Lời mở đầu: Sơn chống cháy – giúp kết cấu thép “trụ vững” qua 180 phút quan trọng giữa ngọn lửa dữ dội
Điểm yếu chết người của kết cấu thép (nhà cao tầng/cầu/thiết bị hóa dầu)Khi nhiệt độ tăng lên >500°C — giới hạn chảy của thép giảm một nửa — >600°C — mất khả năng chịu tải — kết cấu sụp đổ
— nguyên nhân trực tiếp khiến Tháp đôi WTC sập ngày 11/9 — không phải do va chạm máy bay — mà là do dầu máy bay cháy (>1000°C) — lớp sơn chống cháy kết cấu thép失效 — thép mềm ra — các tầng sụp theo kiểu ”chồng bánh kếp”. Sứ mệnh của sơn chống cháyTrong điều kiện đường cong cháy tiêu chuẩn (ISO 834/nhiệt độ phòng → >500°C/5phút → >800°C/30phút → >1000°C/120phút) — kéo dài thời gian hạ nhiệt độ kết cấu thép từ >1000°C xuống 60-180 phút
— đó là giá trị ”dùng vài mm lớp sơn — đổi lấy hàng trăm mạng sống” của sơn chống cháy.
Sơn chống cháy trương nở là một loại sơn chức năng đặc biệt gồm ba thành phần chức năng chính: nguồn axit (amoni polyphotphat APP – xúc tác tách nước tạo cacbon), nguồn cacbon (pentaerythritol PER – cung cấp khung cacbon) và nguồn khí (melamin MEL – tạo bọt trương nở) – phối hợp với nhựa nền (epoxy/acrylic/alkyd) – dưới nhiệt độ cao của đám cháy (>200°C) thông qua ba bước phản ứng “xúc tác axit tách nước → cacbon hóa → nguồn khí thổi phồng” – lớp sơn trương nở >50-100 lần – hình thành lớp cacbon bọt xốp dày >2-5cm (độ dẫn nhiệt <0,1W/m·K) – giữ nhiệt độ kết cấu thép bên dưới trong phạm vi an toàn (<140°C) trong 60-180 phút – bảo vệ tính toàn vẹn của kết cấu công trình và an toàn tính mạng con người.
I. Hệ hóa học “ba nguồn” của sơn chống cháy trương nở
| Thành phần | Hợp chất đại diện | Nhiệt độ phân hủy(°C) | Cơ chế tác dụng | Tỷ lệ phối trộn điển hình(%) | Chỉ tiêu chất lượng chính |
|---|---|---|---|---|---|
| Nguồn axit(Dehydrating Agent) | APP(Ammonium polyphosphate/độ trùng hợp>1000) | >215°C——giải phóng polyphosphoric acid | Polyphosphoric acid xúc tác -OH của nguồn carbon(PER) mất nước tạo este——hình thành photphat este——tiếp tục nhiệt phân——cacbon hóa”chất xúc tác mất nước tạo carbon” | 25-35 | Độ trùng hợp>1000(kháng nước/không di chuyển)/hàm lượng P₂O₅>55%/độ tan trong nước<0.5g/100ml |
| Nguồn carbon(Carbonific) | PER(Pentaerythritol/di-pentaerythritol) | >250°C(khi tồn tại cùng APP——este hóa sớm hơn) | Nhiều nhóm hydroxyl(-OH) este hóa với polyphosphoric acid——mất nước——cacbon hóa——hình thành lớp carbon graphit hóa(“khung carbon”) | 10-15 | Độ tinh khiết>98%/hàm lượng hydroxyl(hàm lượng OH lý thuyết%=58.8%)/độ mịn<50μm |
| Nguồn khí(Spumific) | MEL(Melamine) | >300°C——thăng hoa + phân hủy | Bị nhiệt thăng hoa + phân hủy——giải phóng khí trơ như NH₃/N₂/CO₂——thổi phồng lớp carbon ở trạng thái nóng chảy”bị thổi phồng” tạo bọt——tỷ lệ trương nở>50×——độ dày lớp carbon>2-5cm | 10-15 | Độ tinh khiết>99%/khoảng nhiệt độ phân hủy hẹp(300-350°C”tạo bọt tập trung”) |
| Nhựa nền | Epoxy/acrylic/alkyd | Thay đổi(>150°C làm mềm) | Ở nhiệt độ thấp——cung cấp tính toàn vẹn vật lý và độ bám dính của lớp phủ——ở >200°C——nhựa làm mềm——trở thành ”vật mang nóng chảy” để nguồn khí thổi phồng——nguồn carbon/nguồn axit phản ứng trong nhựa | 25-40 | Tg/điểm làm mềm——phù hợp với nhiệt độ phản ứng của APP/PER/MEL”đồng bộ với ba nguồn” |
Câu hỏi thường gặp
Q1: Tỷ lệ phối trộn kinh điển của APP/PER/MEL (3:1:1) — Tại sao lại là tỷ lệ này — Nếu lệch đi thì sao?
3:1:1 (APP:PER:MEL — tỷ lệ theo trọng lượng) là “hiệp đồng tối ưu” đạt được sau hơn 40 năm tối ưu hóa và vô số thử nghiệm công thức (1) APP chiếm主导地位 (>50% tổng ba nguồn) — vì cần đủ nhiều polyphosphat — xúc tác este hóa nhóm -OH của toàn bộ PER — nếu APP thiếu — một phần PER không được este hóa — không thể cacbon hóa — lớp carbon “khung xương lỏng lẻo” — tỷ lệ trương nở <20 — thời gian chịu lửa <30 phút
; (2) PER 10-15% — đủ “khung xương” carbon nhưng không quá nhiều — PER quá nhiều — lớp carbon quá dày đặc — nguồn khí khó thổi phồng “trương nở kém” — PER thiếu — lớp carbon quá mỏng “bị thổi vỡ” — không cách nhiệt; (3) MEL 10-15% — cung cấp lượng khí thích hợp — MEL quá nhiều “tạo bọt quá mức” — lớp carbon quá dày nhưng “xốp và yếu” — độ bền cấu trúc thấp — dưới tác động quét của ngọn lửa lớp carbon “nổ vỡ bong ra” — MEL thiếu “tạo bọt không đủ” — lớp carbon mỏng — không cách nhiệt. Công thức lệch ±2% — tính năng chịu lửa có thể giảm >30% — tỷ lệ phối “ba nguồn” — là “công thức sinh mệnh” của sơn chống cháy.
Q2: Tại sao “độ dẫn nhiệt” của lớp carbon trương nở >2cm có thể hạ 1000°C xuống <140°C?
Lớp carbon trương nở——cấu trúc bọt (lỗ kín/lỗ hở——>90% độ rỗng)——được lấp đầy bằng khí trơ N₂/CO₂——độ dẫn nhiệt của khí (>0,01-0,03W/m·K——thấp hơn nhiều so với thép >50——carbon >5)độ dẫn nhiệt hiệu dụng tổng thể của lớp carbon <0,1W/m·K——bằng 1/500 của thép
. (1) Định luật Fourier——dòng nhiệt ổn định qua lớp carbon Q=(k/δ)×(T_fire-T_steel)——k=0,1——δ=0,03m (>3cm lớp carbon)——chênh lệch nhiệt độ ΔT≈900°C——Q≈3000W/m²——trong khi kết cấu thép tỏa nhiệt ra xung quanh——có thể chịu được dòng nhiệt này——nhiệt độ thép ổn định ở <140°C; (2) lớp carbon 3×——thép >500°C——hư hỏng. “Độ dày” lớp carbon do tỷ lệ trương nở quyết định (>50×——DFT ban đầu 50μm——trương nở→>2,5cm lớp carbon——5cm lớp carbon). “Độ dày tức là tuổi thọ” — đó là lý do sơn chống cháy cần DFT >0,5-5mm——dày gấp 10-100 lần so với lớp sơn chống ăn mòn thông thường.
Q3: Epoxy, acrylic, alkyd – loại nhựa nền nào phù hợp nhất với hệ APP/PER/MEL?
(1) Epoxy – kháng hóa chất + độ bám dính tốt – nhưng epoxy ở >200°C “không mềm” mà phân hủy trực tiếp – cacbon hóa – lớp cacbon “cứng giòn” dưới tác động của ngọn lửa “nứt giòn” – hiệu năng chống cháy không ổn định – thường cần thêm “chất tăng dẻo” (este photphat – dẻo hóa rắn – cải thiện độ dẻo dai lớp cacbon) – hệ epoxy thích hợp dùng cho trong nhà/không có UV
(bồn chứa – hóa dầu – môi trường hóa chất “phòng cháy epoxy – loại phủ dày”); (2) Acrylic – Tg thấp – nhiệt độ mềm (>>100-150°C) – khớp với cửa sổ phản ứng APP/PER/MEL “vật mang nóng chảy tối ưu” lớp cacbon đồng đều – tỷ lệ trương nở ổn định – kháng thời tiết tốt – kết cấu thép ngoài trời”
– là nhựa nền chủ đạo hiện nay của sơn chống cháy (>60% thị phần) – nhưng kháng hóa chất < epoxy – không thích hợp môi trường axit kiềm mạnh; (3) Alkyd – khô chậm – liên kết chéo oxy hóa – màng dày – nhưng alkyd chứa C=C không bão hòa – ở >200°C – phân hủy oxy hóa – cấu trúc lớp cacbon lỏng lẻo “tỷ lệ trương nở lớn nhưng độ bền kém” hiệu năng chống cháy dao động lớn – hiện thị phần sơn chống cháy <10%
– chủ yếu bị acrylic thay thế.
Q4: Sự khác biệt thi công giữa sơn chống cháy “loại phủ dày” >2mm và “loại phủ mỏng” <0,5mm?
Loại phủ dày (gốc epoxy——DFT>2-5mm)——(1) Cần thi công nhiều lớp (mỗi lớp 5 lớp——mỗi lớp cách nhau >6h (khô bề mặt)
; (2) Dụng cụ thi công——dao trét/bình xịt hai thành phần/”máy phun không khí ——áp lực >250bar——do độ nhớt sơn cực cao (>2000mPa·s)——chứa nhiều pha rắn APP/PER/MEL (>60% trọng lượng——rắn “dạng cát” tắc đường ống——cần đường kính ống >1/2 inch + bơm vữa”; (3) Bảo dưỡng——>7-14 ngày——nhiệt độ môi trường >5°C——độ ẩm <85% "epoxy liên kết chéo hoàn toàn——mới có thể thử nghiệm chịu lửa——chưa đóng rắn hoàn toàn——tính năng chịu lửa giảm nghiêm trọng". Loại phủ mỏng (acrylic——DFT<0,5mm)——(1) một lớp (>0,2mm) hoặc hai lớp——phun không khí thông thường “thi công đơn giản——ngoại quan đẹp——có thể làm trang trí kiến trúc”; (2) nhưng giới hạn chịu lửa loại phủ dày——có thể >180min (>3mm DFT). “Phủ mỏng——đẹp——chịu lửa ngắn——công trình/thương mại——phủ dày——công nghiệp——chịu lửa dài——hóa dầu——hầm”.
Q5: Mối quan hệ giữa GB 14907-2018 (Sơn chống cháy cho kết cấu thép) và ISO 834 (Đường cong tăng nhiệt độ cháy tiêu chuẩn)?
Đường cong ISO 834 ”cháy tiêu chuẩn —— thời gian-nhiệt độ —— T=20+345×log₁₀(8t+1) —— t=phút —— 1h→945°C —— 2h→1033°C —— 3h→1082°C —— 4h→1114°C” là mô hình tăng nhiệt độ cháy công trình xây dựng phổ dụng —— đường cong nguồn lửa tiêu chuẩn cho thử nghiệm chống cháy toàn cầu”. GB 14907-2018 —— bắt buộc tại Trung Quốc —— (1) viện dẫn ISO 834 làm điều kiện tăng nhiệt (tương đương ”điều kiện tăng nhiệt —— GB/T 9978 —— ISO 834″) —— (2) bổ sung —— giới hạn chịu lửa —— R (chịu tải)/E (tính toàn vẹn)/I (cách nhiệt) —— >0.5h —— 1h —— 1.5h —— 2h —— 2.5h —— 3h —— sáu cấp —— đối chiếu với cấp chống cháy của GB 50016 (Quy phạm thiết kế kiến trúc phòng cháy). GB ”tương đương với ISO —— điều kiện thử nghiệm nhất quán —— cấp chịu lửa —— định dạng Trung Quốc —— R/E/I”.
Bài đọc liên quan
Tóm tắt
Sơn chống cháy trương nở — nguồn axit (APP — xúc tác khử nước) + nguồn cacbon (PER — khung cacbon) + nguồn khí (MEL — tạo bọt) — ở nhiệt độ cháy >200°C xảy ra ba bước phản ứng “este hóa khử nước xúc tác axit — cacbon hóa — khí thổi phồng” — độ dày “0,5–5 mm” của lớp sơn trương nở thành lớp cacbon bọt >2–5 cm — độ dẫn nhiệt <0,1 — khóa nhiệt độ kết cấu thép ở 60–180 phút. Kexin New Materials sản xuất các loại sơn chống cháy — chứng nhận GB 14907 “trầm lặng — nhưng — gặp lửa liền chiến — lớp sơn milimet — đổi lấy thời gian sinh mạng — ‘giáp’ hóa học”.