一种隧道防霉阻燃装饰涂料的研制和应用
□ 林才奎1，杨红军1，王军委2，左志康2，贾虎昌2，贺军会2，贺少龙2
(1.广东省长大公路工程有限公司，广东云浮 527300；2.宝鸡市铁军化工防腐安装有限责任公司，陕西宝鸡 721303)
0 前 言
我国的铁路、公路隧道已超过6 875座，总长度近8 000 km，均为世界。隧道不仅承担着交通运输的任务，还起着光缆、电缆甚至是输油管、输水管通道的功能。虽然作为隧道内主体建筑的钢筋混凝土构件是不燃性材料，在火灾发生的短时间内，隧道内着火现场的局部温度会迅速升至1 000 ℃左右，随着温度的持续升高，混凝土内结合水变成蒸汽膨胀，产生压力，导致混凝土表层发生炸裂，产生大的塌陷，隧道衬砌和结构也受到破坏[1]，加剧了疏散和救援人员的生命危险，其经济损失巨大。随着我国隧道的不断增多，隧道的结构防火保护已经是一个重要的研究课题。我国已出台相关法规对此予以强制执行，以提高隧道在火灾中的安全系数。目前，在国内生产隧道装饰涂料的厂家很多，虽然其装饰性能达到了一定的标准，但其装饰性较差，而且涂层比较厚，在长期潮湿的情况下易产生霉变，容易脱落，不具有阻燃性，从而导致其装饰使用性能大大降低，本文研制的防霉阻燃装饰涂料与现有各种水性防火涂料相比，具有阻燃、防霉、防水、防潮、附着力强、装饰性强、无毒无味、使用寿命长、施工方便等特点，特别是经过纳米材料改性后在耐碱性、耐水性、耐擦洗性、耐污性方面得到了极大的提高，适用于高速公（铁）路隧道、海底隧道，城市地铁隧道的防霉阻燃和保护。
1 试验部分
1.1 试验原料
丙烯酸乳液，市售；二氧化钛、三氧化二锑、氧化锌、硼酸锌、氢氧化铝、氢氧化镁、硅灰石等，工业级，市售；分散剂、润湿剂、消泡剂、增稠剂等，工业级，陶氏；成膜助剂，工业级，伊斯曼；防腐剂，德国舒美。
1.2 基本配方（见表1）
表1 参考配方
1.3 防火涂料的制备
步：将适量的分散剂、润湿剂和消泡剂等分散在定量的水中分散备用；
第二步：开动搅拌，转速为800 r/min，依次加入阻燃剂和颜填料等；
第三步：提高转速（大约为2 500 r/min），搅拌15～20 min后用砂磨机研磨至细度40～50 μm；
第四步：为了防止破乳，调漆时转速降低至800 r/min以下加入乳液，再加入其他助剂等，搅拌均匀；调制黏度，调节pH值为8～9，即得成品。
1.4 防火涂料样板的制备
防霉阻燃隧道装饰涂料防火性能检测样板依据GB 12441-2005《饰面型防火涂料》的要求制备。
1.5 检测依据
防霉阻燃隧道装饰涂料防火性能依据GB12441-2005《饰面型防火涂料》来检测，在国家建筑工程质量监督检验中心检测结果如表2。
防霉性能检测依据GB/T1741-2007 《涂膜耐霉菌性能测定法》来检测，在广东省微生物分析检测中心分析检测结果如表3。
注：(1)评级标准：0级——在放大约50倍下无明显长霉；
1级——肉眼看不到或很难看到长霉，但在放大镜下可见明显长霉；
2级——肉眼明显看到长霉，在样品表面的覆盖面积为10%～30%；
3级——肉眼明显看到长霉，在样品表面的覆盖面积为30%～60%；
4级——肉眼明显看到长霉，在样品表面的覆盖面积大于60%。
(2)试验菌种：黑曲霉、黄曲霉、出芽短梗霉、绿色木霉、腊叶芽枝霉、宛氏拟青霉、球毛壳霉、橘青霉。
(3)样品培养时间为30 d。
检验结果表明，本文研制的防霉阻燃隧道装饰涂料耐霉菌性能突出，至少可耐8种霉菌。
防霉阻燃隧道装饰涂料其他指标依据GB/T9755-2001《合成树脂乳液外墙涂料》和GB/T9756-2009《合成树脂乳液内墙涂料》来检测，经陕西省装饰装修材料质量监督检验站结果如表4。
2 结果与分析
上述检测结果表明：本文研制的防霉阻燃隧道装饰涂料理化性能优良，防霉菌性能突出，防火性能达到国家饰面型防火涂料一级标准要求，是一种应用前景广阔的环保型防火装饰涂料。
基料对涂料的性能起决定性的作用，对于防火涂料而言，基料还必须与阻燃剂相匹配，构成一个稳定有效的防火体系，在防火涂料中基料含量是一个非常重要的因素。作为防火涂料基料的乳液，不同类型的乳液由于结构上的差异会产生不同的耐火性能，试验中考察了6种不同丙烯酸乳液对涂层耐火性能的影响，其结果如表5。从表5中可以看出，上述6种不同的丙烯酸乳液作为基料的耐火时间都能达到要求，但进口的硅丙乳液耐火时间长，这是由于涂膜与火灼烧时硅丙乳液中的硅原子上的有机基团发生氧化断裂分解，形成的无机硅氧主链结构能使它与底材在高温时紧密结合，而不会发生断裂现象[2]。因此，硅丙乳液作为成膜物质为理想，经过大量试验，防火涂料的基料用量在22%～25%为宜。
本文研制的防霉阻燃隧道装饰涂料以丙烯酸乳液作为基料，同时加入了纳米无机硅溶胶，形成有机-无机复合防火涂料。硅溶胶（H2SiO2）是以SiO2为基本单位在水中的分散体，其粒径尺寸一般在10～40nm，具有高度的渗透性和不燃性，纳米SiO2 粒子具有极小的尺寸效应和表面界面效应。其极强的活性表面与丙烯酸乳液中的有机聚合物分子链相结合，形成交联结构，对聚合物起增强作用，因此，该有机-无机复合涂料对防火涂料理化性能指标的提高有积极作用，与阻燃剂体系的匹配性、亲和性更好，从而提高了耐火隔热性能[3]。
本文研制的防霉阻燃隧道装饰涂料阻燃剂氢氧化铝、氢氧化镁、三氧化二锑、硼酸锌等组成。涂料中加入了氢氧化铝、氢氧化镁、氧化锑、硼酸锌等无机阻燃剂，氢氧化铝、氢氧化镁都是无卤无材料，在高温下分解，会产生水蒸气并吸收大量的热量，大量的水蒸气也可拟制烟气的生成，另外反应生成的Al2O3又是无机耐火材料，与燃烧的其他碳化物一起可在表面形成保护层，具有很好的防火隔热效果。防火涂料体系中的硼酸锌在高温时可在保护基材的表面形成玻璃状薄片，从而起到隔绝空气和隔断火焰的作用，对基材提供有效的、持久的防火阻燃保护。三氧化二锑本身的阻燃性不是很明显，但在试验中发现当三氧化二锑与上述阻燃剂合用时有协同增效作用，能明显提高涂层的阻燃性，延长耐火时间，但随着其用量进一步增加，过剩的三氧化二锑只起到无机颜填料的作用，从试验结果可以看出(见图1)，3%～4%的三氧化二锑与其他阻燃剂会产生良好的协同效果，可明显提高涂料的防火性能。
通过试验证明防霉阻燃隧道装饰涂料中的复合阻燃剂有相互协同作用，使涂层有效地阻止火焰和热量，降低热量向内部传递速度，推迟其温度升高和强度变弱时间，从而提高了耐火极限。通过大量的试验终确定m(氢氧化铝)︰m(氢氧化镁)︰m(三氧化二锑)︰m(硼酸锌)为1︰1︰0.3︰0.5时可以得到佳的防火效果，阻燃剂用量在涂料总量的35%～40%时防火性能好。
本文研制的防霉阻燃隧道装饰涂料除具备有防火功能外，还具有良好的装饰性，涂料中加入了钛白粉、硅灰石、氧化锌等颜填料。钛白粉是重要的白色颜料，性能稳定，对大气中的各种化学物质的侵蚀成惰性，对光吸收少，而散射能力大，因此其光学性能极好，耐候性特好，耐热性能好。填料有沉淀硫酸钡和硅灰石等，沉淀硫酸钡化学稳定性好、耐热、熔点大于1 500 ℃以上，在涂料中分散性和渗透性好，可以提高涂膜的厚度、硬度和涂装施工性能。硅灰石是一种针状填料，有着极好的耐光性和耐腐蚀性。绢云母是具有片状结构的填料，能增强涂膜的韧性、耐火和耐水性。
本文研制的防霉阻燃隧道装饰涂料在水、基料量、助剂量、阻燃剂量相同的条件下，分别考察了硅灰石、云母粉、沉淀硫酸钡等不同填料对防火性能的影响[4]，通过试验确定，绢云母、硅灰石和沉淀硫酸钡用量在10%使用量涂料性能佳。
本文研制的防霉阻燃隧道装饰涂料加入了微量的纳米氧化锌，纳米氧化锌对紫外线有较强的吸收作用，防霉防菌性能好，对微生物（细菌、霉菌等）具有很强的杀菌能力，纳米氧化锌和进口防霉剂复配后，使得该涂料长期在阴暗潮湿的环境下使用，其耐霉菌性能突出。试验发现，纳米氧化锌的加入能显著减少涂料的发烟量，又能提高涂料的阻燃性能，因此能有效地降低火灾时烟气对人体的毒害作用，试验中还发现用量在1.0%～1.5%较好。同时纳米氧化锌的加入提高了涂膜的耐污性、耐擦洗性、耐老化性、附着力、抗冲击性和耐水性等其他性能[5]。通过多次试验确定了防霉阻燃隧道装饰涂料中颜填料用量在15%～20%为宜(见图2)，适量的颜填料可提高涂膜的强度、硬度和耐火极限。
为了保证防火涂料的性能，在配方中必须加入各种助剂，虽然用量小，但作用大，可以提高和改善防火涂料的贮存稳定性和施工等性能。有润湿分散剂、消泡剂、增稠剂、成膜助剂、防霉剂等。
防霉阻燃隧道装饰涂料于2009年3月首次涂装在国道主干线连云港至霍尔果斯陕西境内全线隧道，涂装面积达15万m2，施工质量正常，两年多运行情况良好，良好的装饰性降低了驾驶员的视觉疲劳，提高了行车安全。
本文研制的防霉阻燃隧道装饰涂料具有防火阻燃、防霉、防水、防潮湿、附着力强、耐高压水冲击性强、使用寿命长等特点，适用于公路、铁路、海底隧道。城市地铁及地上建筑物如机场、车站、商场的防霉阻燃和装饰保护，也可作为地下建筑如地下车库、地下仓库等的防霉阻燃和装饰保护[6]。随着我国高速公路、海底隧道和城市地铁的兴建，环保型防霉阻燃隧道装饰涂料具有巨大的发展潜力和广阔的市场应用前景。
