隔热填料的选择及其对膨胀型防火隔热涂层性能影响

隔热填料的选择及其对膨胀型防火隔热涂层性能影响

赵　乐1，2，3，李志士2，3，王华进2，3，赵　薇2，3，王明强2，3，王　晓2，3，姜清淮2，3，李少香1

(1.青岛科技大学，山东青岛　266042；2.海洋涂料国家重点实验室，山东青岛　266071；3.海洋化工研究院有限公司，山东青岛　266071)

0　前　言

石化产业存在巨大的潜在火灾危险，一旦发生火灾爆炸，将产生巨大的经济损失及人员伤亡，因此广泛选用防火涂料作为有效的防火保护。和普通防火涂料的耐纤维素火要求不同，石化产业中要求防火涂料达到耐烃类火的要求，甚至是喷射式烃类火，以防止爆炸的产生，提供更加安全的防范。目前国内应用于石化产业的厚型防火涂料，属于非膨胀体系，添加各类隔热填料，以物理隔热的方式，实现了防火隔热的双重功能。但此类防火涂料，使用厚度较厚，还有密度大、易脱落、黏结强度小等缺点，国外已经不再采用这种材料。国外应用在石化产业的防火涂料，主要选用双组分体系的防火涂料。无溶剂型双组分防火涂料属于薄型防火涂料。

同单组分膨胀型防火涂料相比，双组分环氧防火涂料具有更好的耐酸性、耐碱性、耐水性、耐油性、封闭性，同时膨胀碳层强度更高，可以耐烃类火及喷射烃类火(爆炸)，正逐渐取代厚型防火涂料。目前燃气储存罐、油田等设施也使用双组分环氧防火涂料。由于具有优秀的防腐性能，海上石油平台、船舶及一些军用的特殊领域也都使用双组分体系的防火涂料。PPG、AkzoNobel、Carboline、Hempel、Jotun等国外涂料公司都在积极地推广双组分环氧防火涂料的应用。我国目前所选用的这些防火涂料主要依赖进口，除海洋化工研究院有限公司有双组分防火涂料的研制技术外，其他企业无此项技术。

筛选隔热填料，在保证涂层防火性能的前提下，增加其在常温下隔绝热量的能力。同时，隔热填料需要和防火涂料的膨胀阻燃体系具有较好的匹配效果。通过调整隔热填料，获得对热量最好的阻隔效果。理想状态下，防火涂料自身的防火性能不降低，在遇到火源发生膨胀时，所产生的膨胀碳层内部能够均匀地分布着隔热填料，在碳层阻隔热量传递的过程中，同时能阻隔火焰燃烧时位于近红外区域的热辐射，减少碳层所需阻隔的热量，使基材维持在较低温度，起到对热量的隔绝、火焰阻燃双重效果。分别选用空心玻璃微珠、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、海泡石粉，作为防火隔热涂层的隔热填料。性能测试，研究各填料与防火涂层中膨胀阻燃体系的匹配效果，测试常温下的导热系数，模拟火灾条件下的热释放性能、生烟性能，膨胀碳层的均匀度等参数。根据测试结果筛选合适的隔热填料。

1　实验部分

1.1　试剂与仪器

聚磷酸铵，山东世安化工有限公司；季戊四醇、三聚氰胺、环氧树脂、环氧固化剂，江苏三木化工股份有限公司；金红石型钛白粉，日本石原产业株式会社；助剂，BYK化学；空心玻璃微珠，3M公司；海泡石粉、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石，工业级。

1.2　实验方法

膨胀型防火隔热涂料选用环氧树脂及环氧固化剂做为成膜物。聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺构成了经典的P-C-N膨胀阻燃体系，同时添加颜填料及助剂，添加隔热填料用于增加涂层的常温隔热性能。主要配方见表1。待样品完全固化后，可用于测试。

1.3　性能测试

动态生烟性能及热释放性能由英国FTT公司的锥形量热仪测定，符合ISO 5660 及ASTM E 1354标准。样品尺寸10 cm×10 cm，置于厚度0.2 mm的铝箔中，辐射功率50 kW，每隔5 s记录数据1次。导热系数由TA公司的DXF/EM500激光导热系数仪测试，测试25 ℃下涂料的导热系数。

2　结果与讨论

2.1　导热系数测试

选用不同隔热填料的膨胀型防火隔热涂层在25℃下进行导热系数测试。根据表3中测试结果，使用空心微珠的膨胀型隔热防火涂料的导热系数最小。未添加隔热填料的膨胀型防火涂料在常温的导热系数为0.304。对比表2和表3中数据，防火涂料本身的导热系数远远高于添加的各隔热填料。但添加海泡石粉和膨胀蛭石后，防火涂料的导热系数反而有所升高，并未出现预期的降低。根据结果推断，由于海泡石粉和膨胀蛭石尽管具有中空结构，在微观上并不能够达到完全封闭，使防火涂料的树脂和部分填料能够进入其中，在微观上不能保持原有的中空结构，未能有效提高涂层的隔热效果。因此使添加过海泡石粉和膨胀蛭石的膨胀型隔热防火涂料，在常温的导热系数反而升高。而空心微珠和膨胀珍珠岩，在微观下具有封闭的中空结构，使防火涂料无法渗入其中，保持原有性能不变，有效地降低了涂层的导热系数，提高其隔热性能。

2.2　锥形量热仪测试

使用锥形量热仪在模拟火灾条件下，评价膨胀型隔热防火涂料的生烟性能及热释放性能。经锥形量热仪测试后，膨胀型隔热防火涂料的膨胀碳层照片见图1。选用不同隔热填料的膨胀碳层对比如表4。分别选用4种隔热填料的膨胀性隔热防火涂料，膨胀碳层都均匀致密，膨胀碳层强度较高。选用海泡石粉的膨胀型隔热防火涂料，其膨胀碳层高度最高。经锥形量热仪测试，在模拟火灾条件下，选用不同隔热填料的膨胀型隔热防火涂料的热释放性能见图2，烟释放性能见图3。

从图中数据可以看出，在膨胀型隔热防火涂料的燃烧过程中，选用不同隔热填料的热释放时间，空心微珠＜膨胀蛭石＜膨胀珍珠岩＜海泡石；总热释放量，空心微珠＜膨胀蛭石＜膨胀珍珠岩＜海泡石。生烟时间，空心微珠＜膨胀蛭石＜膨胀珍珠岩＜海泡石；总生烟量，空心微珠＜膨胀蛭石＜膨胀珍珠岩＜海泡石。测试结果表明，选用空心微珠的膨胀型隔热防火涂料样品，其热释放性能最小，生烟性能最小。表明该在燃烧过程中的性能最好。对比导热系数数据，添加空心微珠的膨胀型隔热防火涂料，在常温状态下的导热系数最低，隔热性能最好。对比膨胀碳层数据，添加空心微珠的膨胀型隔热防火涂料，其膨胀碳层高度最低，可以看出，膨胀型隔热防火涂料的膨胀碳层高度与其燃烧性能并无直接关系。空心微珠作为隔热填料，具有高温下稳定的特性，不会在火焰中发生分解、形变。可保持原有的中空结构，能够提高膨胀碳层的隔热性能，添加空心微珠的膨胀型隔热防火涂料表现出了较好的防火性能。

2.3　防火性能测试

2.3.1　纤维素火防火性能测试

使用小型燃烧炉，对膨胀型隔热防火涂料进行纤维素火模拟钢梁的防火性能测试，升温曲线符合纤维素火升温曲线，涂层厚度2 mm，所获得的基材(结构钢)升温曲线如图4所示。除添加耐高温性能稍差的膨胀珍珠岩样品外，其余样品在1 200 s的时间内，基材(结构钢)的温度均未达到结构钢的形变温度，即500 ℃。除添加膨胀珍珠岩的膨胀型隔热防火涂料外，其余样品的升温曲线基本一致，表明添加海泡石粉、膨胀蛭石、空心微珠的膨胀型隔热防火涂料在纤维素火下模拟钢梁上的防火性能基本一致。

2.3.2　烃类火隔热性能测试

模拟烃类火下，基材为铝板时，膨胀型隔热防火涂料的隔热性能测试，设置炉温始终保持在1 093 ℃，涂层厚度2 mm，测试基材的背板温度，升温曲线见图5。除添加膨胀珍珠岩的样品外，其余样品在1 200 s的时间内，基材(铝板)的背温均未达到200 ℃。这是由于膨胀珍珠岩的耐高温性能低于烃类火灾温度，涂层中的膨胀珍珠岩发生分解，使防火涂料的防火隔热性能明显下降。除添加膨胀珍珠岩的膨胀型隔热防火涂料外，其余样品的升温曲线基本一致，表明添加海泡石粉、膨胀蛭石、空心微珠的膨胀型隔热防火涂料在烃类火的隔热性能基本一致。

2.4　综合性能测试

综合以上数据，选用空心微珠做为隔热填料的膨胀型隔热防火涂料，其各项性能均表现得较为突出。因此，使用空心微珠制备膨胀型隔热防火涂料。最终制备的膨胀型隔热防火涂料，涂层的各项性能满足GB 14907—2002钢结构防火涂料中室外薄型防火涂料的各项指标要求，测试结果见表5。

3　结　语