可膨脹石墨在膨脹型防火涂料中的性能研究

       膨脹型防火涂料是防火涂料中的主要類型，具有低煙、少毒、無(wú)鹵化的特點(diǎn)，受熱時(shí)發(fā)生膨脹，生成導(dǎo)熱系數(shù)較小的炭質(zhì)層．延緩熱量向基材的蔓延，呈高效的阻燃效果，為滅火贏得寶貴的時(shí)間，是實(shí)現(xiàn)阻燃劑無(wú)鹵化的很有希望的途徑之一，近年來(lái)已經(jīng)被廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)的防火處理。

       石墨是一種無(wú)機(jī)物質(zhì)，屬六方晶系，晶體呈六方板狀和片狀，集合體為鱗片狀，化學(xué)性質(zhì)不活潑，具有耐腐蝕性。石墨具有層狀結(jié)構(gòu)，堿金屬、鹵素金屬鹵化物、強(qiáng)氧化性含氧酸等都可嵌入層間，形成層間化合物，在受到高溫時(shí)，由于吸留在層形點(diǎn)陣中的化合物的分解，石墨層間的化合物急劇分解、氣化、膨脹，最終體積可以達(dá)到初始時(shí)的3～4倍，從而制得密度極低的蠕蟲(chóng)狀石墨，它是一種結(jié)構(gòu)疏松、柔軟、富有韌性的物質(zhì)，被稱膨脹石墨(ExpandedGraphite，EG)�？膳蛎浭�墨是以天然鱗片石墨為原料，經(jīng)化學(xué)或電化學(xué)處理而得到的一種石墨產(chǎn)品，早在19世紀(jì)60年代初，Brodie將天然石墨與硫酸和硝酸等化學(xué)試劑作用后加熱，發(fā)現(xiàn)了一種內(nèi)部具有大量獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)狀微孔結(jié)構(gòu)的新型原子、分子尺度上的碳素材料。近20年來(lái)，眾多國(guó)家相繼展開(kāi)了膨脹石墨的研究和開(kāi)發(fā)，取得了重大的科研突破。研究表明，將可膨脹石墨(EG)加入到防火涂料中，可膨脹石墨在高溫下受熱迅速膨脹，形成蠕蟲(chóng)狀穩(wěn)定的炭層且無(wú)毒，作為典型的物理膨脹阻燃劑已成為阻燃領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，對(duì)其膨脹阻燃體系進(jìn)行改性，可有效改善膨脹炭層的微觀結(jié)構(gòu)，降低炭層的導(dǎo)熱系數(shù)，使涂料的熱穩(wěn)定性得到大幅度提高。

       1·試驗(yàn)

       1．1原料

       環(huán)氧乳液；聚磷酸銨；三聚氰胺；季戊四醇、鈦白粉；高嶺土CKT－1型；分別用混酸法、濃硫酸法制備可膨脹石墨;涂料的具體組成如表1所示。

       1．2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

       按配方稱取防火助劑和無(wú)機(jī)填料，置燒杯中，加入蒸餾水，用高速電力攪拌機(jī)分散20min;加入環(huán)氧乳液、固化劑，用高速攪拌機(jī)攪拌15min，用電子天平稱量涂料份，每份5g，依據(jù)既定實(shí)驗(yàn)方案分別加入可膨脹石墨，用高速電力攪拌機(jī)攪拌5min，靜止后供涂刷使用。模擬鋼結(jié)構(gòu)防火涂料GBl4907—2002所規(guī)定的防火性能測(cè)試方法，鋼板除銹，將配置好的涂料涂刷，常溫自然晾干，干燥后重復(fù)涂刷至涂層厚度達(dá)到0．2mm。按實(shí)驗(yàn)要求放在恒溫干燥箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)規(guī)定天數(shù)。養(yǎng)護(hù)完畢后，取出試樣進(jìn)行測(cè)試。將試樣放置在酒精噴燈上，進(jìn)行灼燒實(shí)驗(yàn)，記錄時(shí)間。

       2·實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

       2．1EG添加量的影響

      可膨脹石墨在加熱達(dá)到其起始膨脹溫度后發(fā)生膨脹變化并吸收大量熱，可顯著降低體系溫度，因此其添加量的多少對(duì)防火涂料的防火性能有影響。圖1為1#、2#兩種可膨脹石墨添加量與阻燃時(shí)間的關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果，其中養(yǎng)護(hù)時(shí)間均為9d。

       由圖1可知，可膨脹石墨添加量少于6%時(shí)，兩種可膨脹石墨對(duì)提高防火涂料的阻燃效果明顯，基本呈線性增加。但當(dāng)可膨脹石墨添加量多于6%時(shí)，阻燃時(shí)間增加緩慢，甚至不增加，因此該類防火涂料中可膨脹石墨的最適宜添加量為6%。

       2．2EG粒度對(duì)阻燃性能的影響

       可膨脹石墨粒度是表征其基本性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其粒度大小與其協(xié)同阻燃性能密切相關(guān)，故本試驗(yàn)將研究可膨脹石墨粒度對(duì)防火涂料阻燃性能的影響。試驗(yàn)條件如表2所示，試驗(yàn)結(jié)果繪制的曲線圖如圖2。

 

      由圖2可知，可膨脹石墨的粒度越小，防火涂層耐火時(shí)間長(zhǎng)，阻燃性能越好。這可能因?yàn)榱�徑較小的可膨脹石墨在涂料體系中分散更加均勻，相同添加量的情況下膨脹作用更有效;二是因?yàn)榭膳蛎浭�墨的尺寸減小時(shí)，被封閉在石墨片層之間的氧化劑在受到熱沖擊時(shí)更容易從片層之間脫離，增加了膨脹倍率。因此，粒徑小的可膨脹石墨防火性能更佳。

       2．3養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)阻燃性能的影響

       試樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)防火涂料阻燃防火性能有影響。圖3為當(dāng)在可膨脹石墨的添加量為6%，100目，涂層厚度為0．2mm的試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)結(jié)果。

       由圖3可知，試樣1養(yǎng)護(hù)時(shí)間少于5d時(shí)，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)阻燃時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，且增加速度較快。隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，涂料干燥時(shí)間亦延長(zhǎng)，涂料中易揮發(fā)成分剩余量減少，即涂料中易燃成分減少，阻燃耐火時(shí)間延長(zhǎng)。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間多于5d時(shí)，涂料中易揮發(fā)易燃成分已揮發(fā)殆盡，剩余養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)明顯影響，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，涂料的阻燃耐火時(shí)間改變較小。研究表明養(yǎng)護(hù)時(shí)間取決于涂料本身性質(zhì)，與可膨脹石墨自身性質(zhì)無(wú)關(guān)，實(shí)際應(yīng)用中使用防火涂料時(shí)一定的養(yǎng)護(hù)時(shí)間是必要的，若鋼件涂刷防火涂料后養(yǎng)護(hù)時(shí)間不夠充足會(huì)影響其固有的防火阻燃性能，使防火性能下降，造成嚴(yán)重后果。

       3·結(jié)語(yǔ)

       可膨脹石墨作為一種物理性膨脹填料，在加熱達(dá)到其起始膨脹溫度后發(fā)生膨脹變化并吸收大量熱，可顯著降低體系溫度，明顯改善防火涂料的防火性能。添加可膨脹石墨后的防火涂料經(jīng)火焰灼燒出現(xiàn)膨脹炭化層，并且膨脹過(guò)程中生成的氣味和煙霧較普通防火涂料少;在本文的研究范圍內(nèi)，可知可膨脹石墨的最適宜添加量為6%;添加粒度小的可膨脹石墨能更有效地提高涂料的防火性能;實(shí)際應(yīng)用可膨脹石墨防火涂料時(shí)，涂料涂刷后需要有必要的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。