导图社区 MgAlCO3LDHs在钢结构膨胀防火涂料中的高效阻燃抑烟性能
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编辑于2021-08-03 19:21:06Efficient flame-retardant and smoke-suppression properties of MgAlCO3- LDHs on the intumescent fire retardant coating for steel structures MgAlCO3-LDHs在钢结构膨胀防火涂料中的高效阻燃抑烟性能
Introduction 引言
Problem statement 问题提出
当钢在火灾中温度超过约500℃的扭转变温时,钢会因扭转而坍塌
传统的IFR涂料虽然能形成较厚的膨胀焦层,但较厚的焦层往往更容易与基体分离,其防火性能和抗氧化性能较差,这通常是由于其焦性还未完全还原,在火灾中的机械稳定性较差。因此,在较长时间后,效率会降低
加入无机填料可以改善膨胀焦层的这些缺陷
Research aim 研究目标
添加MgAlCO3-层状双氢氧化物(MgAlCO3-LDHs)对膨胀型阻燃剂IFR (聚磷酸铵APP/季戊四醇PER/ 三聚氰胺MEL)涂料阻燃性能的影响,包括隔热性能、抗氧化性能、抑烟性能、焦层泡沫等。
Literature review 文献综述
Research gap 研究空白
在阻燃涂料中加入1.5%的纳米LDHs层状双氢氧化物可以有效地改善阻燃涂料的焦层结构和防火性能
合成的Mg-Al LDHs涂层显著提高了桦木样品的力学性能和阻燃性能。
Methodology 方法论
Study design 研究设计
以聚磷酸铵(APP)、季戊四醇(PER)和三聚氰胺(MEL)为纳米涂层的水性膨胀型阻燃剂(IFR)中引入了MgAlCO3 -层状双氢氧化物(MgAlCO3-LDHs)。
Research method 研究方法
采用共混合法制备No0涂层。开始时,分别以2.5 g和7.5 g称量丙烯酸树脂和氨基树脂,并在持续搅拌下将其添加到50 mL烧杯中。然后将APP 5 g、PER 2.5 g、MEL 2.5 g、去离子水8 g混合在一起,加入到烧杯中制备的粘结剂中,在超声环境下分散5 min。用上述方法制备了No1-No3涂层。将制备的涂层分别涂于长×宽×高为100 mm × 100 mm × 10 mm的钢板上,室温自然干燥7天。数字显示游标卡尺测得涂层厚度约为1mm,表面密度约为3kg·m−2。在IFR涂层中加入不同含量的MgAlCO3-LDHs,研究MgAlCO3-LDHs对IFR涂层的影响,各涂层的成分含量比列于表1。
Data source 数据来源
热重(TG)、差热分析(DTA)、傅里叶变换红外光谱分析(FT-IR)、x射线功率谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、燃烧性能测试—大板燃烧法(隔热度、膨胀率、一维传导的传热函数、绝热性能保温曲线)和锥形量热法
Data analysis 数据分析
炭层的隔热性能
绝热性能保温曲线—60 min后未涂层钢背面表面温度377℃,涂层钢背面表面温度低于涂层钢背面。由此可见,钢结构防火涂料的应用十分重要。
隔热度—未添加MgAlCO3-LDHs的涂层与添加MgAlCO3-LDHs的涂层也存在差异,No0的隔热度h为26.0%,No1、No2和No3的隔热度h分别为34.2%、52.0%和45.9%。结果表明,IFR与MgAlCO3-LDHs的协同作用可改善焦层的隔热性能。
Tss为60 min后未涂覆钢背面表面温度(377℃),T为60 min后涂覆钢背面表面温度。
随着表2中添加的MgAlCO3-LDHs的增加,膨胀比d与隔热度h的变化趋势相同。
Dc为涂层厚度,D为炭层厚度。
热流 q和炭层表面温度可以假定为一个恒定值,因为每个实验都是在相同的条件下进行的,其中60 min T后涂层钢背面的表面温度由式(3)中的D和k确定。对于钢结构的保护,涂层的隔热性能在火灾中通过T来体现。实验结论如表2所示,证实了排除式(3)中k的影响,T随着D的增加而减小的趋势。
Tsc为焦层的表面温度,T为热电偶测量的涂覆钢背面60min后的表面温度,k为焦层的导热系数,q为热流密度。
h增加(No1的34.2%增加到No2的52.0%,如表2所示),即在涂层中加入MgAlCO3-LDHs后,炭层的隔热性能得到了改善。过量的MgAlCO3-LDHs抑制了焦层的膨胀,从而降低了涂层的保温性能。No2的d11.6降为No3的9.9,No2的h52%降为No3的45.9%。在本研究中,添加适量(1.8 wt%)的MgAlCO3-LDHs可以改善焦层的保温性能,因为添加MgAlCO3-LDHs可以促进焦层的膨胀。而过量的MgAlCO3LDHs的加入抑制了焦层的膨胀。
燃烧性能
锥形量热法—火灾初期产生的大量烟雾是非常有害的;由碳颗粒组成的烟雾会降低能见度并释放非常有害的气体。No2涂层的总产烟量(TSP)或总释烟量(TSR)和产烟率(SPR)较No0涂层分别降低了46%和25%,见表3和图4b-d。
表3中No2涂层的热释放率HRR和总热释放率THR比 No0涂层分别降低了8%和2%。
在相同的入射热流强度下,点燃后No2涂层的HRR要比No0快,如图4e所示,说明MgAlCO3-LDHs可以促进IFR (APP/PER/MEL)的相互作用。
XPS和FT-IR结果表明,No2涂层的总耗氧量从No0的4.73 g降至4.62 g,说明在IFR涂层中加入MgAlCO3-LDHs可以提高涂层的抗氧化性。
TG结果表明,No2涂层的质量损失(ML)由No0的5.65 g降至5.49 g,质量损失率(MLR)由0.033 g降至0.03,表明在IFR涂层中加入MgAlCO3-LDHs对炭层有一定的保护作用。
差热分析
降解阶段
熔化(25 - 200°C)
由于水的蒸发和聚合物基体(丙烯酸树脂和氨基树脂)的熔化和降解,约有10%的重量损失(表4)。这可由约100°C和170°C下DTA曲线的吸热峰表示,如图6所示。
膨胀(200 - 450°C)
No1、No2和No3涂层的每次失重率为40-50%,No0涂层的每次失重率约为55%(表4和图5)。添加MgAlCO3-LDHs的涂层(No1、No2和No3)与未添加的涂层(No0)存在差异。图5中No0在200-400℃的吸热峰表示酯化和膨胀的过程。图6中MgAlCO3-LDHs在200-450℃的吸热峰表示层合板之间的−OH和CO3- 2的分离,可以催化APP和PER之间的酯化反应,这与图6中No2在250-450℃的明显吸收峰是一致的
半焦形成(450 - 700°C)及半焦降解(700 - 900°C)
No0、No1、No2、No3涂层的质量损失均在20%左右,No0在900℃时的残留质量为8%,No1、No2、No3在900℃时的残留质量约为20%(表4和图5)。这是因为燃烧过程中MgAlCO3-LDHs的分解产物增强了焦层结构,如图6所示,No0在740°C的峰延迟到了No2在855°C的峰。
炭层结构讨论
在3385 cm−1和3126 cm-1处出现的宽弯曲峰是由于丙烯酸树脂和氨基树脂的初始分解而形成的—OH基团。2362 cm-1附近的一周吸收峰代表APP与PER相互作用产生的O= P-OH键.碳对偶键C=C在1628 cm-1处的独特吸收可归因于树脂微晶和IFR微晶的非晶态碳.在1400-800 cm-1处的显著吸收峰属于铝镁氧化物[7]和P-O-P区域.MgAlCO3-LDHs催化No2和No3焦层的-OH基团消失,1628 cm−1和985 cm−1处的吸收峰减少,这是由于铝镁氧化物与防火体系IFR之间的协同作用,形成了IPN网络。可以看出No2和No3的(C=C)键强度较No0降低。炭层的抗氧化性与(C=C)键有关,说明在IFR涂层中加入MgAlCO3-LDHs可以提高涂层的抗氧化性。同时,MgAlCO3-LDHs的产物铝镁氧化物与C-N-P防火体系结合形成无机炭层。
XPS分析
表5所示的元素相对含量和图8所示的XPS谱图分别是No0和No2在900°C下热氧化60min后得到的。No0与No2的碳氧比为1:1.67。同时,图8c No0的C1s峰值强度低于No2,而图8d No0的O1s峰值强度高于No2。No0和No2中C、O含量存在显著差异,说明No2添加MgAlCO3-LDHs后炭的积累程度和抗氧化性均优于No0。No0和No2焦层中P和N的含量分别为22.17%和17.05%,见表5。这证实了APP产品可能在一定程度上被MgAlCO3-LDHs分解的铝镁氧化物所取代。结果表明,MgAlCO3-LDHs的添加量对炭层结构、炭交联密度和炭的阻燃性能有明显的促进作用。
炭层的形态特征—SEM
No0焦层泡沫结构疏松,而添加适量MgAlCO3-LDHs的No2焦层泡沫结构比未添加MgAlCO3LDHs的No0更致密。IFR炭层的泡沫比(Rf)没有明显差异 ,如果增加MgAlCO3-LDHs涂层是合适的,如图所示(图9 c、d和e或f)可以与No0在图9 a或b及其炭层SEM图像中的Rf是16 - 17%相比,如表6所示。表6中添加过量MgAlCO3-LDHsNo3焦层的Rf 为9.8%,远低于前者(No0、No1和No2)。
A为数字图像处理识别出的泡沫面积,At为图像的总面积
(a) No0焦层,(b)标记No0焦层的泡沫,(c) No1焦层,(d)标记No1焦层的泡沫,(e) No2焦层,(f)标记No2焦层的泡沫
随着MgAlCO3-LDHs的加入,平均泡沫面积Af由No0先增加后降低到No3。No1焦层中有一个峰值Af 。这是因为适量的MgAlCO3-LDHs可以促进IFR碳层的膨胀。
n为焦层中泡沫的数量,Ai是每个泡沫的面积(i = 1,2,…,n)
泡沫的标准差Sf下移,结果表明,添加了MgAlCO3-LDHs的焦炭层的泡沫与No0相比致密均匀。对于炭层的结构和元素组成,炭层中的泡沫和膨胀厚度影响阻燃性能。炭层内泡沫均匀致密,可改善受炭层厚度影响的隔热性能。
Results 研究结果
Main findings 主要研究结果
防火测试结果表明,在IFR涂层中加入1.8 wt%的MgAlCO3-LDHs可以改善焦层的保温性能,因为添加MgAlCO3-LDHs可以促进焦层的膨胀。而过量的MgAlCO3-LDHs的加入抑制了焦层的膨胀。
TG和DTA分析表明,添加MgAlCO3-LDHs可以提高IFR涂层的残余质量和热稳定性。
在IFR涂层中加入MgAlCO3-LDHs可以提高涂层的抗氧化性。同时,XPS分析表明,MgAlCO3-LDHs的产物铝镁氧化物与C-N-P防火体系结合形成无机炭层。
SEM分析结果表明,炭层泡沫和膨胀厚度对阻燃性能有一定的影响。在IFR涂层中加入适量的MgAlCO3-LDHs,在炭层中形成均匀致密的泡沫,可以提高涂层的隔热性能。
圆锥量热法的TSP或TSR降低了46%,SPR降低了25%,HRR、总热释放、总耗氧和质量损失也同时降低。
Discussion 讨论
Highlights 本论文亮点
促进了焦层的膨胀,改善了焦层的保温性能,
形成了具有更好基材附着力的热稳定炭层
在炭层中形成均匀致密的泡沫,提高了涂层的隔热性能
促进IFR (APP/EG/MEL)涂层在高温下的膨胀和碳化,增强了炭层的保温性能,提高了抗氧化性,降低了在高温下的腐蚀。
在 IFR 涂层中添加 MgAlCO 3 -LDHs 有效地降低了锥形量热法的 总烟雾释放量TSP 和 产烟率SPR
MgAlCO3-LDHs 的热分解可以促进和催化 APP 和 PER 之间的酯化
C-N-P-MgAl涂层可以提高炭层的隔热性能
Suggestions 对未来研究的建议
Limitations 本论文局限性
Conclusion 总结
Contribution 研究贡献
影响了膨胀行为和泡沫结构,解决了传统IFR涂料形成的较厚的膨胀焦层由于其焦性还未完全还原,在火灾中的机械稳定性较差而更容易与基体分离,其防火性能和抗氧化性能较差,在较长时间后,其有效性会降低的这些缺陷
增强了炭层的结构
在IFR 涂层中加入 MgAlCO 3 -LDHs ,与 APP、PER 和 MEL 积极相互作用,提高了涂层的阻燃性能。
LDHs
具有水镁石类层状结构,是一类人工合成的阴离子粘土
通式
发表时间
October 2019
期刊
Progress in Organic Coatings
单位
School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China
作者
XiaochunHuXiaojunZhuZhiqiangSun
中心主题
主题
主题
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