引 言
防火涂料要達到防火要求，須同時滿足完整性、隔熱性的要求。完整性要求防火涂料在整個火災過程中須保持防火涂層的持續完整。構成非膨脹型防火涂料的主要組份為粘結劑、耐火填料和隔熱填料。粘結劑不僅將防火涂料的耐火材料和輕質隔熱材料粘結在一起，而且將防火涂料束縛到鋼結構表面。這要求防火涂料不僅能隔熱，而且防火涂料的抗熱震性較好，因此，粘結劑作為非膨脹型防火涂料的關鍵組份之一，抗熱震性好，能最大限度保持防火涂料的完整性。
常用的耐高溫粘結劑主要有磷酸鹽、硅酸鹽和硼酸鹽等。非膨脹型防火涂料選用性價比較高的硅酸鹽粘結劑，該類粘結劑主要含有氧化硅、氧化鋁、氧化鎂、氧化鈉、氧化鈣、氧化鈦、氧化磷、氧化硫等金屬氧化物或非金屬氧化物。
從顏色上劃分，非膨脹型防火涂料所用的粘結劑一般分為白色和黑色兩種。白色粘結劑具有裝飾效果，能改善涂料外觀；黑色粘結劑價格低，主要用于性價比較高的防火保護場所。
本研究分別選用白色和黑色這兩種硅酸鹽粘結劑，利用Ｘ射線熒光光譜儀分析粘結劑的成份，從理論上分析材料的耐火性能。通過燒結點儀，拍攝加熱條件下粘結劑的圖像，利用圖像軟件，計算圖像的面積及其收縮率，再繪制粘結劑溫度-面積收縮率圖，找到高溫下步粘結劑的失效規律，以便選擇或配制粘結劑。
1、粘結劑成份分析
1.1粘結劑的成份測定
利用Ｘ射線熒光光譜儀分別分析白色粘結劑和黑色粘結劑的成份，結果如表1所示。
表1 粘結劑成份分析
1.2粘結劑耐火性能討論
非膨脹型防火涂料粘結劑中含量＞1%的氧化物主要為MgO、Al2O3、SiO2、CaO 和Fe2O3、SO3和CaO。然而SO3高溫時變成氣體，脫離粘結劑，因此，不應該計為耐火材料的有效成份。而上述其他氧化物含量的比例大小，影響了粘結劑的耐火度。
根據表１成份分析，白色粘結劑中MgO、Al2O3、SiO2、CaO 和Fe2O3的含量之和為96.262％，黑色粘結劑中MgO、Al2O3、SiO2、CaO 和Fe2O3的含量之和為95.899％。如果從氧化物百分比來看，白色粘結劑耐火度大于黑色粘結劑耐火度。
然而，根據晶格能理論，電荷越高，晶格能越大，熔點越高。粘結劑中電荷高且含量高的元素決定了粘結劑的耐火度。粘結劑中含量＞1%的耐火氧化物為Al2O3、SiO2和Fe2O3。白色粘結劑中Al2O3、SiO2和Fe2O3的含量之和為16.763％，黑色粘結劑中Al2O3、SiO2和Fe2O3的含量之和為27.008％。根據晶格能分析顯示，黑色粘結劑耐火度要大于白色粘結劑。顯然，從化學組成分析難以判定粘結劑的耐火性能。
2、粘結劑圖像分析
通過成份分析，得出粘結劑耐火度自相矛盾的結論，因此，該分析方法無法用于篩選合適的粘結劑。若采用加熱方法分析圖像，從圖像上分析粘結劑的收縮率，對于選擇或設計粘結劑可能更為有效。
2.1樣品制作
首先，按照m(粘結劑)：m(水)＝100：12的比例，向粘結劑中加入水，充分攪拌成糊狀，再將糊狀物轉入直徑10 mm、高10 mm的塑料孔內。用灰刀抹平糊狀兩端，再用直徑＜10 mm玻棒捅出成型的粘結劑樣品，并置于紙張上，室溫下干燥24 h，得到干燥的圓柱狀粘結劑樣品。
2.2試驗步驟
打開影像式燒結點儀的加熱爐托盤，將干燥的粘結劑樣品平放于加熱爐托盤坩堝正中央，再輕輕地將加熱爐托盤推入加熱爐內；
接通影像式燒結點儀電源，啟動操作軟件，通過主界面將加熱程序設置為10 ℃/min，加熱溫度調為1200 ℃，拍攝圖像頻率為每隔10 ℃拍攝1次；
轉動攝像頭，使待加熱的樣品處于顯示屏中間，調整焦距，直到能看到清晰的待加熱樣品；
在攝像頭與加熱爐連接線之間，放置攝像頭保護器；
打開加熱爐電源，加熱樣品；
當加熱溫度達1200 ℃，停止加熱并保存圖像數據。
2.3圖像處理
打開圖像處理軟件
提取各溫度點的圖像（見圖 1）
圖 1 高溫下的粘結劑圖像
使用折線連接樣品圖像的邊界
通過主界面的分析菜單，計算圖像的像素
重復2-4步驟，分別統計不同溫度下的圖像像素
2.4數據處理
根據圖像處理軟件的溫度和像素表格，以溫度為橫坐標，以400 ℃時的圖像像素為基本單位，計算各溫度點圖像像素與400 ℃時的圖像像素收縮百分比，如式（1）所示。
以溫度為橫坐標,以面積收縮率為縱坐標，繪制粘結劑的溫度－面積收縮率圖形。
3、結果與討論
3.1白色粘結劑高溫膨脹性能
從400 ℃開始，每隔10 ℃拍攝白色粘結劑在高溫爐中圖像（見圖2）。
圖 2 高溫時白色粘結劑圖像
從圖2中可以看出，隨著溫度的升高，白色粘結劑圖像顏色在變淺，外觀裂紋在減少，體積在減少。因此，僅僅從圖像中，難以判定白色粘結劑的耐火溫度。以溫度為橫坐標,以面積收縮率為縱坐標，繪制白色粘結劑的溫度－面積收縮率圖形(見圖3)。
圖 3 白色粘結劑溫度-面積收縮率
從圖3看出，當白色粘結劑溫度從400 ℃升至650 ℃時，粘結劑體積逐漸減小，減少量最大值為400 ℃面積的6.7%.這是因為水化的白色粘結劑在300 ℃時結合水開始脫去；當溫度達到500 ℃時，粘結劑中石英晶體晶型轉變，體積膨脹，產生的小裂紋開始增大；同時粘結劑的結合水脫離，體積逐漸減小；當溫度升至640 ℃時，結合水全部釋放出來，粘結劑體積達到最低值；當溫度從640 ℃升至860 ℃時，白色粘結劑體積逐漸增加，這是因為白色粘結劑中的硅酸鹽中石英晶型發生改變，石英由β石英轉變為α石英時,其晶體結構中兩個Si-O四面體連接拉直成180°，石英的體積膨脹率劇增，繼續加熱到860 ℃時,α石英轉變為磷石英, 石英體積膨脹率會再次劇增,縮小的圖像面積只有400 ℃時的1.5%；當白色粘結劑溫度從860 ℃升至1150 ℃時，白色粘結劑中含ＫO、ＮaO等低熔點氧化物發生熔融以及揮發物ＳO3的溢出，白色粘結劑體積急劇縮小,當溫度升到1200 ℃時,其圖像面積收縮率為400 ℃時的5%。
從上述分析可看出，在加熱過程中,白色粘結劑經歷了一個急劇收縮、緩慢收縮和再急劇收縮過程。當溫度升至860 ℃左右，圖像面積收縮最平穩；溫度＞860 ℃收縮加劇，該階段使得防火涂層應力增加，當應力增加到極限，涂層出現裂紋，導致涂層防護失效。
3.2黑色粘結劑高溫失效規律
從400 ℃開始，每隔10 ℃拍攝黑色粘結劑在高溫爐中圖像，如圖 4所示。
圖 4 高溫時黑色粘結劑圖像
從圖4中可以看出，隨著溫度的升高，黑色粘結劑圖像體積在增大，但增大的數值也不明顯，沒有量化指標，而且從圖形中難以判定圖像明顯增加的溫度。因此，僅僅從圖像中難以判定黑色粘結劑體積增大的程度。
參照白色粘結劑分析方法,以溫度為橫坐標,以面積收縮率為縱坐標，繪制黑色粘結劑的溫度－收縮率圖形(見圖5)。
圖 5 黑色粘結劑溫度-面積收縮率
從圖5中看出，在加熱的過程中，整體上看,隨著溫度的升高，黑色粘結劑面積在增加。當黑色粘結劑溫度從400℃升至650℃時，黑色粘結劑體積增加較平緩，其面積增加＜2%，這主要是由于黑色粘結劑的熱膨脹和收縮達到一個平衡狀態。當溫度從650 ℃升至1200 ℃時，黑色粘結劑體積增加較快，其面積增加＞10%。
上述分析可看出，黑色粘結劑作為粘結劑時，當溫度升至650 ℃左右，體積較穩定。當溫度從700 ℃升至1200 ℃，涂層體積劇烈膨脹，當膨脹張力增加到一定極限，涂層會出現隆起，涂層遭到破損，同樣也會導致涂層防護失效。
4、結 語
（1）硅酸鹽是非膨脹型防火涂料最常用的粘結劑。利用Ｘ射線熒光光譜儀分析硅酸鹽的化學組成，難以判定耐熱性能。
（2）利用溫度－像素圖形，能清晰地看出兩種硅酸鹽在高溫條件下的體積變化規律：在400-1200 ℃加熱區間內，總體趨勢是白色粘結劑面積減少，黑色粘結劑面積膨脹。
（3）僅用單一的白色粘結劑或者黑色粘結劑，都難以保證防火涂層的完整性。
（4）為最大限度地保證防火涂層高溫時的體積穩定性，可以利用白色粘結劑的高溫收縮和黑色粘結劑的高溫膨脹特性，將白色粘結劑和黑色粘結劑按一定比例配合使用，對粘結劑的配比設計有指導意義。
作者 | 何世家，劉軍軍，張天昊，等
（應急管理部四川消防研究所，成都市，610036）
