膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的開發(fā)及研究進(jìn)展

隨著科技發(fā)展以及人類對自身安全要求的不斷提高，阻燃材料已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于人民生產(chǎn)、生活之中。防火涂料作為阻燃材料中的一種，不僅具有普通的裝飾、防腐作用，而且能夠隔離基材與火源，降低所保護(hù)基材的內(nèi)部溫度，使其難以燃燒從而阻止火勢加劇、蔓延，起到良好的阻燃防火作用。全世界現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)中，鋼通常作為承重的支撐材料，對于建筑物起到至關(guān)重要的作用。然而工業(yè)及民用建筑材料中鋼的耐火性差，530℃溫度即能使其軟化。因此，采用防火涂料對建筑物的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火保護(hù)，是一條切實可行且經(jīng)濟(jì)的途徑。

防火涂料種類繁多，依據(jù)防火機(jī)理的不同可以分為非膨脹型和膨脹型;依據(jù)圖層厚度可分為厚型、薄型及超薄型三類。在建筑物鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)中，應(yīng)用前景最好的當(dāng)屬膨脹型防火涂料，膨脹型防火涂料通常在火災(zāi)條件下，厚度能迅速膨脹到原來厚度許多倍，進(jìn)一步產(chǎn)生炭化隔熱層，從而降低所需要保護(hù)的材料表面的溫度升高速率，延長建筑物受破壞的時間。

1.聚合物基膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

最早開發(fā)的防火涂料的主要成分為無機(jī)材料，如1924年世界上第一種防火涂料主要由石棉、立德粉、高嶺土以及氟化鈉等組成。膨脹型防火涂料的概念最早由Tramm于1937年提出，他采用二氰二銨為膨脹發(fā)泡劑、磷酸二銨為催化劑制備了可膨脹型防火涂料,聚合物基膨脹型防火涂料除了少量催化劑及添加型發(fā)泡劑為無機(jī)材料，其主要成分為有機(jī)物。如1948年Jones等人采用多聚甲醛、磷酸銨、淀粉、尿素等合成了聚合物基膨脹型防火涂料;美國Monsanto公司和Vandersall實驗室在1965年聯(lián)合開發(fā)了磷酸銨、二銨，磷酸蜜胺和聚磷酸銨三大聚合物基膨脹型防火涂料，從此聚合物基膨脹型防火涂料走上了集商業(yè)開發(fā)和新產(chǎn)品研究探索為一體的熱門研究領(lǐng)域。

近年來，聚合物基膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的開發(fā)得到了一定的發(fā)展。而研究得最多的體系則為P-C-N阻燃體系。這類體系的聚合物基料普遍為改性后的丙烯酸樹脂、改性高氯化聚乙烯樹脂以及改性氨基樹脂等。采用這類聚合物作為膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的基料，可以賦予涂料以良好的裝飾性、耐候性以及耐化學(xué)腐蝕性。季寶華人選取有機(jī)硅改性丙烯酸乳液為基料，聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇等為發(fā)泡劑制備了聚合物基膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。由于單純聚合物基膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料存在著膨脹倍率過小、隔絕性能低、耐火性差等缺點，因此對單純聚合物基膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究取得的進(jìn)展并不明顯。當(dāng)前大部分研究主要集中在性能更突出的功能性膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料上。

2.無機(jī)填料改性膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

此處單獨將無機(jī)填料改性膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料單獨列為一類進(jìn)行敘述，旨在突出功能性無機(jī)填料對膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能的影響，重點突出無機(jī)填料的功能性。因此這里所指的無機(jī)填料已經(jīng)不是純粹降低生產(chǎn)成本，或者提高其他物理性能而添加的類型。關(guān)于無機(jī)填料對膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能的影響，彭華僑等人在2008年發(fā)表的綜述文章已有了較詳細(xì)的論述。該文著重綜述了各類無機(jī)納米、非納米填料對膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能的改變。

最近幾年關(guān)于無機(jī)填料對膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能提高的研究主要集中在可膨脹石墨以及納米無機(jī)填料兩個領(lǐng)域。

國內(nèi)對這方面的報道也較多，如劉學(xué)軍將可膨脹石墨添加到膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中，研究了膨脹石墨對涂料燃燒后炭質(zhì)層形貌、厚度以及對鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的影響。研究表明，膨脹石墨在膨脹炭質(zhì)層中的分布為蠕蟲形貌，使得膨脹炭質(zhì)層具有更加致密的結(jié)構(gòu)，增加了膨脹層的強(qiáng)度，從而更好地實現(xiàn)了對鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)。加入膨脹石墨的防火涂料在600℃環(huán)境下的失重減少了7%，并且使得鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限時間延長了10分鐘。王建國等則以硅丙乳液為基底，研究了膨脹石墨的加入對鋼結(jié)構(gòu)膨脹型防火涂料膨脹發(fā)泡層強(qiáng)度、黏著力等方面的影響。結(jié)果表明，膨脹型石墨的加入可以很好地克服發(fā)泡層蓬松易脫落、開裂的缺點。該膨脹型防火涂料的初始膨脹溫度為150℃,石墨添加量為3%時防火性能最好。李小朋等則采用聚磷酸銨、季戊四醇、三聚氰胺為阻燃發(fā)泡劑改性氯醚樹脂和氯丙樹脂基底，進(jìn)一步向該體系加入膨脹石墨，使得該系列膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在燃燒后炭質(zhì)層的質(zhì)量和熱穩(wěn)定性均有明顯提高。研究還發(fā)現(xiàn)該防火涂料在鋼表面具有良好的附著力，并且具有優(yōu)越的耐候性，燃燒后發(fā)泡層為密實的微孔狀泡沫結(jié)構(gòu)。

另一類對膨脹型鋼結(jié)構(gòu)阻燃涂料阻燃性能影響較大的無機(jī)填料為納米無機(jī)填料。咸才軍等系統(tǒng)研究了多種納米添加劑對膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料各方面性能的影響，結(jié)果表明納米SiO2以及TiO2可以明顯提高鋼結(jié)構(gòu)防火涂料膨脹后炭質(zhì)層的強(qiáng)度，并使得鋼結(jié)構(gòu)的耐火時間得以延長。例如，當(dāng)納米SiO2添加量為1.5%時，膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火時間可延長至110分鐘。覃文清等人則將納米氫氧化鋁引入膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中，試圖提高涂料的防火性能，測試了該防火涂料的防火性能、耐腐蝕性能。研究認(rèn)為，當(dāng)納米氫氧化鋁阻燃材料的加入量為6%時，該膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料既具有良好的防火性能也具有其他優(yōu)良的物理化學(xué)性能，并且有著優(yōu)良的防腐蝕性能。

3.水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是近年來發(fā)展起來的一種新材料。其主要成分為親水性乳液基料、膨脹體系和無機(jī)填料。既然是超薄涂料，其涂層厚度一般不超過3mm，受火后，其厚度可膨脹至原來厚度的幾十倍，并且形成致密蜂窩狀或者海綿狀的炭質(zhì)層，從而有效隔斷火源、降低鋼結(jié)構(gòu)表面溫度，延長鋼結(jié)構(gòu)的耐火時間。經(jīng)過這幾年的探索，已經(jīng)取得了一定的研究成果。

關(guān)于水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的綜述，覃文清進(jìn)行了較詳細(xì)的論述，介紹了水性鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并且分析了水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的配方設(shè)計以及實施和生產(chǎn)工藝。近兩年國內(nèi)對水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究較為集中。如王國建等人配制了有機(jī)硅氧烷乳液與自交聯(lián)純丙乳液的混合乳液，以其為基料、聚磷酸銨、三聚氰胺為發(fā)泡劑、二氧化鈦為填料等制備了水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。探索了聚合物基料對其物化性能的影響。結(jié)果表明，添加適量的聚有機(jī)硅氧烷乳液后，涂料受火后炭化層形態(tài)、結(jié)構(gòu)、厚度、防火性能、膨脹倍率等均具有明顯改善。劉芳等人則著重研究了發(fā)泡劑如多聚磷酸銨、三聚氰胺以及季戊四醇等的添加比例、添加量、涂層厚度等對以丙烯酸乳液為基料的水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火性能的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)多聚磷酸銨、三聚氰胺以及季戊四醇等的添加比例為5:3:2,添加量為35.7%，涂層厚度為1.0mm時，耐火時間可高達(dá)95.3分鐘，明顯高于國家規(guī)定的大于60分鐘的標(biāo)準(zhǔn)。

劉成樓則采用一種無溶劑的方法合成了水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。采用丙烯酸改性環(huán)氧樹脂為甲組分,以天然腰果殼油合成的固化劑為乙組分，聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇、可膨脹石墨為阻燃體系。所制備的膨脹型超薄鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火性能、防腐性能以及耐候耐久性均良好。劉斌等則采用硼酸改性水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。選用的體系為丙烯酸酯乳液為基料，多聚磷酸銨、季戊四醇、三聚氰胺為膨脹阻燃材料。研究結(jié)果表明，加入一定比例的硼酸作為改性劑，涂層耐火極限時間可達(dá)93分鐘，在700℃時最終成炭量為44%，受火后膨脹涂層為致密蜂窩狀結(jié)構(gòu)。

4.膨脹型防鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的阻燃機(jī)理

膨脹型防鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的阻燃作用是通過各成分發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有機(jī)協(xié)調(diào)的共同結(jié)果。其阻燃隔熱原理主要通過以下方式實現(xiàn)：1脫水成炭催化劑如聚磷酸銨等受熱分解生成酸;2多羥基炭化劑如季戊四醇在高溫及酸催化下脫水分解成炭;3聚合物基料受熱熔融且在發(fā)泡劑如三聚氰胺作用下的作用下膨脹發(fā)泡，進(jìn)一步形成膨脹炭化層。膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在受火情況下，其厚度迅速膨脹至原來的幾十倍，最高可達(dá)兩百倍，形成的蜂窩或者海綿狀炭質(zhì)層對鋼的防火作用主要可以歸納為三個方面：1阻隔作用，高度膨脹的炭化層可以對所保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)起到良好的空氣、熱源隔絕作用，從而有效降低鋼結(jié)構(gòu)表面溫度，延長火災(zāi)中鋼結(jié)構(gòu)的支撐時間;2吸熱作用，聚合物涂層的軟化、熔融、膨脹后炭化層的物理變化以及涂料各組分的熱分解、蒸發(fā)和炭化均會吸收大量的熱量，從而有效降低鋼結(jié)構(gòu)表面溫度;3終止燃燒，涂料各組分受熱分解出來的各類不燃性氣體可以起到稀釋氧氣濃度的作用，并且可捕捉燃燒所產(chǎn)生的自由基，從而有效阻止燃燒的進(jìn)行。這三個過程的協(xié)調(diào)作用，最終使得膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料發(fā)揮有效的防火作用。

5.展望

膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料經(jīng)過這些年的發(fā)展，已經(jīng)取得了一定的成果，部分產(chǎn)品已經(jīng)開始了商業(yè)化生產(chǎn)。然而，問題和不足依然存在，還有很多未知領(lǐng)域亟待探索。今后膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料將朝著以下幾個方面發(fā)展：1提高環(huán)境穩(wěn)定性，具體說，膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料不僅要具有良好的防火性能，更應(yīng)該具有優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性，其防化學(xué)腐蝕、防紫外光照等性能直接影響使用壽命。因此環(huán)境穩(wěn)定性是當(dāng)前膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料不可忽視的研究重點;2環(huán)境友好型膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，也將是一個新賣點。隨著人民對生活質(zhì)量要求的提高，防火涂料本身的化學(xué)毒性、燃燒時所生成的產(chǎn)物的毒性均是今后研究所應(yīng)該考慮的重要方面;3提高耐火性，這是所有防火涂料所一直追求的重要性能，膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火性多提高一分鐘，對人們生命財產(chǎn)的保護(hù)就多一分，因此耐火性能的提高將始終是研究的重點;4納米改性膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的開發(fā)，這是最近興起的一個涂料改性方向，將無機(jī)功能性納米粒子分散于涂料中，對涂料防火性能的提高將遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于用普通無機(jī)納米粒子，從而獲得高性能膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。

來源：中華建筑報

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