關(guān)鍵組分,可結(jié)合紅外光譜進一步分析。從樣品3的XRD衍射圖譜可見,白色生成物是鈦磷氧化物[11]、SiO2和鈦的氧化物[8]的混合物。

2.3紅外光譜分析

對樣品1、樣品2和樣品3分別進行紅外光譜分析,結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。

圖2樣品1的紅外光譜圖

從紅外圖譜可以看出,樣品1的紅外光譜特征值為3324124cm-1(O—H)、3193.63cm-1(N—H)、2954.92cm-1(C—H)、1675.03cm-1(—NH2)、1550.26cm-1、1447.80cm-1、1403.87cm-1(環(huán)骨架)、1075.32cm-1、1016.88cm-1(P—O)、903.16cm-1(Si—O)、799.77cm-1(Ti—O)。

樣品2的紅外圖譜中—NH2(1645.00cm-1)、環(huán)骨架(1547.87cm-1、1460.11cm-1、1400.96cm-1)、P—O—C(1077.64cm-1、PO3-4(486.27cm-1)、Si—O(973.64cm-1、Ti—O(757.12cm-1)吸收峰仍較強,同時出現(xiàn)了N—H(3126.42cm-1)和PO-3(1136.73cm-1)的強吸收峰,說明涂層在受火膨脹過程中經(jīng)歷了下列反應(yīng)。

圖3樣品2的紅外光譜圖

圖4樣品3的紅外光譜

有機硅改性丙烯酸樹脂發(fā)生熱分解:

聚磷酸銨受熱分解生成氨氣、水和聚偏磷酸:

聚磷酸和聚偏磷酸是黏稠狀熔融體,覆蓋于膨脹層表面,阻止氧氣擴散到炭質(zhì)層中引起放熱反應(yīng)。三聚氰胺受熱分解釋放出氨氣、碳和微黃色的C、N雜環(huán)化合物:C3H6N6NH3↑+雜環(huán)化合物C3H6N6+6H26NH3↑+3C季戊四醇在聚偏磷酸的催化作用下發(fā)生分子內(nèi)和分子間的脫水成碳反應(yīng),形成炭質(zhì)層:C(CH2OH)4C(炭質(zhì)層)+H2O在三聚氰胺的催化作用下季戊四醇與聚偏磷酸發(fā)生酯化反應(yīng),其產(chǎn)物與三聚氰胺結(jié)合生成季戊四醇雙磷酸三聚氰胺鹽類膨脹型阻燃劑:

上述反應(yīng)結(jié)果與元素分析和XRD分析的結(jié)果以及文獻[13]的報道是一致的。隨著灼燒過程的進行,當(dāng)炭質(zhì)層內(nèi)部溫度達(dá)到255℃左右時,季戊四醇雙磷酸三聚氰胺鹽逐步發(fā)生熱分解反應(yīng),吸收大量的熱量,其最終產(chǎn)物為P的氧化物以及水蒸汽、氨氣、NO2、CO2等不燃性氣體[13-15]。由圖4可見,樣品3的紅外特征峰為1078.06cm-1(P—O)、959.83cm-1(Si—O),790.86cm-1(Ti—O),說明樣品3主要是P、Ti、Si的氧化物,進一步驗證了元素分析和XRD分析的結(jié)果。

3結(jié)語

(1)對防火涂料膨脹炭質(zhì)層的元素分析表明,黑色內(nèi)層和白色表層的化學(xué)組成完全不同,內(nèi)層主要是C、H、N的有機物和P、Ti、Si的氧化物組成,而表層主要是P、Ti、Si的氧化物,且內(nèi)層磷的氧化物含量高于表層,而Ti、Si的氧化物含量表層高于內(nèi)層。(2)對防火涂料灼燒前后的XRD分析表明,TiO2在灼燒前后的晶型未變,仍然是金紅石型。炭質(zhì)層表層是由鈦磷氧化物、SiO2和鈦的氧化物的混合物組成的,它們對鋼結(jié)構(gòu)防火涂料膨脹炭質(zhì)層的阻火隔熱起到了關(guān)鍵作用。(3)對防火涂料灼燒前后的紅外光譜分析表明,防火涂料在受熱熔融膨脹的過程中,聚磷酸銨、三聚氰胺和季戊四醇不但發(fā)生了分子內(nèi)的分解反應(yīng),分解出揮發(fā)分NH3和H2O,同時發(fā)生了分子間反應(yīng),生成了季戊四醇雙磷酸三聚氰胺鹽膨脹型阻燃劑。揮發(fā)分在帶走熱量的同時,使熔融的涂層膨脹,形成黑色泡沫狀隔熱體,它阻礙了熱的傳遞,進而產(chǎn)生防火功能。隨著灼燒過程的進行,當(dāng)炭質(zhì)層黑色部分的溫度達(dá)到255℃左右時,季戊四醇雙磷酸三聚氰胺鹽發(fā)生熱分解反應(yīng),生成揮發(fā)分NH3和H2O,進一步帶走熱量。(4)可以合成催化、成炭和發(fā)泡一體化的季戊四醇雙磷酸三聚氰胺鹽膨脹型阻燃劑,替代聚磷酸銨、三聚氰胺和季戊四醇,以提高涂料的防火性能,降低各組份的配比對涂料性能的影響。