一种膨胀型防火涂层与钢质基体之间界面热阻的测试方法

技术领域

本发明属于界面热阻测试技术领域，特别涉及一种膨胀型防火涂层与钢质基体之间界面热阻的测试方法。

背景技术

随着化工园区的发展，罐区作为化工原料、中间体及成品储运的重要区域，近年来呈现罐体大型化、多元化的趋势。由于罐区工艺管线多样、复杂，且储存介质多为具有易燃易爆特性的危险化学品，一旦发生泄漏，极有可能发生火灾爆炸事故。碳钢储罐、不锈钢储罐等金属储罐应用广泛，金属储罐罐身主要由钢质基体构成。众所周知，钢质基体不能燃烧，但作为一种建筑材料，它有一个严重的弱点，即在温度超过540℃时，它会失去结构强度。在火灾中，火场温度通常会达到800～1200℃，如果发生火灾，这些材料会变形，导致建筑物倒塌，造成人员和经济损失。因此，有必要对钢结构进行防火保护。目前，存在两种主要类型的防火系统，即主动防火和被动防火。被动防火系统的主要目的是通过建立限制被保护结构与火焰之间的热量和质量传递的保护屏障来保持结构的完整性。膨胀型防火涂层属于被动防火系统，当防火涂层与钢结构接触时，会出现接触界面。

界面是指复合材料中不同相相互结合的微小区域，通常在微/纳米尺度上。界面结合的紧密程度会显著影响热量在涂层和钢质基体两种不同材质中的传递过程。同时，当涂层与钢质基体接触时，界面热阻出现在接触区域。界面热阻在航空航天结构、电子元器件、光伏转换和核电站等许多领域发挥着非常重要的作用。固体表面由大小和形状不同的峰和谷组成，这种不均匀性是界面热阻的基本原因。因此，两个表面之间的热流主要局限于真正的固体对固体点状接触的有限区域。当热量传递通过防火涂层和钢质基体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，抑制热量的传递。界面热阻近年来已被广泛地运用理论、计算和实验方法进行研究。然而，针对膨胀涂层和钢质基体之间界面热阻的研究，尚未见到相关的研究报道。

本专利是基于此背景开发的一种膨胀型防火涂层与钢质基体之间界面热阻的测试方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膨胀型防火涂层与钢质基体之间界面热阻的测试方法。

本发明是通过如下措施实现的：一种膨胀型防火涂层与钢质基体之间界面热阻的测试方法，其特征在于，包括：

通过位于试样上方的辐射热源对试样进行热辐射；

获取试样防火涂层下表面界面温度、钢质基体上表面界面温度；

依据涂层有效热流公式计算得到涂层尚未开始燃烧热分解表面到界面的有效热流；

获取涂层导热系数、钢质基体导热系数和界面面积；

依据试样防火涂层下表面界面温度、钢质基体上表面界面温度、涂层尚未开始燃烧热分解表面到界面的有效热流、涂层导热系数、钢质基体导热系数、界面面积结合界面热阻公式计算界面热阻。

进一步地，获取试样防火涂层下表面界面温度、钢质基体上表面界面温度，包括：

沿垂直于试样下表面的方向间隔布置若干位于钢质基体内部、防火涂层内部和防火涂层上表面的测点；

对钢质基体内部温度进行曲线拟合，得到钢质基体内部温度随距离变化曲线；

对涂层内部温度进行曲线拟合，得到涂层内部温度随距离变化曲线；

将界面与钢质基体下表面的距离分别带入钢质基体内部温度随距离变化曲线和涂层内部温度随距离变化曲线得到钢质基体上表面界面温度、防火涂层下面界面温度。

进一步地，依据涂层有效热流公式计算得到涂层尚未开始燃烧热分解表面到界面的有效热流，包括：

依据有效热流公式分别计算防火涂层上表面到界面的有效热流、防火涂层上表面到涂层尚未开始燃烧热分解表面的有效热流；并计算差值，此差值为涂层尚未开始燃烧热分解表面到界面的有效热流。

进一步地，获取涂层导热系数，包括：

通过导热仪对防火涂层在不同温度下的导热系数进行测量，拟合得到导热系数和温度变化曲线；

将防火涂层下面界面温度代入导热系数和温度变化曲线得到涂层导热系数。

进一步地，所述界面热阻公式为：

其中，k

所述有效热流公式为：

其中，x

所述界面热阻公式和涂层有效热流公式的推导过程为：

界面热阻为界面两侧温度差与热源的功率之间的比值，表述如下：

其中，T

采用锥形加热器提供外部辐射热源，辐射热源通过热辐射的形式辐射到涂层表面。辐射到涂层表面的热量，一部分由于对流传热和辐射的反射特性将热量散发，其余的热量通过热传导和深度的热辐射进入涂层内部，依据傅里叶定律推导出界面守恒方程，即

公式(2)左侧第一项为涂层传至界面的热流，第二项为辐射锥传至界面的有效热流。公式(2)右侧第一项为界面热阻阻碍的热流，右侧第二项为界面传至钢板的热流。界面厚度非常薄，不过由于存在热阻会导致界面位置出现温差(T

为m处到n处的有效热流，依据边界条件公式(3)计算：

函数T表示为T(x

将公式(2)进一步变换得：

同理，将公式(3)进一步变换得有效热流公式：

其中，x

进一步地，涂层尚未开始燃烧热分解表面的温度小于涂层的起始分解温度，涂层的起始分解温度通过热重分析实验得到。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：依据膨胀型防火涂层和钢质基体内部的温度近似确定出涂层下表面和钢板上表面的界面温度，以此计算界面温差；通过锥形量热仪测试、热重分析和导热系数测试获取界面热阻计算所需要的关键参数。基于计算的界面温差和实验得到的关键参数，结合界面守恒方程计算出界面热阻。本发明拓宽了界面热阻计算模型的适用范围，有助于理解膨胀型防火涂层与钢质基体之间的热保护机制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面所列附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中一种膨胀型防火涂层与钢质基体之间界面热阻的测试方法；

图2是本发明实施例中膨胀防火涂层与钢质基体界面热传递过程示意图；

图3是本发明实施例中钢板开孔及热电偶位置示意图；

图4是本发明实施例中涂层部分热电偶位置示意图；

图5是本发明实施例中涂层的热解燃烧实验分析图；

图6是本发明实施例中界面热阻计算的流程图；

图7是本发明实施例中EP/IFR/HBPSi-2的导热系数；

图8是本发明实施例中EP/IFR/HBPSi-2的TG和DTG曲线；

图9是本发明实施例中50kW/m

图10是本发明实施例中65kW/m

图11是本发明实施例中50kW/m

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

本实施例中具体步骤，在能够实现一种膨胀型防火涂层与钢质基体之间界面热阻的测试方法时，以下步骤并未具有严格上的特定顺序。

参见图1，一种膨胀型防火涂层与钢质基体之间界面热阻的测试方法，其特征在于，包括：

S1、通过位于试样上方的辐射热源对试样进行热辐射；

S2、获取试样防火涂层下表面界面温度、钢质基体上表面界面温度；

S3、依据涂层有效热流公式计算得到涂层尚未开始燃烧热分解表面到界面的有效热流；

S4、获取涂层导热系数、钢质基体导热系数和界面面积；

S5、依据试样防火涂层下表面界面温度、钢质基体上表面界面温度、涂层尚未开始燃烧热分解表面到界面的有效热流、涂层导热系数、钢质基体导热系数、界面面积结合界面热阻公式计算界面热阻。

S2、获取试样防火涂层下表面界面温度、钢质基体上表面界面温度，包括：

S21、沿垂直于试样下表面的方向间隔布置若干位于钢质基体内部、防火涂层内部和防火涂层上表面的测点；

S22、对钢质基体内部温度进行曲线拟合，得到钢质基体内部温度随距离变化曲线；

S23、对涂层内部温度进行曲线拟合，得到涂层内部温度随距离变化曲线；

S24、将界面与钢质基体下表面的距离分别代入钢质基体内部温度随距离变化曲线和涂层内部温度随距离变化曲线得到钢质基体上表面界面温度、防火涂层下面界面温度。

S3、依据涂层有效热流公式计算得到涂层尚未开始燃烧热分解表面到界面的有效热流，包括：

依据有效热流公式分别计算防火涂层上表面到界面的有效热流、防火涂层上表面到涂层尚未开始燃烧热分解表面的有效热流；并计算差值，此差值为涂层尚未开始燃烧热分解表面到界面的有效热流。

S4中获取涂层导热系数，包括：

S41、通过导热仪对防火涂层在不同温度下的导热系数进行测量，拟合得到导热系数和温度变化曲线；

S42、将防火涂层下面界面温度代入导热系数和温度变化曲线得到涂层导热系数。

进一步地，所述界面热阻公式为：

其中，k

所述有效热流公式为：

其中，x

所述界面热阻公式和涂层有效热流公式的推导过程为：

界面热阻为界面两侧温度差与热源的功率之间的比值，表述如下：

其中，T

采用锥形加热器提供外部辐射热源，辐射热源通过热辐射的形式辐射到涂层表面。辐射到涂层表面的热量，一部分由于对流传热和辐射的反射特性将热量散发，其余的热量通过热传导和深度的热辐射进入涂层内部，依据傅里叶定律推导出界面守恒方程，即

公式(2)左侧第一项为涂层传至界面的热流，第二项为辐射锥传至界面的有效热流。公式(2)右侧第一项为界面热阻阻碍的热流，右侧第二项为界面传至钢板的热流。界面厚度非常薄，不过由于存在热阻会导致界面位置出现温差(T

为m处到n处的有效热流，依据边界条件公式(3)计算：

函数T表示为T(x

将公式(2)进一步变换得界面热阻公式：

同理，将公式(3)进一步变换得有效热流公式：

进一步地，涂层尚未开始燃烧热分解表面的温度小于涂层的起始分解温度，涂层的起始分解温度通过热重分析实验得到。

实施例二：

在实施例一的基础上，本实施例中，参见图1-图11，一种膨胀型防火涂层与钢质基体之间界面热阻的测试方法，具体步骤为：

S1、试样考虑由厚度为10mm的钢板和初始厚度4mm的膨胀涂层组成的复杂一维系统暴露在热辐射下，如图2所示。

S2、获取钢板防火涂层下表面界面温度、钢质基体上表面界面温度；T

沿垂直于钢板下表面的方向间隔布置若干位于钢质基体内部、防火涂层内部和防火涂层上表面的测点。如：采用热电偶分别从钢板底面通过开孔插入钢板和涂层不同位置处，其中TC1、TC4、TC7、TC9、TC11、TC12、TC13、TC14分别表示距离钢板下表面1mm、4mm、7mm、9mm、11mm、12mm、13mm、14mm处的测点，如图3、图4所示。

对钢板内部温度(T

对涂层内部温度(T

S3、依据涂层有效热流公式计算得到涂层尚未开始燃烧热分解表面到界面的有效热流。

钢结构防火涂料想要拥有良好的耐火性能，最根本的一点在于涂层受热时能形成均匀、致密且有一定高度的炭层，由于炭层本身不燃，且具有较低的导热系数，延缓了热量向基材传递的速率，因此能减缓基材的温升，起到保护基材的作用。燃烧后期温度继续升高，树脂基料燃烧殆尽，底部炭层可能会出现不同程度的脱落，炭层与钢质基体之间的附着力减小，炭层对钢质基体的热防护作用减弱，已经失去了涂层本来的防护功能。因此本实施例考虑贴近钢板1mm(即T

需要注意的是，为了便于代入公式计算，引入T

公式(4)中ΔT

TC11至TC10的有效热流(即涂层尚未开始燃烧热分解表面到界面的有效热流)q

各部分的有效热流为：

q

其中q

S4、获取涂层导热系数、钢质基体导热系数和界面面积A。

其中钢板的导热系数作为定值，可以根据材质而定，例如钢板材质为Q235，将钢板的导热系数为40W/(m·K)，界面面积根据实测而得。

获取涂层导热系数时，通过导热仪对防火涂层在不同温度下的导热系数进行测量，拟合得到导热系数和温度变化曲线；

将防火涂层下面界面温度T

S5、依据试样防火涂层下表面界面温度T

进一步地，涂层尚未开始燃烧热分解表面的温度小于涂层的起始分解温度，涂层的起始分解温度通过热重分析实验得到。

实施例三：

在实施例一或实施例二的基础上，提供了一种膨胀型防火涂层与钢质基体之间界面热阻的测试方法的应用。

根据表1配方，将阻燃剂称量后，与60℃水浴加热20min后的环氧树脂混合，加入稀释剂二甲苯，以提高阻燃体系的流动性。用锥形磨将混合物研磨，至试料颗粒细度<20μm。将固化剂聚酰胺加入研磨好的混合料中。将液体混合料倾倒在钢板表面，在鼓风干燥箱中60℃下固化72h，得到IFR/HBPSi环氧膨胀型防火涂层，并对其基本性能进行分析。

表1防火涂层的基础配方

图5表示涂层的热解燃烧实验分析图，图5(a)表示涂层的TG曲线，从图中可以看出，未阻燃EP热稳定性差，在高温下发生剧烈分解，EP经IFR和HBPSi处理后的起始分解温度与未阻燃EP相比明显提高，说明IFR和HBPSi的加入可以提高材料的热稳定性。在35kW/m

在界面热阻公式和涂层有效热流公式确定的前提下，以50kW/m

将防火涂料倾倒在100mm×100mm×10mm的钢板上，置于铺有隔热棉的试样盒中，在距锥形量热仪辐射锥25mm处加热。所有热电偶均连接至数据采集系统，该系统由8个通道组成，并与笔记本电脑连接。数据采集系统可以输出每个热电偶的温度历史记录。选取涂层EP/IFR/HBPSi-2燃烧时的HRR曲线和T

通过热重分析实验的TG和DTG曲线确定EP/IFR/HBPSi-2的起始分解温度(T

在上述测量数据的基础上，ITR的测试方法具体为：

步骤1、测量涂层和钢板内部温度，如图3和图4所示。

步骤2、对钢板内部温度(T

步骤3、对涂层内部温度(T

步骤4、依据有效热流公式(7)、公式(8)计算涂层内部TC11-TC10的有效热流【公式(9)】，其中q

步骤5、应用导热仪对涂层EP/IFR/HBPSi-2在30-120℃范围内的导热系数进行测量，并对实验数据进行曲线拟合，结果如下，如图7所示：

k

将T

步骤6、将步骤(2)～(5)的数据、钢板导热系数k

在上述步骤中，改变具体时间，可以提到50kW/m

表2：50kW/m

另外，对相同试样采用65kW/m

表3：65kW/m

图11将50kW/m

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。