应用热分析技术辨识耐火涂料产品可行性研究

应用热分析技术辨识耐火涂料产品可行性研究

魏美晓

深圳市柳鑫实业股份有限公司 广东省深圳市 518000

摘要：钢结构工程一直为建筑及土木工程上的建筑型式之一，凡是桥梁、建筑物等工程皆有应用，尤其是在高层建筑的使用上，钢结构建筑的自重、强度、耐震性等，皆较传统钢筋混凝土建筑为优，因而被大量采用于大型高层建筑物之上，但钢结构的耐火性不佳，在建筑物防火上较为不利，为其材料使用上的缺点之一。钢结构用耐火涂料外观方面与一般油漆涂料相近，使用者分辨不易，且易与不具有防火时效的涂料造成混淆影响防火安全；热分析技术是运用材料受热后分解，产生化学热反应，量测获得产品热重分析与热差分析的图谱。钢结构工程的防火方式，皆以隔热性为首要目标，阻绝外界的高温传递，降低热源传导速率，使构件在一定时间内不致达到使强度降低其温度，此即为耐火被覆材料，目前所使用钢结构耐火被覆方式有喷覆式耐火被覆材、膨胀型耐火涂料、防火被覆版材等类型，在相同材料有稳定的再现性，相异的涂料产品之间亦有良好的鉴别力，以此技术作为材料产品品质管理具有可行性。

关键词：热分析技术；辨识；耐火涂料；可行性

一、研究目的

本研究的目的主要有三点，如下所示︰

（一）拟透过钢结构的膨胀型耐火涂料为主要对象，利用热分析技术，分析耐火涂料产品，建立耐火涂料的分析图谱。

（二）确立分析图谱分析耐火涂料产品的可行性。

（三）观察耐火涂料产品之间及耐火涂料与非耐火涂料的差异性。

二、耐火被覆材料的特性与种类

（一）耐火被覆材料的特性

耐火被覆材料即是使用耐火被覆在钢材表面加作一隔热良好的不燃材料，使其可阻绝外界的高温，降低热源传导速率，使钢材构件在有效时间内不致达到其强度降低及软化其温度。而使用耐火被覆的目的可分成三点1.提供耐火功能，使钢材在火灾中维持既有的结构功能，保持强度不显著减失。2.保护建筑物结构体，使其能提供一定时效以上的结构安全。3.延缓建筑物倒塌危险，以便于人员的疏散及火场的灌救。

（二）耐火被覆材料的种类

目前所使用的耐火被覆材料种类繁多，如依照使用材料分类，则可分成耐火被覆类及喷覆式耐火被覆材、膨胀型耐火涂料类等两大类型，又以耐火涂料最为常见，其特点为施工快速、机具简单等。耐火涂料依其组成成分与耐火机理不同，可分成膨胀型及非膨胀型两大类型。依建筑中心分类，大致上分为喷附式防火被覆材料、防火被覆板以及膨胀型耐火涂料。近来以耐火涂料最为常见，其特点为施工快速、机具简单等，而耐火涂料依其组成成分与耐火机理不同，可分成水性膨胀型及油性膨胀型等类型。

经本研究整理归纳可将耐火被覆材料分为以下三大类，其优缺点如下所示：

1、喷附式防火被覆材料

以质地轻，隔热性佳的材料直接喷涂于钢材表面，形成隔热层，主要分为湿式、半湿式及干式施工法。优点：施工快、设计弹性大。缺点：施工时污染性高、装饰性低。

2、防火被覆板

如硅酸钙板，蛭石板或石膏板等，依型钢尺寸裁制成形包覆，以达其隔热之目的。优点：其施工快速，并可直接取代部份隔间板材，无污染。缺点：设计弹性低、自重大。

3、膨胀型耐火涂料

利用涂料本身遇热产生化学变化而膨胀至一定厚度，形成隔热层。优点：施工快速便利、污染性较小、自重极轻、装饰性高。缺点：单价高。本研究针对膨胀型耐火涂料作为主要研究对象。

三、热分析原理及材料分析方法

（一）热分析原理

将物质加热或冷却来观察物质变化是一种古老且基本的方法。在近20年来，热分析技术大量应用于学术与工业上，如高分子聚合物、陶瓷矿物、医药、食品、沸石、触媒、油品检测及石化工业，研究的对象有相转换、熔解、升华、烈解、挥发、异相催化、加成反应等等，其中包含了三件要素：

1、必须有可能被测量的物理性质。2、测量必须是以直接或间接的温度函数表示。3、测量必须是在温度控制程式下进行，也就是必须在固定升温或降温，或恆温的过程中进行测量，例如使用最广泛的热分析法TGA，DTA或DSC均是利用温度控制程式下，分别观察重量、样品与参考物品之间的温度及能量的变化。

热分析仪主要是在程序控制温度下自动连续追踪物质的物理性质与温度关系，其中最广为运用之热分析仪为热重分析仪而后还有示差扫描热卡计及热机械分析仪。

（二）材料分析方法

微电子材料的分析技术可以概分为结构分析（物性）与成份分析（化性）两大类。其分析方法多利用一入射粒子束(Source)如电子束、离子束、光束（含可见光及X光射线）及微探针(Probe)等，与试片作用产生各种二次粒子后，侦测其作用后产生的讯号，来分析材料各项材料特性。

一般常见的材料分析技术，可得知试片的(1)表面或材料内部的显微结构影像，此类的代表仪器包括扫描式电子显微镜(SEM)、穿透式电子显微镜(TEM)及原子力显微镜（AFM）等；(2)材料成份分析，此类的代表仪器包括X光能量散布分析仪(EDS)、表面化学分析仪(ESCA)、欧杰电子显微镜(AES)及二次离子质谱仪(SIMS)等；及(3)材料结晶结构鉴定与分析，此类的代表仪器包括X光绕射分析仪(XRD)及穿透式电子显微镜

用热分析取得之成果，往往集中在固有的属性，例如热重分析的组成或者复杂的分析材料的行为，通常热分析的方法更集中于过程特性和产品特性。在涂料工业中使用热分析时的仪器说明、实验条件和典型的结果。

1、热差分析仪

热差分析为主要的热分析方法之一，实验方法是于程式控制温度下，量测物质与参考物之间的温度差与温度关系的一项量测技术。DTA曲线的几何关系表示测量物质之所有热性质，包括热反应之起始温度，热反应之最高温度与最低温度；此外，亦可判断出样品升温后为吸热或放热反应，吸热反应包含有：脱水、脱氢、熔融、沸腾和升华、还原作用、分解作用，晶体破坏等。放热反应包含有加热分解、非晶质状态过度为结晶态、玻璃质的再结晶作用、固相反应和氧化作用。

2、热重分析仪

热重分析仪是热分析领域中相当普遍使用的工具；大部分的化学分析仪都是以“微观”的角度进行直接或间接的探讨，但热分析仪却是以巨观的角度来探讨分析物在升温程式中重量对温度及时间的变化。大部分工业的应用是利用物质的

巨观性质而非微观性质。将样品置于特定气氛之下改变其温度环境或维持在一固定温度之下，观察样品的重量变化情形，进而推断样品的特性与组成。因此，热重分析仪中有两大最重要的元件：温度控制元件及重量量测元件。藉由两者的结合，在不同温度条件下的重量变化都能被完整的记录下

四、结论

以热重分析和热差分析为主的热分析技术，在个别涂料产品的图谱，呈现良好的再现性关系；而相异的涂料产品之间亦有良好的鉴别度。观察个别涂料产品的图谱的特徵，可建立个别涂料的辨识码，具有产品辨识的功用。应用热分析技术可以在短时间内利用试验图谱经由识别码初步及量化比对，辨识施工涂布之材料与原设计之材料是否相符一致，所得结论如下面几点。

1.透过钢结构之膨胀型耐火涂料为主要对象，利用热分析技术，分析耐火涂料产品，建立耐火涂料之分析图谱资料库及辨识码，可供后市场管理。

2.分析图谱分析耐火涂料产品是可行的，在个别涂料产品的图谱，呈现良好的再现性关系。

3.相异涂料产品之间由于成分的组成不同，所以不同涂料有个别的图谱及辨识码，亦有良好的辨识能力。

参考文献：

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