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　　摘自《星空體育工業》第54卷第3期2024年3月

　　黃丹蓉1，2，顏龍*1，2，李昀1，2，徐志勝2

　?。?.湖南鐵院土木工程檢測有限公司，長沙410075：2.中南大學土木工程學院，長沙410075）

　　摘要：為了增強鋼結構防火星空體育的防火和抑煙性能，以環氧樹脂（EP)/聚酰胺樹脂（PA)體系作為成膜聚合物制備膨脹型鋼結構防火星空體育，通過錐形量熱儀、煙密度儀、熱重分析儀（TG）和掃描電子顯微鏡（SEM)等系統研究了EP/PA配比對膨脹型鋼結構防火星空體育防火和抑煙性能的影響。結果表明：鋼結構防火星空體育的防火和抑煙性能與EP/PA成膜聚合物體系的配比密切相關，m（EP)：m（PA)=3：2時所制備的涂層在燃燒過程中形成更多的含磷交聯結構，表現出**佳的防火、抑煙和成炭效果，在800℃時的殘炭率達到27.7%，**天比光密度低至172.4，其保護下鋼板背溫達到300℃所需時間為1570s。

　　關鍵詞：膨脹型鋼結構防火星空體育；環氧樹脂；聚酰胺樹脂；防火性能；抑煙性能

　　中圖分類號：TQ637.6文獻標志碼：A

　　文章編號：0253-4312(2024)03-0008-07

　　doi:10.12020/j.issn.0253-4312.2023-302

　　鋼材作為重要的建筑材料被廣泛應用于廠房高層建筑以及大跨度建筑等眾多場合，但鋼結構在高溫下的機械性能會急劇下降，影響正常使用，通常需要對其進行防火保護[1]]。膨脹型鋼結構防火星空體育具有優異的耐腐蝕性、耐酸堿性，還具有附著力強和裝飾性好等特點，可應用于石化以及海上平臺等惡劣環境的鋼結構防火保護[2]。

　　環氧樹脂作為鋼結構防火星空體育的主要成膜聚合物，國內外對其固化體系的力學和防火性能進行了大量的研究。傅紹軍等[3]合成了腰果酚醛酰胺固化劑，并和聚酰胺固化劑以及腰果酚醛胺固化劑作對比分析，發現腰果酚醛酰胺固化劑與環氧樹脂結合之后的材料具有良好的物理機械性能、耐鹽霧性以及耐化學晶性。徐娜姍等[4]發現固化劑種類和用量對環氧固化體系的黏結強度、拉伸強度和斷裂伸長率有重要影響，當環氧樹脂E51與固化劑810質量比為2：1時，所制備的環氧固化體系的拉伸強度和黏結強度**佳，分別為32.59MPa和3.52MPa。Sritharan等[5]研究了脂肪胺固化劑濃度、攪拌時間和氣泡對環氧樹脂拉伸強度的影響，結果表明較低的固化劑濃度會對試樣的拉伸強度產生消極影響。Varganici等[6]間將環氧樹脂和低聚磷酸鹽共混后分別與3種不同的固化劑（芳香族、脂環族、脂肪族）混合形成半互穿聚合物網絡產物，研究發現選用芳香族固化劑有利于提高試樣的防火性能。綜合上述分析，目前環氧樹脂固化體系的研究主要集中在固化劑的種類及含量對環氧復合材料耐候性、耐鹽霧性和機械性能的影響，而對于不同比例環氧樹脂（EP)/聚酰胺（PA)成膜聚合物體系對膨脹型鋼結構防火星空體育防火、抑煙性能的影響的相關研究報道較少。

　　鑒于此，本研究以不同質量比的EP/PA作為成膜聚合物、聚磷酸銨（APP）-三聚氰胺（MEL)-季戊四醇(PER)作為膨脹體系制備膨脹型鋼結構防火星空體育，并采用一系列分析方法研究EP/PA配比對所得防火星空體育的防火和抑煙性能的影響，為制備高性能的鋼結構防火星空體育提供重要參考依據。

　　1實驗部分

　　1.1主要原料

　　環氧樹脂（E-51.環氧值0.48～0.54mol/100g）、聚酰胺樹脂（PA650，胺值200mgK0H/g）、聚磷酸銨（APP，水溶性≤0.04%）、季戊四醇（PER，純度>98%）、三聚氰胺（MEL，純度》99.5%）、KH-560改性二氧化鈦（KH560-Ti0z.純度99.9%，粒徑30nm）比表面積20～50m/g）；可膨脹石墨（EG.325，工業級）稀釋劑、分散劑、消泡劑。

　　1.2膨脹型鋼結構防火星空體育的制備

　　將1.7%EG（以配方總質量計，下同）、47.5%膨脹體系（IFR.其中APP、MEL、PER質量比為6：3：2)和0.2%KH560-Ti0，加人到適量稀釋劑溶液中，以600r/min攪拌15～20min制備漿體。之后，在漿體中加入適量EP以400/min攪拌15～20min。**后，在所得漿體中加入適量PA、0.3%分散劑和0.3%消泡劑，以400r/min攪拌15～20min獲得呈連續雨滴狀的膨脹型防火星空體育。將所制備的防火星空體育涂覆于100mmx100mmx3mm鋼板上，厚度為（2±0.1）mm，置于室溫下固化5d.其中EP和PA質量比為3：2、2：1、1：1制得的樣品分別命名為FBC1、FRC2和FRC3。

　　1.3測試與表征

　　錐形量熱儀測試：按照IS05660-1：2002，采用蘇州陽屹沃爾奇檢測技術有限公司的6810F型錐形量熱儀分析涂層的隔熱、熱釋放和生煙性能，輻射功率為50kW/m2。隔熱性能測試過程中錐形量熱儀底部距離涂層表面25mm，50kW/m?輻射功率對應的表面輻射溫度為808℃，接近于IS0834標準火災升溫曲線的穩定溫度，可較好地模擬鋼結構防火星空體育在真實火場中的耐火性能[7]。

　　紅外光譜：采用Nicolet公司的iS50型傅立葉變換紅外光譜儀進行測試，試樣采用KBr壓片。

　　微觀結構分析：采用Tescan公司的MIRA3LMU掃描電子顯微鏡在20kV電壓下對樣品進行測試.

　　熱重分析：采用梅特勒托利多儀器（上海）有限公司的TGA/SOTA851型熱重分析儀在40mL/min氮氣氣氛下進行測試，升溫速率為20℃/min，樣品質量為10mg，測試溫度為25～800℃。

　　煙密度分析：依據GB/T8323-2008在蘇州陽屹沃爾奇檢測技術有限公司的5920型塑料煙密度燃燒試驗箱中進行測試，樣品尺寸為5mm×75mm×3mm，輻射功率選用50kW/m?.并在有焰條件下進行測試。

　　2結果與討論

　　2.1耐火性能分析

　　空白鋼板以及在鋼結構防火星空體育保護下鋼板試樣的背面平衡溫度見圖1。

　　由圖1可以看出，在50kW/m?的輻射熱流下，防火星空體育保護下鋼板的背面溫升曲線可以分為2個階段.對應的時間段分別為：0～400s和400～1800s。第1階段的涂層由于處于膨脹初期，炭層結構未完全形成，從而導致鋼板溫度迅速升高：在第2階段中，隨看涂層膨脹對程的推進，基材表面形成了具有一定效果的膨脹炭層結構，從而有效減緩了熱量向尚基材的傳遞。鋼板在300℃時的機械性能會明顯惡化，選取鋼板背溫達到300℃的時間作為防火星空體育的失效時間。當樣品溫度送到300℃時，空百鋼板所用時間為155s，FRC1FRC3鋼板樣品所用時間分別為1570s、810s和394s，和空白鋼板試樣相比，分別增加1415S、655s和239s。通常，膨脹型防火星空體育的炭層質量與成膜聚合物的交聯密度密切相關，而合適的成膜聚合物交聯密度對涂層膨脹成炭行為和炭層質量至關重要圖。在環氧樹脂和聚酰胺成膜聚合物體系中，成膜聚合物的交聯密度隨環氧樹脂含量增加而增大，而交聯密度的增加會導致涂層燃燒過程形成的熔融炭黏度增大，不利于炭層充分膨脹。而環氧樹脂含量低則會降低成膜聚合物的交聯密度，導致熔融炭的黏度減?�，不能有效束缚裂金Q�体并蒂Z律�烟量大[9-10]。因此，選取適當的環氧樹脂和聚酰胺配比才能賦予成膜聚合物合適的交聯密度和熔融黏度以形成良好的膨脹炭層結構。當m（EP）：m（PA）=3：2時，成膜聚合物較為適宜的交聯密度賦予FRC1涂層較好的膨脹成炭行為和防火保護效果。

　　2.2錐形量熱儀分析

　　膨脹型鋼結構防火星空體育的主要燃燒參數隨時間變化的曲線見圖2，主要燃燒參數峰值熱釋放速率（PHRR）、總釋放熱（THR）、峰值生煙速率（PSPR）和總釋煙量（TSR）見表1。

　　表1膨脹型鋼結構防火星空體育的主要燃燒參數

　　從圖2（a）和圖2（b）可以看出，FRC3在140s時熱釋放速率送到峰值132.7kW/m-2，總釋放熱為35.4MJ/m-?。相較于FRC3和FRC2，FRC1樣品的PHRR和THR**低，這表明m（EP）：m（PA)=3：2的成膜聚合物體系有利于減少涂層在燃燒過程中的物質傳遞和熱量釋放。

　　從圖2（c）和圖2(d)可以看出，FRC3具有**高的PSPR為0.027m2/s，達到峰值的時間為50s，FRC1和FRC2達到PSPR的時間分別為65s和55s。而FRC1展現出**低的TSR，為155.0m·m2，這說明以m（EP）：m（PA）=3：2制備的涂層既能夠延緩試樣達到PSPR的時間又可以抑制煙氣的生成，原因在于合適的成膜聚合物交聯密度不僅有助于燃燒初期炭層熔融膨脹，還能在燃燒后期形成更加穩定的炭層結構.進而發揮良好的抑煙性能[11]。綜上可以看出，m（EP）：m（PA）=3：2的成膜聚合物體系能更有效地降低膨脹型鋼結構防火星空體育的熱釋放和生煙量，起到良好的防火和抑煙作用。

　　2.3煙密度分析

　　膨脹型鋼結構防火星空體育的比光密度曲線（D。）和透光率曲線見圖3，相關參數見表2。

　　表2膨脹型鋼結構防火星空體育的煙密度測試參數

　　FRC1在600s時的Ds10**低，為134.6，Dsmax僅為172.4。綜合以上分析，m（EP）：m（PA）=3：2的成膜聚合物體系所制成的FRC1涂層具有較好的抑煙效果，這也進一步說明合適的EP/PA配比有助于形成穩定且致密的炭層結構并抑制煙氣釋放。

　　2.4熱重分析

　　FRCs樣品、不同比例EP/PA混合物以及APP-MEL-PER膨脹體系的TG曲線和DTG曲線見圖4，相關參數見表3。

　　由圖4可以看出，當EP和PA混合時，不同質量比的EP/PA在氮氣氣氛下的熱解過程主要分為3個階段，溫度范圍分別為：100～250℃、250～500℃和500～800℃。第1階段屬于端基消除反應.此階段主要為小分子氣體的物理溢出：在第2階段中，EP/PA成膜聚合物體系的交聯結構發生裂解，生成小分子

　　表3膨脹型鋼結構防火星空體育的典型熱解參數

　　注：T5%表示樣品的初始分解溫度；Tm表示峰值分解溫度；PMLR表示峰值質量損失速率。

　　物質同外揮發或再次結合形成芳環結構：第3階段發生的反應更為復雜，**終可能全部裂解成氣體物質[12]。當加入膨脹體系后，試樣在第1階段的熱解過程主要與小分子物質的揮發擴散有關，伴隨較低的質量損失：第2階段為熱解的主要階段，該階段是聚合物裂解成炭階段，存在較大質量損失，這是由膨脹體系和環氧固化體系分解所致，該過程中APP、PER和MEL相互作用形成一個膨脹炭層作為保護屏障以防正樣品進一步分解，從而降低質量損失：第3階段主要

　　與炭層在高溫下發生分解有關，質量損失較少[13]。

　　從表3可以看出，質量比為3：2的EPPA成膜聚合物體系相較于其他比例的體系表現出**高的熱穩定性，其T%**高，為181.4℃，這表明合適的交聯密度有助于提升成膜聚合物的熱穩定性。以m（EP）：m（PA）=3：2所制成的FRC1涂層表現出**佳的熱穩定性和**高的成炭量，原因在于食好交聯密度的成膜聚合物m（EP）：m（PA）=3：2和膨脹體系在熱解過程中的熔融黏度更加匹配，在膨脹過程中能形成更加致密和完整的炭層結構以阻礙熱量和物質傳遞，進而有效提升涂層的熱穩定性和成炭率[8，14]

　　2.5炭層分析

　　圖5為經對錐形量熱儀測試后樣品的形貌和SEM圖.炭層各組分的元素組成見表4。

　　表4錐形量熱儀測試后FRC1和FRC3炭層各組分的元素組成

　　電圖5可以看出，以EP與PA質量比為3:2所制備的膨脹型防火星空體育在燃燒過程中能夠形成更加致密和膨脹的炭層結構。結合SEM-EDS圖可以看出，FRC3炭層表面存在明顯的裂紋，這不利于阻隔物質和熱量的傳遞，而FRC1炭層結構更為連續。EDS結果表明FRC1的P含量更多P元素和C元素質量分數的比值更高達到0.34，這說明FRC1在燃燒過程中形成更多的含磷交聯結構，形成連續性更好的炭層結構.能夠有效隔絕煙氣和熱量的傳遞，表現出**為優異的防火保護作用[15]。

　　FRC1～FRC3樣品燃燒后炭層結構的紅外光譜見圖6。

　　由圖6可以看出，不同配比EP/PA成膜聚合物體系下的涂層在1600cm-1、1376cm-1和1076cm-1附近表現出相似的特征峰，分別為C＝C鍵、C＝O鍵和P-O-C環外伸縮振動峰[16-17]。特別是，FRC1的C＝C鍵和P-O-C鍵的強度明顯增強，這表明FRC1形成了大規模的交聯結構和芳香結構，原因在于質量比為3：2的EP/PA成膜聚合物體系反應**充分，在燃燒過程中促進星空體育發生氧化脫氫以及交聯反應，提高成炭率，在基材表面形成致密性良好的炭層結構并提高了炭層的穩定性，展現出優異的防火保護和抑煙效果[18-19]

　　3結語

　　膨脹型鋼結構防火星空體育的防火和抑煙性能與成膜聚合物組成密切相關，選取合適的環氧樹脂和聚酰胺配比有助于降低涂層燃燒過程中的熱釋放和生煙量。特別是FRC1涂層在燃燒過程中能形成更多的C＝C和P-O-C等芳香和交聯結構以有效增強炭層的穩定性，進而賦予涂層更好的成炭、防火和抑煙性能。相比于FRC3涂層，在FRC1涂層的保護下基材背溫達到300℃的時間從394s提升至1570s，峰值熱釋放速率和**大比光密度值分別下降了36.7kW/m?和34.9。

　　參考文獻

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