正交试验在超薄钢结构防火防腐蚀涂料中的应用分析

由于钢结构是一种节能环保型、能循环使用的建筑结构，且符合保护土地，节约能源和经济持续健康发展的要求，在建筑行业被广泛的应用。钢结构虽然具有以上很多优点，但在应用过程中，失稳、火灾和腐蚀三种潜在隐患便应用而生。工程师可通过力学设计计算解决失稳问题，但火灾和腐蚀具有不确定性，是钢结构建筑存在的潜在危害，发生的后果难以想象，危害不亚于失稳。如何将火灾和腐蚀危害降低，确保钢结构的长期安全性是一个履待重视的课题。口前涂层在钢构件和建筑行业对钢结构的保护被认为是最有效的。因此，研究出一种兼具防火和防腐蚀性能的涂料被应用在钢结构中，可有效的降低钢结构的不安全因素，具有很好的市场发展前景。本文着重探讨了防火体系中各组分对防火性能的影响，通过正交优化设计，以耐火极限和粘结强度为指标进行性能评价，确定了防火体系成分的最佳配比和用量，为研制钢结构防火防腐蚀涂料提供基础。

1防火防腐蚀涂料体系组分的选用

防火防腐蚀涂料配方的确定主要是对涂料核心组分的筛选，如基料树脂、膨胀剂、成炭剂、发泡剂、颜填料、溶剂及助剂等。基料树脂不仅决定着涂层与钢材的粘附性能，而且还影响着防火性能。在防火防腐蚀涂料的配方设计中，最主要的问题是合理选择基料和防火助剂的种类以及各组分比例四。本次试验主要采用膨胀型阻燃剂来配制超薄钢结构防火防腐蚀涂料。该阻燃体系由成炭催化剂(酸源)、炭化剂(碳源)、发泡剂(气源)组成。通常情况下，阻燃体系占到整个防火防腐蚀涂料质量的40% - 60%;催化剂能有效的促进涂层的热分解进程，如使涂层内含轻基的有机物脱水，建立隔热不易燃烧的炭质层，抑制大热量的碳氧化反应，本文采用聚磷酸钱作为催化剂。成炭剂是炭质层的骨架，在高温条件下形成三维空间结构不易燃泡沫炭化层的基础物质，本文采用价廉易得的季戊四醇作为成炭剂。发泡剂作为气源，遇热可产生不燃性气体，如氨、二氧化碳等，可使涂层迅速膨胀，促使涂层内形成蜂窝状海绵结构，三聚氰胺来源广泛，效果良好，可首选作为发泡剂。填料作为基体的主要成分，要提高涂料的机械性能、附着力、耐候性等理化性能，需加入填料来实现。溶剂可实现涂料的均匀分散、降低其粘稠度、利于涂覆。助剂在涂料中作为辅助成分，在实现某一性能中起决定性作用，它的加入可大大提高涂料的柔韧性、流平性、稳定性、防腐蚀等性能，如本配方中加入能起到防腐蚀作用的助剂聚磷酸铝。

2涂料配方试验设计

2. 1确定配方组成

通过大量的单因素试验确定出经济有效的原料配方组成。

2. 2正交试验设计

由实验室前期得出的试验结果树脂含量占总量的20%30%左右时，聚磷酸钱含量在20%-24%时，季戊四醇的含量在10%-14%时，三聚氰胺的含量在12%-15%时，颜填料的含量在6%-10%，助剂的量为4. 0%-6. 0 %，防火防腐蚀性能良好。在其它成分使用量不变的情况下，通过适度改变炭化剂、催化剂和发泡剂的质量，分析得到阻燃体系三组分聚磷酸钱:三聚氰胺:季戊四醇=3:1:1的含量比是最佳的。这样得到试验结果，明显有其不足，为了全方位展现涂料中各个成分对防火防腐蚀性能的影响，笔者以阻燃体系的最佳配比为基础，建立四因素三水平试验，分析出各个成分的最佳含量组合。

2. 3试验方案

2. 3. 1涂料制备方法

根据原材料的性能和其它因素确定其工艺流程为:

基料树脂和溶剂搅拌溶解制成混合溶液，将催化剂、发泡剂、填料、和成炭剂混合进行混合分散，细度研磨达到100，然后加入到混合溶液中，并用均质分散机进行分散，通过过滤将颗粒度降到80 N以下，使涂料达到合适的粘度和稳定性密封静置24h。

2. 3. 2试板备制

在制好的钢板试件取规格为50mmx100mmx2mm的钢板，按超薄型钢结构涂料的施工要求，将制好的涂料分多次喷涂在钢板表面，喷涂次数不少于6次，达到规定的厚度，涂覆厚度不高于2.0mm，这个过程中要保证试板涂膜均匀平整。涂好的试板放在实验台上养护直到完全干燥待测。

2.3.3耐火试验方法

本试验采用自行设计的试板模拟燃烧装置，耐火极限依据试板背火面的温度所确定。将试板放置于座架上，涂层面朝下，直接与酒精喷灯的火焰外焰接触，试件背火面中央连接一热电偶，可通过仪表直接读出瞬时温度示数。在测试过程将装置至于空气流动性不大的地方，以防对测量数据产生影响，随着加热时间的变化，测量温度也逐渐上升，每2 min记录一次数据，以温度达到300 所需的时间来定义耐火极限。燃烧试验结束后，用游标卡尺多次测量受火面的厚度，并取平均值即为涂料的发泡厚度，可计算出膨胀倍数。

2. 3. 4粘结强厦测定方法

在本次试验中，粘结强度的测定是依据胶粘剂拉伸剪切强度测定方法进行，将预先制备好的试样如图2所示，两块试板通过中央约25 mm x 12. 5 mm面积的涂料粘接在一块，将试件两端安装在试验机上，并沿钢板平行方向施加力，加载速度维持在约150-200 N/min的速度，直到连接破坏，通过图表读出最大拉伸载荷，以多次试验剔除最大误差后的平均值表示，试验不少于5次。最后依据公式计算出粘结强度。

3试验结果与分析讨论

3. 1以耐火极限进行的正交试验性能评定

从表3试验数据不难发现，该涂料的耐火时间和膨胀倍数的数值呈同一变化趋势回，因此，耐火时间可作为耐火极限的主要评价指标，在各因素极差分析中，A因素极差最大，认为对涂料耐火极限的整体影响最大。对于A, B, C和D四因素均值水平分析得到其最好水平依次为水平二、水平二、水平三和水平二;综合分析得到最佳防火性能组合。

3. 2以粘结强度进行的正交试验性能评定

从试验数据分析，认为因素A的极差最大，表明因素A是涂料粘结强度最大的影响因素，均值大小分析可知A, B,C和D四因素的最好水平依次为水平三、水平二、水平三和水平三。

通过对防火体系试验数据综合分析表明，对于耐火极限而言，A和B因素对涂料影响较显著，且随其含量的增加，耐火极限的变化趋势为先增大后减小，且A和B都有影响最佳值。C, D的影响次之，且其含量有利于耐火性能的增长，但是C,D的量要和A与B的量协调一致后才能发挥较好的耐火性能。对于粘结强度而言，因素A对粘结强度的影响远大于B和C。

基于上述成份组合的涂料不仅能够满足国家标准的要求，而且在一些主要性能方面与其它涂料相比有较大的优势。

4结论

(1)通过正交设计对试验进行了优化，并以耐火极限和粘结强度作为评价指标体系科学试验，分析出涂料中各个主要成份对性能的影响程度，得到本试验超薄钢结构防火防腐蚀涂料的最佳配方即基料树脂30 g，阻燃体系41 g,颜填料10 g，助剂5 g,溶剂16 g。

(2)经防火性能及耐候性测试，本次涂料配方可实现的耐火极限约为92 min，效果十分优良，且具有较好的粘结强度和耐候防腐性。