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钢结构的泡沫防火层

体育场馆、摩天大楼和机场航站楼等大型建筑必须满足高于正常标准的消防要求。尤其当这些建筑采用的是钢架,钢架在灾难性事故发生时会很快失去稳定性。VINNAPAS®威耐实®EZ 3112是瓦克生产的一种新型基料,有助于提高钢结构的耐热性。

穿“泡沫夹克”的钢结构 | 2013年07月19日 | 6:23 min

巴西于2014年和2016年先后举办世界杯和奥运会,全世界都目不转睛地收看赛况转播。届时,成千上万的粉丝涌入具有未来主义色彩的巨型体育场馆,一场场惊心动魄的体育赛事将在这里打响,气势磅礴的钢架和钢屋盖营造出明亮通风的馆内环境。钢架虽然自重很轻,但具有出色的承重能力。由于钢架采用了预制构件,因此能够在很短时间内轻松完成组装。钢结构自然就成为展示大厅和机场航站楼骨架结构的理想选择。这种结构方式在远东新兴城市的办公大楼群中尤为受到追捧。但是,随着人口密集度逐渐增大,除了考虑施工效率和美观性以外,安全成了核心问题之一。

打造更为复杂的建筑

瓦克聚合物乳液和树脂部门技术服务经理Wilfried Huster博士与Stefanie Werkstetter在应用技术实验室的储存区会晤。

“建筑正变得日益复杂和精巧。与此同时,建筑仍需要满足各种安全标准的规定,”瓦克聚合物乳液应用技术欧洲区负责人Wilfried Huster博士说。对于防火建筑而言,这一点尤为重要。的确,钢柱本身不易燃,但这种高度稳定的材料却有一个软肋——无法承受炙热的灼烤。当温度达到500 °C时,钢架就会快速软化,建筑就会面临坍塌的危险。“一般而言,钢材会‘漂走’,”瓦克博格豪森生产基地工艺工程师兼应急服务/消防部门负责人Niels Friede博士说。不仅如此,钢材受热后体积会大幅膨胀。“不同于尺寸变化不大的石墙乃至木质墙,钢柱会变长、变宽。如此一来,其他构件会在钢柱的作用下分崩离析,从而进一步破坏结构稳定性,”Friede补充道。

有效提升耐热性

防火涂料正在科莱恩公司实验室接受测试: 当温度上升到200至250 °C,多磷酸铵(涂料的主要成分)开始分解,并与季戊四醇发生反应,产生磷酸酯。随着温度上升,三聚氰胺成分开始分解,产生氨气和氧气,使得磷酸酯的碳磷残留物发生膨胀。

这正是为何防火性能在钢架结构中如此重要的原因。一种解决方案是通过在钢柱表面涂覆膨胀涂料的方法提高其耐火性,一旦发生火灾,这种涂料就会自行膨胀,赋予钢柱更强大的“耐受力”。与其他涂料一样,膨胀涂料的涂覆厚度从只有300微米到几毫米不等,准确厚度视应用要求而定。尽管这些隔热层相对较薄,却具有强大的保护能力。“火灾发生时,涂料会膨胀到原厚度的10倍甚至100倍,从而在钢柱周围形成隔热泡沫层,”Huster说。这种隔热性能源自高密度、超细孔泡沫。泡沫有助于降低钢柱的受热速度,大大延长了其达到临界温度500 °C的时间。“因此,建筑的耐火时间得以大大延长,从而为救援队伍挽救生命争取到更多的宝贵时间,”消防专家Friede补充道。

在短短几分钟时间里,就形成了几厘米厚的隔热层,其厚度是原涂层的数百倍。

如果想让膨胀涂料在火灾发生时产生隔热泡沫,某些特定成分是必不可少的。除了三聚氰胺、季戊四醇和聚磷酸铵(如科莱恩公司的Exolit® AP)等“反应活性”成分之外,膨胀涂料还含有瓦克制造的有机基料。“基料在传统内墙涂料的作用是将填料颗粒结合在一起,而其在消防涂料中的作用远不止于此。它还有很多用武之地,”Huster强调说。

当温度上升至250 °C,基料熔化形成基体,而后发生后续热化学反应。首先发生的是多磷酸铵分解反应,多磷酸铵在膨胀涂料中占到四分之一的比重,是其中比重最大的成分。磷酸与季戊四醇发生反应,产生磷酸酯。如果温度持续上升,磷酸酯开始分解,形成磷酸酯的碳磷残留物。与此同时,三聚氰胺也开始分解,释放出氨气和氮气。这些气体作为起泡剂,使得磷酸酯的碳磷残留物不断发生膨胀,从而形成隔热泡沫层。

湍流和振动

“大量研究结果表明,含有醋酸乙烯酯和乙烯的特殊共聚物,即VAE乳液以及三元共聚物在制作高稳定性基体方面尤为有效,”Huster解释说。如果不添加基料,泡沫层将过于脆弱易碎,无法对钢质基材形成足够的粘结力,从而无法发挥隔热层的功效。“火灾发生时通常都会伴随着严重的空气湍流和振动。“泡沫层不会出现剥落这一点至关重要,”科莱恩公司膨胀涂料部门大客户经理Achim Hennemann说,该化学品公司主要生产的是防火涂料的主要成分——多磷酸铵(Exolit®)。

尽管基料在膨胀涂料中扮演的是次要角色,但对于其功效起着至关重要的作用,原因在于基料决定着泡沫层的形成速度及其在钢柱周围的厚度。这就意味着,瓦克聚合物专家在全力开发适用于上述应用领域的专用新型乳液时,需要与科莱恩公司的同事保持密切合作。新型VINNAPAS®威耐实®EZ 3112乳液产生的泡沫量更大,气孔结构更细腻、更密实。与传统体系相比,涂层的整体厚度更薄,因而可以有效提高效率,但不会对隔热效果造成影响。因此,添加新型基料可以减少涂覆次数。

“膨胀涂料通常需要涂七层,而且也需要晾干七次,”科莱恩公司经理Hennemann解释说。“涂层厚度变薄在具备同样功效(耐火时间)的同时,还有助于节省材料、时间和成本。”

通过膨胀涂料有效防火

钢柱防火测试:图1:未涂覆膨胀涂料的钢柱

对于VINNAPAS®威耐实®EZ 3112,瓦克专家同样确保其符合日益严格的可持续性发展方面的要求——这种新型基料不含增塑剂,而且生产过程中无需使用含有烷基酚聚氧乙烯醚(APEO)的材料。这种基料的另一个环保优势是:不含有机溶剂,属于水性乳液。“水性防火涂料市场规模将在未来数年大幅增长,”Hennemann预测道。

基料不仅仅在火灾发生时才有用武之地。涂料公司通常会将防火涂料储存较长一段时间。“防火涂料的粘度在整个储存期间都应保持不变,即产品必须保持稳定性,”瓦克专家Huster强调说。“添加了新型基料后,即便在高温条件下储存,产品也能保持稳定性。”

图2:涂覆膨胀涂料的钢柱

几乎各个国家都规定,无论是在全玻璃幕墙透明展示大厅还是在高耸入云的办公大楼内,钢结构都必须满足特定的耐火时间标准。在德国,“F 30”表示承重钢结构必须能够在正常条件下至少耐火(耐热)30分钟。为了达到规定的耐火等级,钢材本身的横剖面越小,所需防火涂层就越厚。现如今,膨胀涂料配方能够达到F级耐火等级,可耐火两个小时甚至更长时间,”科莱恩公司的Hennemann说。

瓦克确保了钢结构具有良好的耐火性,从而为挽救生命争取到更多宝贵时间,VINNAPAS®威耐实 EZ 3112便是其中一个例证。

“产生泡沫的基体”——科莱恩公司膨胀涂料技术营销部门经理Klaus Bender博士说,做好消防工作不仅能赢得宝贵的时间,同时还能挽救生命。

Klaus Bender博士现任科莱恩公司膨胀涂料应用技术部门负责人。

为何钢结构需要有针对性地采取防火安全预防措施?

火灾发生时会产生极高的温度。尽管金属本身不会燃烧,但如果其未经防护,钢柱会在短短10-20分钟时间里软化和崩塌,时间长短具体视火势和钢柱厚度而定。为了帮助消防部门赢得充足的疏散时间,钢结构建筑尤其需要做好防火措施。由于火灾发生时,膨胀涂料会膨胀到原厚度的100倍,可有效隔热,是确保钢结构有效隔热的理想选择。在此过程中形成的密实泡沫拥有稳定的碳主链,其成分在高温作用下发生反应,结构更为紧密。

您如何测试这些成分是否适用于防火涂料?

在我们位于Hürth-Knapsack的实验室,我们将膨胀涂料涂覆在小型钢板表面,然后将其置于高温环境下。我们利用特制熔炉模拟火灾场景,确保火灾情况与DIN 4102第8部分的要求相符。例如,特制熔炉在短短35分钟时间里就能达到800 °C。泡沫层起初是黑色的,但随着温度升高颜色逐渐变淡,最后变成雪白色。这与木炭燃烧成灰的过程很相似。

膨胀涂料包含哪些重要成分?

其主要成分是科莱恩公司在德国生产的Exolit® AP牌多磷酸铵(APP),约占20%-30%,具体视配方而定。一般而言,泡沫隔热层由多磷酸铵的分解产物以及另一种作为碳供体的化学品组成。尽管如此,但基料的质量对于膨胀涂料而言至关重要。由于基料产生的基体将形成泡沫,基料决定了配方的成功与否。

火灾发生时,泡沫防护层如何发挥作用?

泡沫防护层最主要的作用是尽可能降低钢材表面的温度。这样,它们就能赢得更多时间,以便成功营救人员。钢柱必须在达到临界温度之前至少保持30、60、90或120分钟,时间长短具体视建筑的防火等级而定,各国规定可能存在较大差异。这就为人员撤离赢得了宝贵的时间。无论是在医院、机场、商场和体育场馆,还是在其他公众聚集场所,争取更多的灭火时间就能挽救更多的生命。此外,防火涂料具有很长的使用寿命并能在很长时间乃至数十年时间里完全发挥作用,这一点也是很重要的。因此,需要对承重构件进行定期检查,以确保涂层的完整性。如果涂层受损,只需要将受到影响的区域用砂纸磨去,重新涂覆即可。