超薄膨胀型钢结构防火涂料的研制
李 飞, 余历军, 张星雨, 陆江丽 (西北大学化工学院, 西安710069)

0  引  言
由于钢结构具有质量轻、强度高、施工方便等优点, 正日益广泛地使用于大型建筑中。但是钢结构的耐火性能很差,极易导热, 在自身温度超过540ºc 时, 其机械强度几乎全部丧失[ 1] , 此时便会导致建筑物不能支撑自身质量而坍塌, 从而给人们的生命和财产带来巨大的损失。因此, 需要对钢结构建筑进行防火保护。而防火涂料涂覆钢结构表面, 操作简单方便, 防火效果显著, 同时还具有一定的装饰功能, 已成为对钢结构进行防火保护为常用的也是为有效的方法。防火涂料的分类方法很多, 按照防火机理可分为膨胀型和非膨胀型[ 2] ; 按照其涂层厚度可以分为厚浆型( 厚度8 ~50 mm )、薄层型(厚度3~ 7 mm ) 和超薄型( 厚度< 3 mm ) [ 3] ;按照使用对象可分为钢结构防火涂料、预应力楼板防火涂料、电缆防火涂料及饰面型防火涂料。超薄膨胀型防火涂料耗材少、施工方便、装饰性极强, 且防火效果十分优良。但是, 市场上销售的超薄膨胀型防火涂料还存在一定的缺陷, 例如耐水性不好, 遇水易脱落、膨胀等, 耐久性也欠佳, 更重要的是防火性能难以保证, 膨胀层虽然发泡膨胀, 但是海绵状炭质层骨架强度不够, 易被强烈的火焰气流冲刷掉, 甚至将炭质层烧裂,严重地降低了其防火隔热效果。因此, 研究出一种有足够的膨胀层强度来确保其防火效果的防火涂料十分必要。

1 超薄膨胀型防火涂料的组成与防火机理
通常超薄膨胀型防火涂料的主要组成有: 成膜物质、成炭剂、发泡剂、脱水成炭剂、颜料、填料、各种助剂以及溶剂[ 4] 。成膜物质对膨胀型防火涂料的性能有重大的影响, 它与其他组分配伍, 保证涂层在常温条件下具有各种使用性能, 一方面起粘结作用, 另一方面它对受火后的炭化膨胀高度及膨胀层强度均有较大的影响, 在火焰或高温作用下, 具有难燃性和优异的膨胀效果。成膜物质通常由树脂组成, 包括水性树脂( 如聚磷酸铵乙烯乳液、聚乙烯醇等)、含氮树脂( 如三聚氰胺甲醛树脂、聚酰胺树脂等)、其他树脂(如氯化橡胶、氯化树脂、环氧树脂等) [ 5] 。
防火助剂通常由成炭剂、脱水成炭催化剂、发泡剂构成,其含量要足够大才能形成一定厚度的发泡炭质层, 且成炭剂、脱水成炭催化剂、发泡剂三者之间的比例要适当, 一般催化剂占30% ~ 60%, 成炭剂占10% ~ 20%, 发泡剂占20% ~50% [6- 7] 。成炭剂是在膨胀催化剂和发泡剂的同时作用下形成三维空间结构不易燃发泡炭质层, 对发泡起着骨架作用。成炭剂结构的有效性取决于其脱水速度和发泡速度, 含炭量决定它的炭化速度[ 6] 。常用原料有多元醇如季戊四醇、三季戊四醇; 碳水化合物如淀粉、葡萄糖; 树脂如氨基树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂等[ 5] 。催化剂是一种能在一定条件下分解出磷酸的物质, 分解出的酸使多元醇脱水, 从而使之形成不易燃的三维空间结构炭化层。通常选用磷酸的铵盐、酯是比较理想的脱水成炭催化剂[ 3]。发泡剂是受热分解时能释放出不燃性气体( 如NH3、H2O、CO2及卤化氢等气体)的物质, 它可使涂层在达到软化点的温度下发泡膨胀形成海绵状炭质层, 常见的有三聚氰胺等。分解温度是一个重要指标, 对不同的脱水成炭催化剂和成炭剂要采用与之相适应的发泡剂。常用的发泡剂有尿素、氯化石蜡、三聚氰胺、磷酸铵盐等。
对膨胀型防火涂料来说, 所含无机填料的比例较少, 因其含量过高会影响涂层的发泡高度, 降低发泡效果, 从而降低涂料的防火性能, 达不到隔热的目的。但少量颜填料是必不可少的, 它可以增加涂层的耐火极限, 使防火涂料在受火的中、后期持续发挥作用, 又有利于形成一个低膨胀率的高强度炭化层,使泡沫层更加致密、强度更好, 从而提高其防火性能[6] 。颜填料中由于二氧化钛作为一种白色颜料, 不仅遮盖力强、化学稳定性好, 而且可以使形成的炭化层致密, 提高炭化层的隔热性能, 成为。一般可选用氢氧化铝、氧化锌等作为填料。膨胀型防火涂料在受热时膨胀, 产生NH 3
、H 2O 等不燃惰性气体, 一方面冲淡可燃性气体使之不易燃烧或燃烧速度减慢, 另一方面起发泡效果, 成炭剂在催化剂作用下脱水成炭,协同发泡剂形成海绵状炭质层, 封闭被保护的物体, 隔绝热量, 延迟热量向基材的传递, 阻止物体着火燃烧或因温度升高造成的强度下降, 有效地保护基底材料[8] 。

2 涂料配方设计
2. 1 确定配方
在超薄膨胀型防火涂料配方的研发过程中, 经过前期一系列试验后, 确定的涂料配方如表1所示。
表1 超薄膨胀型防火涂料的基本配方

2. 2 防火涂料制备方法
称取表1配方中的固体粉末, 置于研钵中均匀研磨约10 m in, 至规定细度; 再将研磨后的粉末缓慢加入到含混合溶剂的烧杯中, 同时搅拌; 后将烧杯固定于搅拌机下搅拌约30 m in。搅拌后, 将其密封放置在常温通风处, 静置24 h。
2. 3 涂料理化性能检测
所制得的防火涂料各项理化性能根据国标进行测试。
2. 4 耐火性能测试
2.4.1 试板制备
取规格60 mm x 100 mmx 1 mm 的钢板, 用砂纸粗磨、细磨至光亮, 备用。
2.4.2. 涂层制备
用玻璃棒充分搅拌防火涂料后, 将其刷涂在钢板一个面上, 每次涂覆厚度0. 3~ 0. 5 mm, 保持表面均匀光滑, 待涂层表干后即可进行下一次涂覆, 保证终厚度不超过3 mm, 涂覆比约为0.15 kg /m2, 涂好的试板平置, 室温干燥。
2.4.3. 耐火试验方法
由于条件限制和实际需要, 在筛选防火涂料配方时, 参考了吕九琢设计的垂直燃烧法进行简易评价( 见图1) [ 9]。

铁夹夹住钢板试件, 钢板未施加载荷; 上板面中央放置一热电偶测定钢板背面温度。试件涂覆有防火涂料的一面朝下, 一般情况下涂料刷涂面积应不小于火焰灼烧面积, 本实验所用钢板试件一个面全涂。涂料受火灼烧时火焰温度为700~ 1 000ºc 。以开始灼烧到背面温度达到300ºc 时的时间作为防火性能优劣的判断依据, 时间超过30 m in即为防火性能合格。
垂直燃烧法虽然不能作为标准方法, 但是可以得到定性规律。由于在设计测试方法时已经考虑到垂直燃烧法与标准方法两者之间有一定的关系, 所以用简单方法测得的耐火时间规律应当和标准方法所得规律基本吻合。

3. 结果与讨论
制得的防火涂料的理化性能如表2所示。

根据试验观察和相关的理论分析, 可以得出防火涂料作用过程是: 首先, 成膜物质开始融化, 吸收了外部能量。由于防火涂料超薄, 单位面积的成膜物质并不多, 所以该过程不会持续太久, 一般3~ 5 m in即进入下一阶段。当涂层受热时, 粘合剂软化熔融, 引起涂层的软化, 这时发泡剂达到分解温度,释放出不燃性气体, 使涂层膨胀成泡沫层, 此时脱水成炭催化剂分解成碳酸, 聚磷酸呈熔融黏稠体作用于泡沫层, 使有机物发生脱水反应, 终在泡沫层达到大体积时, 泡沫应凝固炭化层。接着, 炭化层中的炭逐渐被氧化成CO2而溢出体系, 同时有一部分炭化层由于附着力不够而被气流带走。但主要是炭化层中的炭逐渐被氧化而释放出能量。后, 在火场后期( 约45 m in), 防火涂料主要靠无机骨架起防火隔热作用。

4  结  语
超薄型钢结构丙烯酸树脂防火涂料的原料来源丰富, 价格低廉, 生产工艺简便, 且溶剂中不含苯类有毒物质。经过简易装置测试, 该防火涂料防火时间可达90 m in, 是一种性能优异的超薄膨胀型防火涂料。