黎俊德

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)因其具有施工周期短、強(qiáng)度高、可回收利用、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代生活中一種常見(jiàn)的建筑結(jié)構(gòu)形式，其中代表性建筑如廣州塔、“鳥(niǎo)巢”體育館、上海環(huán)球金融中心、國(guó)家大劇院等，這些建筑極具美觀，是混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)法比擬的。然而，鋼結(jié)構(gòu)卻有著致命缺陷，在高溫條件下其機(jī)械強(qiáng)度會(huì)迅速下降，發(fā)生塑性變形而失去承載能力，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)迅速坍塌[1]。因此，有研究人員研制出了膨脹型防火涂料，將其涂覆于鋼結(jié)構(gòu)表面在不破壞建筑美觀的前提下能夠極大地提升鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限。

膨脹型防火涂料通常由基料、顏填料、阻燃體系等構(gòu)成，阻燃體系含有催化劑、成炭劑、發(fā)泡劑等。聚磷酸銨作為催化劑，在高溫條件下能夠自身分解以及催化涂層的熱分解進(jìn)程，同時(shí)分解產(chǎn)物能夠促進(jìn)涂層內(nèi)含羥基碳源脫水炭化并與氣源共同作用形成不易燃、具有隔熱作用的炭質(zhì)層[2]；季戊四醇作為成炭劑，在催化劑作用下季戊四醇內(nèi)羥基通過(guò)酯化反應(yīng)發(fā)生脫水形成炭化層，為最終形成的發(fā)泡層提供骨架支撐作用；三聚氰胺作為發(fā)泡劑，在高溫條件下能夠釋放不燃性氣體，如NH3、水蒸氣等，使熔融狀態(tài)下的涂層可以發(fā)泡膨脹形成海綿狀膨脹層骨架[3]。張凡[4]等以聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇的質(zhì)量比為4:3:3，氯偏乳液與純丙AC261P 乳液質(zhì)量比為22:3，可膨脹石墨和絹云母的質(zhì)量比為5:3 制備的防火涂料在受熱后形成的炭質(zhì)層與鋼板粘附性好，膨脹倍率大，耐火性能最好。王清海[5]等研究發(fā)現(xiàn)聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇質(zhì)量比為12:5:5，聚醋酸乙烯酯乳膠與醋叔乳膠的質(zhì)量比為2，顏基比為4，高嶺土及含鋯陶瓷纖維的添加量分別為4%和2%時(shí)涂層的膨脹倍數(shù)大、耐火時(shí)間最長(zhǎng)。張帆[6]通過(guò)SPSS 軟件分析發(fā)現(xiàn)聚磷酸銨:季戊四醇:三聚氰胺:鈦白粉:丙烯酸樹(shù)脂為500:200:225:200:220 時(shí)防火涂料的膨脹倍數(shù)和耐火時(shí)間測(cè)試結(jié)果最優(yōu)。

以往研究表明聚磷酸銨、季戊四醇和三聚氰胺三者之間的質(zhì)量比對(duì)防火涂料的性能具有重要影響，為探索此三因素對(duì)防火涂料膨脹倍率的影響主次順序，本文通過(guò)采用正交試驗(yàn)來(lái)測(cè)試不同配比下防火涂料膨脹倍率，使用極差分析法和方差分析法來(lái)分析聚磷酸銨、季戊四醇和三聚氰胺對(duì)防火涂料膨脹倍率的影響，并獲取最佳配方。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)原材料包括聚磷酸銨、季戊四醇、三聚氰胺、苯丙乳液、鈦白粉、重鈣粉、多功能助劑、成膜助劑。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用三因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，三因素分別為聚磷酸銨、季戊四醇和三聚氰胺，每個(gè)因素均設(shè)有三個(gè)水平，采用L9(33)表，如表1 所示，三因素三水平正交試驗(yàn)表如表2 所示。本試驗(yàn)中聚磷酸銨的質(zhì)量分別選取13g、17g 和21g，季戊四醇和三聚氰胺的質(zhì)量均分別選取9g、11g 和13g，所有組苯丙乳液、鈦白粉和重鈣粉的質(zhì)量均保持不變，分別為35g、5g 和2g，具體配比見(jiàn)表3。

表1 L9(33)正交表

表2 三因素三水平正交試驗(yàn)表

表3 試驗(yàn)配比及測(cè)試結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 防火涂料的制備

本試驗(yàn)中防火涂料的制備流程如下，根據(jù)表3 稱取材料，將聚磷酸銨、季戊四醇、三聚氰胺、鈦白粉、重鈣粉、助劑進(jìn)行攪拌，接著加入水再次進(jìn)行攪拌成質(zhì)地均勻的漿料，然后加入苯丙乳液進(jìn)行攪拌成質(zhì)地均勻且細(xì)膩無(wú)結(jié)塊的涂料。

1.3.2 鋼材的制備

本試驗(yàn)中涂覆基材選用尺寸為60mm×100mm×10mm 的Q235 鋼材，在涂覆防火涂料前需要對(duì)鋼材表面進(jìn)行表面凈化以及化學(xué)處理以保證鋼材表面平整光滑，沒(méi)有明顯缺陷。然后將涂料涂覆在鋼材表面，待表面涂料干了以后再進(jìn)行下一次涂覆，每一次涂覆的厚度為0.15mm～0.2mm，最終的涂覆厚度為2mm 左右，待晾干養(yǎng)護(hù)7d 后進(jìn)行耐火試驗(yàn)。

1.3.3 耐火試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用酒精噴燈進(jìn)行垂直燃燒的方法對(duì)鋼材進(jìn)行加熱試驗(yàn)。利用鋼夾夾住鋼材，鋼材中涂有防火涂料的一面朝下接觸火源燃燒加熱，另一面接有熱電偶測(cè)試鋼材的背面溫度，當(dāng)加熱溫度達(dá)到700℃時(shí)停止試驗(yàn)。

1.3.4 膨脹倍率計(jì)算方法

試驗(yàn)開(kāi)始前，在鋼材底面5 個(gè)點(diǎn)測(cè)量涂層厚度，試驗(yàn)結(jié)束后再次測(cè)量此5 個(gè)點(diǎn)的厚度，兩次測(cè)量厚度之差則為涂層的膨脹厚度，膨脹厚度與涂層厚度之比則為膨脹倍率，最終結(jié)果取5 個(gè)結(jié)果的平均值。

2 測(cè)試結(jié)果及分析

本試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3 的最后一列，結(jié)果顯示各組涂層的膨脹倍率測(cè)試值比較接近，最小值為4.16，而最大值為6.12。本試驗(yàn)各組中聚磷酸銨、季戊四醇和三聚氰胺的總質(zhì)量比較接近同時(shí)各組中聚磷酸銨、季戊四醇和三聚氰胺的變化區(qū)間較小，這可能是造成膨脹倍率測(cè)試值比較接近的原因。

為探索聚磷酸銨、季戊四醇和三聚氰胺對(duì)涂層膨脹倍率的影響，將采用極差分析法和方差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。極差分析法能夠簡(jiǎn)單直觀地顯示出主要、次要因素，但無(wú)法預(yù)估試驗(yàn)過(guò)程中可能或必然存在的誤差，也無(wú)法判斷試驗(yàn)結(jié)果的差異是由因素水平還是試驗(yàn)誤差造成的，而方差分析法能夠更為準(zhǔn)確地進(jìn)行誤差分析，主要提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)用于考查、判斷各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響是否顯著，能夠?qū)⒏饕蛩?、各水平以及交互作用造成的?shù)據(jù)波動(dòng)與試驗(yàn)誤差造成的數(shù)據(jù)波動(dòng)分開(kāi)，提高了分析結(jié)果的精度，彌補(bǔ)了極差分析法的不足[7]。

2.1 極差分析

極差分析法首先是計(jì)算各因素在不同水平下膨脹倍率測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值并記為k 值，然后計(jì)算該因素的極差R 值，極差越大表明該因素對(duì)膨脹倍率測(cè)試結(jié)果的影響越大，反之則越小。本試驗(yàn)中各組膨脹倍率變化情況如圖1 所示，圖中結(jié)果顯示防火涂料的膨脹倍率隨聚磷酸銨k 值的增加先上升后下降，隨季戊四醇k值的增加而持續(xù)增大，隨三聚氰胺k 值的增加先下降后上升；極差分析結(jié)果見(jiàn)表4，結(jié)果顯示聚磷酸銨的極差值最大，其次是三聚氰胺而季戊四醇的極差值最小。其中，三聚氰胺的極差值為聚磷酸銨極差值的86.3%，季戊四醇的極差值為聚磷酸銨極差值的55.0%。極差值結(jié)果表明膨脹倍率的主要受聚磷酸銨的影響，其次是三聚氰胺，而季戊四醇的影響最小。對(duì)比圖1、表4 中聚磷酸銨、季戊四醇和三聚氰胺三個(gè)因素的k1、k2和k3值，將其中的最大值對(duì)應(yīng)的水平定義為該因素的最優(yōu)水平，則膨脹倍率的最優(yōu)組合為聚磷酸銨17g、季戊四醇13g 和三聚氰胺13g。

圖1 膨脹倍率隨水平、因素變化圖

表4 極差分析結(jié)果

2.2 方差分析

本試驗(yàn)采用三因素三水平正交試驗(yàn)，其中三因素分別為聚磷酸銨(A)、季戊四醇(B)和三聚氰胺(C)，三水平分別為i=1、2、3，膨脹倍率的方差計(jì)算方法如下。

先計(jì)算以下各基本參數(shù)：

最后計(jì)算各因素的F 值：

通過(guò)上述公式可計(jì)算出涂層膨脹倍率的方差分析結(jié)果，如表5、表6 所示。表6 中聚磷酸銨的F 值計(jì)算結(jié)果最大，其次是三聚氰胺而季戊四醇的F 值最小，其中三聚氰胺的F 值為聚磷酸銨的65.7%，而季戊四醇的F值為聚磷酸銨的23.7%。此三因素的F 值計(jì)算結(jié)果顯示涂層膨脹倍率顯著性的主次順序依次為聚磷酸銨、三聚氰胺和季戊四醇，即聚磷酸銨的影響最大，其次是三聚氰胺而季戊四醇最小，同時(shí)，表6 中最后一列也顯示了聚磷酸銨對(duì)膨脹倍率測(cè)試結(jié)果影響顯著。方差分析結(jié)果與極差分析結(jié)果相同。

表5 方差分析計(jì)算過(guò)程

表6 方差分析結(jié)果

3 結(jié)論

⑴通過(guò)本次試驗(yàn)研究可發(fā)現(xiàn)采用17g 聚磷酸銨、13g 季戊四醇、13g 三聚氰胺、35g 苯丙乳液、5g 鈦白粉、2g 重鈣粉與水?dāng)嚢柚苽涞姆阑鹜苛峡色@得最大膨脹倍率。

⑵極差分析和方差分析結(jié)果都表明防火涂料膨脹倍率的影響因素主次順序依次為聚磷酸銨、三聚氰胺和季戊四醇，同時(shí)方差分析結(jié)果顯示聚磷酸銨對(duì)防火涂料膨脹倍率的影響顯著。