钢结构用膨胀型防火涂料组分的选择
时 虎1 胡 源2
（1.中国科学技术大学苏州研究院苏州市城市公共安全重点实验室，215123；
2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥 230026）

0 引言
要形成高效防火隔热炭化层，钢结构膨胀型防火涂料中有机树脂的熔融温度、发泡剂的分解温度及泡沫炭化的温度必须配合恰当。当涂层受热时，首先是成膜物软化熔融，引起整个涂层软化、塑化，此时发泡剂达到分解温度，释放出非燃性气体，使涂层膨胀成泡沫层，同时成炭催化剂分解生成磷酸、聚磷酸，呈熔融的黏稠体作用于泡沫层，使涂层中的含羟基有机物发生脱水成炭反应。当泡沫达到大体积时，泡沫凝固炭化，使生成的多孔海绵状炭化层定形，泡沫的发泡效率取决于组分之间反应速度的协调配合。

1 钢结构膨胀型防火涂料组分的选择
1.1 成膜物的选择
成膜物对膨胀型防火涂料的性能有重大影响，有时对涂料体系膨胀与否起决定性作用。它与其它组分配用，既保证了涂层在正常工作条件下具有普通涂料的各种性能，又能在火焰或高温下使涂层具有难燃性和优异的膨胀效果。
（1） 氨基树脂、氯化聚乙烯、过氯乙烯、高氯化聚乙烯、氯化橡胶涂膜附着力较好，发泡快但不均匀，发泡持续时间较短，泡沫层松软较致密，炭化较，炭化物较多，炭化层厚度高而炭化层硬度差，在强火焰和气流下容易被烧穿或吹落。这几种成膜物制成的防火涂料不适用钢结构耐火极限大于30 min的场合，适用于饰面型防火涂料。
（2） 醇酸树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂涂膜附着力较好，发泡较慢也不均匀，发泡持续时间短，泡沫层不致密，炭化不，炭化物较少，炭化层厚度低但硬度好。这几种成膜物制成的防火涂料发泡倍数不够，防火隔热效果较差，也不适合做超薄型钢结构防火涂料的成膜物。
（3） 苯丙乳液、纯丙乳液、硅丙乳液与钢结构的附着力较差，与钢结构表面的防锈漆附着力较好，发泡较慢且不均匀，发泡持续时间短，泡沫层不致密，炭化不，炭化物较少，炭化层厚度较低但硬度好。这几种成膜物制成的防火涂料发泡倍数不够，防火隔热效果不理想，也不适合做薄型钢结构防火涂料的成膜物。
（4） 丙烯酸树脂、有机硅树脂、氯化橡胶改性环氧树脂，尤其是氯化橡胶改性环氧树脂与钢结构的附着力好，且与钢结构表面的防锈漆附着力较好，发泡较慢而均匀，发泡持续时间长且能够持续发泡，泡沫层较致密，炭化不，有较多底层物，炭化层厚度较高且硬度好。这几种成膜物制成的防火涂料发泡倍数高，防火隔热效果理想，适合做薄型钢结构防火涂料的成膜物。丙烯酸树脂适用于耐候性要求高的场合；有机硅树脂适用于耐高温的场合；氯化橡胶改性环氧树脂适用于耐腐蚀的场合，但不适用于室外场合。
1.2 成膜物实验
选用丙烯酸树脂Sh1 作主成膜物，以发泡效果好的氨基树脂Sh2 和具有增塑作用的氯化石蜡70 作次成膜物进行实验。采用德国Netzsch 公司STA409C 热分析仪进行热分析测试。热分析条件是：空气气氛，空气流量为60 mL/min，升温速率为10℃ /min。由丙烯酸树脂Sh1的热失重（TG）曲线和差热分析（DTA）曲线可知：其玻璃化转变温度为65.8℃，在134℃时热失重几乎为零；134~357.3℃热失重达38.67% ；在314.2℃有一熔融吸收峰，这主要是由于树脂中的溶剂和小分子化合物在体系熔融时挥发所致；357.3~406.0℃热失重达33.18% ；在394.5℃有一分解吸收峰，丙烯酸树脂被氧化分解成炭质层；406.0~750.8℃热失重达27.31%，炭质层逐渐氧化成CO2 而逸出体系；750.8~1 000℃热失重几乎为零，此时丙烯酸树脂已分解完毕。
Sh2 氨基树脂是由氨基化合物和甲醛缩聚而成的热固性树脂。其玻璃化转变温度为65.8℃，由其DTA 曲线可知：127.8 ℃ 时Sh2 树脂热失重几乎为零；127.8~306.6 ℃ 热失重达27.93%，主要是由于树脂中的溶剂和小分子化合物在体系熔融时挥发；306.6~401.8℃热失重达43.47% ；在349.9℃有一分解吸收峰，氨基树脂逐渐分解释放出NH3，剩余物形成炭层骨架，氨基树脂在这一过程中起到发泡剂和成膜物的双重作用；401.8~699.1℃热失重达26.35%，炭层骨架逐渐氧化成为CO2 ；699.1~1 000℃热失重几乎为零，此时氨基树脂已分解完毕。
由氯化石蜡70 的TG 曲线和DTA 曲线可知：269.4℃之前，热失重达5.20% ；269.4~369.6℃热失重达63.75% ；在314.2℃有一熔融吸收峰，这主要由于树脂中的溶剂和小分子化合物在体系熔融时挥发所致；369.6~599.3℃热失重达26.11% ；在349.9℃有一分解吸收峰，氯化石蜡70 氧化分解释放出HCl 小分子，起到阻燃作用，剩余物生成炭层，炭层再逐渐氧化生成CO2 ；599.3~1 000℃没有相关的化学反应发生。
氨基树脂在常温下所形成的涂膜硬而脆，附着力差，易开裂，耐水性差，增大氨基树脂用量会严重影响涂层的理化性能，但可以提高涂层的膨胀倍数。然而由于氨基树脂形成的泡沫层疏松，泡沫层硬度较小，在汽油喷灯的强烈火焰冲击下，泡沫层逐渐脱落或被火焰烧穿，隔热性能下降，终导致涂层的耐火时间较短，无法达到钢结构防火保护的要求。试验结果表明：随丙烯酸树脂用量的增加，涂层的耐水性、炭层的致密性及硬度均有较明显的改善，但其用量过大将严重影响涂层的防火性，主要因为过量的丙烯酸树脂会导致炭化层厚度不够，涂层在受火过程中出现向下塌陷脱落的现象，从而使隔热性能下降。丙烯酸树脂具有良好的耐候性，对于配制室外防火涂料或延长防火涂料的寿命都必不可少。氯化石蜡70 主要为成膜物提供氯元素，在受热分解的过程中释放出氯化氢，达到阻燃的目的，但氯化石蜡70 用量不宜过多，否则会造成涂层开裂和黄变。在适宜的成膜物配比条件下，可以得到佳的涂层膨胀高度及耐火时间。一般丙烯酸树脂、氨基树脂、氯化石蜡70 的质量比约4∶2∶1，成膜物在整个涂料体系中的用量约20%~40%。
1.3 成炭催化剂的选择
成炭催化剂的作用是促进和改变涂层的热分解进程，如促进涂层内含羟基有机物脱水炭化成非易燃的三维空间结构的炭质层，减少热分解产生的焦油、醛、酮含量，阻止放热量大的炭氧化反应发生，在脱水反应中可以再生并重新使用。成炭催化剂主要有聚磷酸铵、磷酸氢铵、磷酸二氢铵等磷酸铵类，但磷酸氢铵、磷酸二氢铵在水中的溶解度较大，影响涂层的耐水性和耐候性，一般不作防火涂料的成炭催化剂。聚磷酸铵（APP）具有催化和发泡的双重作用，选用聚合度大于1 000 的聚磷酸铵作为成炭催化剂。聚磷酸铵配比不同，涂层的膨胀效果不同，只有选择适宜的聚磷酸铵用量，炭化层才能具有较好的膨胀效果。若APP 用量太小，燃烧时不能使基料树脂很好成膜，影响成炭剂脱水；其用量过大时，则会使涂膜干燥变慢且发黏。聚磷酸铵用量以23%（质量分数）左
右为宜。