修改时间：2019年07月30日11:21:16电脑XF-E排图文mmh校对灭火剂与阻燃材料耐候型膨胀钢结构防火涂料研究王霁，赵敏（中国人民警察大学，河北廊坊065000）摘要：选择丙烯酸树脂作为涂料的基料，以三聚氰胺包覆的聚磷酸铵代替普通聚磷酸铵，双季戊四醇代替季戊四醇，制备高耐候性能防火涂料。对比试验发现优化后涂料的耐水性能显著增加。通过正交试验，确定了涂料的基础配方。在涂料中添加紫外线吸收剂（Tinuvin99-2）和受阻胺光稳定剂（Tinuvin292），提高涂料耐光氧老化性能，并考查两种光稳定剂对涂料耐候性能的影响。结果表明：在一定添加量范围内，两种光稳定剂的添加对涂层的耐火时间影响不大。确定了耐候型防火涂料的最优配方，即添加2%的Tinuvin99-2。红外测试表明，该配方可以有效降低涂料中丙烯酸、季戊四醇及三聚氰胺的光氧分解。关键词：耐候型；钢结构；防火涂料；耐水性；光稳定剂中图分类号：X924.4，TU545，TQ637.6文献标志码：B文章编号：1009-0029（2019）08-1129-03膨胀型超薄防火涂料具有粒度细、涂层薄、施工方便、装饰性好等优点，不仅适用于大型承重钢结构，也适用于表面积较小的非承重型结构，是钢结构防火涂料的主要发展方向。但防火涂料经过一定年限的使用和老化后，其防火隔热性能是否依旧，能否发挥应有的作用，受到越来越广泛的关注。因此，笔者开展了具有高耐候性能防火涂料的研究。1实验条件与方法1.1涂料的制备涂料的制备过程主要包括配料、粉碎、预混合、搅拌分散4个步骤。制备好的涂料要密封储存，以备使用。所用设备分别为：电子天平，高速万能粉碎机，高速搅拌机。1.2试样老化及测试条件从涂料的耐水性能和耐紫外老化性能两方面对涂料的综合耐候性能进行考查。耐水性方面，参照GB14907-2002《钢结构防火涂料》中耐酸性的测试方法。紫外加速老化方面，参考GB14522-2008《机械工业产品用塑料、涂料、橡胶材料人工气候老化试验方法-荧光紫外灯》。2耐候型防火涂料基础配方的确定以溶剂型防火涂料为所配制涂料的基本类型，并以此为出发点选择适当的基料、阻燃填料等成分，通过正交试验的方法确定最优基础配方，实验所用各组分均为市售。2.1耐候型防火涂料主要成分的选择选择丙烯酸树脂作为防火涂料的基料，三聚氰胺包覆的聚磷酸铵代替普通聚磷酸铵，双季戊四醇代替季戊四醇，以改善涂料的耐水性能。图1为不同阻燃填料配制的涂层经过24h蒸馏水浸泡后的表面形貌，优选试样为添加三聚氰胺包覆的聚磷酸消防科学与技术2019年8月第38卷第8期铵和双季戊四醇的涂层，普通试样为添加普通聚磷酸铵和季戊四醇的涂层。可以看出，普通试样经过24h的蒸馏水浸泡后，浸泡部分与未浸泡部分界线明显，浸泡部分涂层厚度变薄，表面粗糙，晾干后有微小的裂痕；而优选试样没有明显的变化，浸泡部分仅有少数的凸出点，但整体上仍旧光滑平整。（a）优选试样（b）普通试样图1不同阻燃填料涂层蒸馏水浸泡后形貌对浸泡前、后的两种涂层试样进行耐火测试，各试样的耐火时间及炭层厚度，见表1所示。优选试样浸泡后的炭层仍然较蓬松，厚度较大，而普通试样浸泡后形成的炭层颜色发黑，浸泡部分几乎没有膨胀，未浸泡部分的膨胀效果也受到影响，厚度偏小。表1中普通试样浸泡后的炭层厚度为未浸泡部分的炭层最大厚度。表1不同阻燃填料涂层浸泡前、后耐火时间及炭层厚度试样种类耐火时间/s炭层膨胀厚度/mm浸泡前浸泡后浸泡前浸泡后老化率普通试样3302141033.221.351.2%优选试样3692338636.935.58.3%综合以上分析及实验，选择涂料主要成分为：丙烯酸树脂、三聚氰胺包覆的聚磷酸铵、双季戊四醇、三聚氰胺、氯化石蜡、二氧化钛、乙酸丁酯及其他无机填料。2.2耐候型防火涂料基础配方的确定选择对涂料防火性能影响较大的三聚氰胺包覆的聚磷酸铵、双季戊四醇、三聚氰胺、氯化石蜡4种组分为变化因素，在参考配方的基础上设定3个水平，进行正交试验，以涂层耐火时间和炭层形貌为标准，确定最终的耐候型防火涂料的基础配方。表2为正交试验因素与水平表，以此为依据构建正交表，并依次进行涂料配制及耐火测试，各试样耐火时间及炭层形貌特征，见表3所示。对实验结果进行极差分析计算，得到各因素最优水平为A2B3C2D1，以此配方制备防火涂料试样，耐火时间为4119s，确定的耐候型防火涂料的基础配方，见表4所示。表4中其他成分主要为耐火纤维、氧化铝等。1129修改时间：2019年07月30日11:21:16表2正交试验因素与水平表因素水平ABCD三聚氰胺包覆聚双季戊四醇三聚氰胺氯化石蜡磷酸铵添加量/g添加量/g添加量/g添加量/g1A1=4.7B1=1.0C1=1.0D1=1.22A2=7.2B2=3.2C2=3.2D2=2.83A3=9.7B3=5.6C3=5.6D3=3.6表3正交试验测试结果试验号耐火时间炭层膨胀厚度/s/mm炭层形貌1320130.3膨胀不均匀，炭层蓬松，强度较高2365234.3膨胀均匀，炭层蓬松，强度较高3295423.2炭层为黑色，且烧蚀缺损严重4321135.9炭层疏松，强度小5380435.8膨胀均匀，炭层蓬松，强度较高6366834.8膨胀均匀，炭层疏松，强度较小7217520.3炭层为黑色，且烧蚀缺损严重81943-炭层脱落，烧蚀严重9330130.4膨胀均匀，炭层蓬松，强度较高表4耐候型防火涂料基础配方表三聚氰胺组分丙烯酸双季戊三聚氯化二氧乙酸树脂包覆聚磷酸铵四醇氰胺石蜡化钛丁酯其他用量/g3.67.25.63.21.22.46.00.13耐候型防火涂料的配制3.1光稳定剂种类的确定光稳定剂按其作用机理可分为4类：光屏蔽剂、紫外线吸收剂、猝灭剂、自由基捕获剂。笔者选择一种紫外线吸收剂和受阻胺光稳定剂作为提高涂料耐光氧老化性能的添加剂，分别对不同种类、不同添加量的涂料试样进行对比测试分析，进而获得耐候型防火涂料的最优配方。3.2光稳定剂对涂料耐火性能的影响选择紫外线吸收剂（Tinuvin99-2）和受阻胺光稳定剂（Tinuvin292），均为液态。依据Tinuvin99-2和Tinuvin292在其使用领域内的常用添加量作为参考，设定两种光稳定剂在防火涂料中的用量范围，分别配制涂料试样并进行耐火及其他性能测试。根据添加单一种类光稳定剂的测试结果，确定两种稳定剂复合使用的用量，并配制试样进行耐火性能测试。两种光稳定剂的填加量及耐火时间测试结果，见表5（稳定剂的添加量以涂料中基料树脂的固体成分为基准计算）所示。表5光稳定剂的填加量及耐火时间测试结果光稳定剂ABA+B添加量1%2%3%0.5%1%2%2%+1%耐火时间/s4066415937854091423839413972由表5可以看出，两种光稳定剂的添加量都不大时，对涂料的耐火时间的影响也较小，甚至略有增加。而当1130Tinuvin99-2添加量超过5%、Tinuvin292添加量超过4%时，涂料的耐火时间明显降低。两种光稳定剂复合使用的用量设定为2%的Tinuvin99-2和1%的Tinuvin292，添加复合稳定剂试样的耐火时间较未添加的略有降低。3.3光稳定剂对涂料耐候性能的影响对各配方的老化试样进行耐火时间测试，并与老化前的耐火时间进行对比，结果见表6所示。可以看出，未添加光稳定剂的试样老化程度最为严重，老化后耐火时间缩短了663s，老化率达到16.1%，而添加光稳定剂试样的净缩短时间和老化率均明显降低，添加复合光稳定剂的试样其耐火时间降低的最少，仅仅为91s，老化率也最低，为2.3%。对比Tinuvin99-2和Tinuvin292两种光稳定剂，前者的抗老化效果更明显，相同添加量后者的老化率比前者平均高2.6%。表6不同配方老化试样耐火时间及老化率测试项目未添加ABA+B稳定剂1%2%3%0.5%1%2%2%+1%未老化/s41194066415937854091423839413912老化20d/s33863739401136933582373437113881净缩短时间/s6633271489250950423091老化率16.1%8.0%3.6%2.4%12.4%11.9%5.8%2.3%3.4耐候型防火涂料最优配方的确定虽然添加复合稳定剂和添加3%Tinuvin99-2试样的抗老化效果最好，老化率仅为2.3%和2.4%，但由于这两种配方未老化试样的耐火时间偏低，老化后的耐火时间也不占优势。从老化后的耐火时间看，添加2%Tinuvin99-2试样的耐火时间最长，为4011s。从配方成本看，添加2%Tinuvin99-2的配方成本比添加复合稳定剂和添加3%Tinuvin99-2的要低。因此，选择添加2%Tinuvin99-2的配方为耐候型防火涂料的最优配方，见表7（各组分用量为涂料总体用量的质量分数）所示。表7耐候型防火涂料优选配方表组分丙烯酸三聚氰双季戊三聚氯化二氧乙酸Tinuvin树脂胺包覆聚磷酸四醇氰胺石蜡化钛丁酯99-2其他用量12.3%24.5%19.1%10.9%4.1%8.2%20.4%0.2%0.3%图2为未添加光稳定剂试样老化前、后及添加2%Tinuvin99-2老化后试样的表面物质红外对比谱图。可以看出，3种试样在高波数3414、3150cm-1处均有吸收峰，分别为NH2的反对称和对称伸缩振动峰，老化后试样峰的强度高于未老化的试样，即涂层中的三聚氰胺、三聚氰胺包覆的聚磷酸铵有向涂层表面迁移的现象，且两种老化试样的峰的强度相差不大，未添加光稳定剂的试样略高于添加2%Tinuvin99-2的试样，说明两种配方的涂料耐水性能相当，添加光稳定剂后可以适当提高涂层的耐水性能。波数为1640cm-1的峰为C=O的伸缩振动峰，老化后试样的强度明显增加，这主要是由于涂料中的丙烯酸树FireScienceandTechnology，August2019,Vol38,No.8 未老化试样 添加2% Tinuvin 99-2老化试样 未添加稳定剂老化试样25100%2080%率℃过1560%102102/度透温1040%520%04 0001003 5003 0002002 5003002 0001 5004001 000500500高度波数/m/cm-1图3不同试样表面物质红外对比谱图脂氧化后生成羧酸、酮、醛等物质导致的。另外，双季戊四醇的氧化也可能生成少量的羧酸。老化试样在波数为1480cm-1处出现了新的吸收峰，该峰是羧酸中C-OH的面内弯曲振动峰，也是丙烯酸树脂、双季戊四醇氧化生成的羧酸引起的。波数为1400cm-1的峰为CH2上的C-H的卷曲振动峰，和NH4不对称变角振动峰，树脂、双季戊四醇的氧化会使CH2基团数量减少，但老化后试样在该处的峰强度略有增加，说明有小部分聚磷酸铵的包覆物发生了分解，使聚磷酸铵裸露出来，使NH4在涂层表面的含量有所增加。老化试样在波数为1250cm-1处也出现了新的吸收峰，该峰是羧酸中C-OH的伸缩振动峰，其与1480cm-1处的新吸收峰相对应。波数为1128cm-1的峰为醇上的C-O伸缩振动峰，老化后试样在其左侧有一个小的新吸收峰，新峰为PO4的伸缩振动峰，是裸露出来的聚磷酸铵引起的。老化试样在波数为896cm-1的新峰是羧酸中C-OH的面外弯曲振动。另外，聚磷酸铵水解后生成的焦磷酸盐中P-O-P的伸缩振动峰也在此波数附近。可以发现，丙烯酸树脂氧化生成羧酸是导致涂层老化的主要因素，同时也有少量的三聚氰胺分解，进而使聚磷酸铵发生水解。且从红外对比图（见图1）可以发现，添加2%Tinuvin99-2老化试样的新吸收峰的强度均小于未添加光稳定剂的老化试样，说明耐候型防火涂料的配方试样具有较好的综合耐候性能。4总结在一定添加量范围内，两种光稳定剂的添加对涂层的耐火时间影响不大，甚至有所提高；在综合考虑涂料耐老化性能提高程度、涂料成本等因素的基础上，确定了耐候型防火涂料的最优配方，即添加2%的Tinuvin99-2。红外测试发现，以该配方配制涂料可以有效降低涂料中丙烯酸、季戊四醇及三聚氰胺的光氧分解。说明耐候型防火涂料具有较好的综合耐候性能，可提高涂料的使用期限。参考文献：[1]徐晓楠,周政懋.防火涂料[M].北京:化学工业出版社,2004.[2]ZOUMX,WANGSJ,ZHANGZC,etal.Preparationandcharac⁃terizationofpolysiloxane-poly(butylacrylatestyrene)compos⁃itelaticesandtheirfilmproperties[J].EuropeanPolymerJournal,消防科学与技术2019年8月第38卷第8期修改时间：2019年07月30日11:21:162005,41(11):2602-2613.[3]胡毅钧,刘兰轩,苗毅，等.低表面能涂层老化性能研究[J].腐蚀与防护,2012,33(8):680-682.[4]王纳新,吴涛,廖大政，等.人工模拟环境试验对汽车车身涂层性能的影响[J].现代涂装,2012,15(4):40-43.[5]王霁,王鹏,赵敏.水性超薄型防火涂料紫外加速老化性能研究[J].涂料工业,2017,47(11):53-58.[6]HAMDANIS,LONGUETC,PERRIND,etal.Flameretardancyof⁃silicone-basedmaterials[J].PolymerDegradationandStability,2009,94(4):465-495.[7]王志奎.硅丙乳液超薄型钢结构防火涂料的制备[D].沈阳:沈阳理工大学,2009.[8]郑根稳,龚春丽,汪连生，等.高性能膨胀型硅丙乳液防火涂料的制备[J].新型建筑材料,2008,(1):65-67.[9]许乾慰,孙栋,王国建，等.基料树脂对钢结构防火涂料防火性能的影响[J].涂料工业,2010,40(7):53-57.[10]常宝,刘斌,张德震.水性超薄膨胀型钢结构防火涂料专用乳液的制备与研究[J].涂料工业,2010,40(6):5-8.[11]杨保平,郭军红,周应萍，等.丙烯酸接枝SBR-HCPE防火涂料的研制与阻燃机理探讨[J].中国建材科技,2007,(4):18-23.[12]赵选民.试验设计与方法[M].北京:科学出版社,2006.[13]陈铁鑫，郭岳峰.改性聚磷酸铵在室内水性超薄型钢结构防火涂料中的应用[J].中国涂料,2012,27(1):31-33.[14]刘琳,李琳,倪永.微胶囊化聚磷酸铵对防火涂料耐水性能的影响[J].建筑材料学报,2010,13(3):367-370.[15]王震宇,韩恩厚,柯伟.纳米阻燃母液提高APP/PER/MEL防火涂料耐水性研究[J].中国腐蚀与防护学报,2006,26(2):103-108.[16]胡胜利,谢浩,林贵德.膨胀型防火涂料应用性能研究[J].消防科学与技术,2018,37(1):71-74.[17]WANGJi.Theprotectiveeffectsandagingprocessofthetopcoat⁃ofintumescentfire-retardantcoatingsappliedtosteelstructures[J].JournalofCoatingsTechnologyandResearch,2016,13(1):143-157.ResearchonweatherproofintumescentfireretardantcoatingforsteelstructuresWANGJi,ZHAOMin(ChinaPeople'sPoliceUniversity,HebeiLangfang065000,China)Abstract:Inordertoprepareweatherproofintumescentfireretar⁃dantcoatingsforsteelstructures,acrylicresinwaschosenasthebasematerialofthecoating,andammoniumpolyphosphatecoatedwithmelaminewereusedinsteadofordinaryammoniumpolyphos⁃phate,andDipentaerythritolwasusedinsteadofpentaerythritol.Contrasttestsshowedthatthewaterresistanceoftheoptimizedcoatingwasincreasedsignificantly.Thebasicformulationofcoat⁃ingwasdeterminedbyorthogonaltests.Ultravioletabsorbent(Tinuvin99-2)andhinderedaminelightstabilizer(Tinuvin292)wereaddedintocoatingstoimprovethephoto-oxidativeagingre⁃1131修改时间：2019年07月30日11:21:16电脑XF-C排图文CH校对消防与应急救援受限空间救援训练设施构建研究白立崧1，李向欣1，吴文波2，刘禹1，杨卓1（1.中国人民警察大学，河北廊坊065000；2.漳州市消防救援支队，福建漳州363000）摘要：提出受限空间救援训练设施的设计原则，分析受限1设计原则空间救援训练设施的训练需求，构建适用于受限空间救援训练的受限空间救援训练设施的设计，一是要安全，二是要设施。该训练设施包括破拆训练设施、障碍移除训练设施等专项逼真，三是便于训练，只有将三者相结合，才能设计出实训练设施以及反应釜、坑道和废墟等综合训练设施。介绍设施的用、完善的训练设施。具体结构设计和功能设计，为各地在规划和建设受限空间救援训（1）安全性原则。安全问题是构建任何训练设施必须练设施时提供借鉴、参考。考虑的首要问题。一是结构安全，要确保设施在人员训练关键词：消防；受限空间；训练设施；应急救援过程中不会因为冲击、震动、支撑和物体的搬动等造成坍中图分类号：X921，TU998.1文献标志码：A塌。二是人员安全，设施必须设计紧急通道，以便受训人文章编号：1009-0029（2019）08-1132-04员在设施中遇突发情况时能从该通道安全撤出。（2）共通性原则。共通性决定了受训人员是否能够通受限空间泛指空间受限且进出通道受限的密闭或半过训练达到举一反三的效果。人工构建的训练设施不可密闭的设备、设施和场所。由于这些空间结构稳定性差或能百分之百还原事故现场，具有共同点或包含性的地方，通风不良，多存在坍塌或有毒有害气体聚集和缺氧的险可以用某一种构件代表某一类事故，避免重复建设。情，不但容易诱发作业安全事故，而且容易导致救援失败，（3）逼真性原则。逼真性是关系到设施是否能够达到甚至造成救援人员意外伤亡。虽有研究人员对受限空间练为战效果的关键。受限空间救援训练设施的设计在外事故的救援进行了一系列研究，但在如何构建和应用受限观上和特点上一定要与事故现场相符，让受训人员从视空间救援训练设施方面仍难以形成一套完整的体系，已建觉、听觉及触觉上均如身临其境。成的设施大都结构简单、功能单一，难以开展有针对性的（4）可持续性原则。该设施要承担破拆、支撑等训练实战训练。科目，构件需经常更换，故所使用的材料要可重复利用，活笔者构建了适用于受限空间救援训练的设施，提出基动构件要可更换，从而使设施满足长期使用的要求。于实战需求的系统功能和结构设计，为各地规划和建设受2需求分析限空间救援训练设施提供借鉴、参考。2.1对设施种类的需求受限空间可分为地上受限空间、地下受限空间和封闭sistanceofcoatings.Theeffectsoftwolightstabilizersonthe（半封闭）式受限空间三大类，在构建其救援训练设施时，weatherabilityofcoatingwereinvestigated.Andtheresults无法全部囊括在内，故拟通过构建三类典型的受限空间作showedthat,inacertainrangeoffillingamount,thesetwolight为代表。stabilizershadlittleeffectonthefireresistancetimeofthecoating.（1）封闭（半封闭）式受限空间。船舱和反应釜的封闭Added2%Tinuvin99-2wasdeterminedastheoptimumformula⁃（半封闭）式设备，是典型的事故多发的受限空间。此类空tionoftheweatherprooffireretardantcoating.Accordingtothere⁃间易积聚有毒有害气体，在作业或救援过程中极易造成人sultoftheinfraredtest,thisformulacouldeffectivelyreducethe员中毒或窒息。photooxidationdecompositionofacrylicacid,pentaerythritoland（2）地下式受限空间。地下管道和坑道属于地下式受melamineinthecoating.限空间，此类受限空间事故是近年来发生起数最多的。此Keywords:weatherproof;steelstructures;fireretardantcoating;waterproof;lightstabilizer类空间通常能见度低，两个出口距离远，走向分布不规则，且容易造成人员缺氧窒息。（3）地上式受限空间。沟渠和废墟属于较为常见的地作者简介：王霁（1980-），女，河北石家庄人，中国上式受限空间。沟渠主要为人工挖掘而成，而废墟则常见人民警察大学讲师，博士，主要从事消防材料学方面的研于建筑物倒塌后所形成。此类空间通常结构不稳定，存在究，河北省廊坊市安次区西昌路220号，065000。坍塌的危险，极易造成人员被埋压窒息。收稿日期：2019-03-29除以上综合训练设施外，还应设计破拆训练、障碍移基金项目：国家科技支撑计划项目（2015BAK37B00）；国家重点研发计划子课题（2017YFC0806604）1132FireScienceandTechnology，August2019,Vol38,No.8
