钢结构防火涂料的研究与展望

钢结构防火涂料的研究与展望黄井泉摘 要：钢材是一种高强度、高效能的材料。钢材虽然不具备可燃性，但是钢材的导热系数大，一旦发生火灾易产生结构变形和破坏。由于火灾引起的生命财产损失巨大，所以，必须对钢结构及钢材制品进行防火保护。对于钢结构的防火和防腐蚀保护，均可采用涂覆涂料来进行。使用涂料对建筑钢结构进行防火保护，具有性能优异、制造及施工方便、价格低廉等一系列其它材料与方法无法比拟的优点，因而建筑钢结构在选择防护措施时，常常优先考虑的是涂层防护。本文对钢结构防火涂料进行研究和阻燃机理给予综述。关键词：钢结构；防火涂料；阻燃机理Forecast and Study on Fire Retardant Coating for Steel StructureHuang jingquanAbstract:Steel is characterized with high strength and high efficiency. Although steel isusually unfirable, it intends to deformation and fracture owing to its high thermal conductivity when exposed to fire. Besides, steel products are easy to corrode.Therefore, measures must be adopted to prevent fire .Coating can be used for steel stractures fire-retardant which are necessary for steel elements. Coating has unique advantages such as high performance, low price, and convenience. So coating is given priority to consideration when architecturors select the proactive methods for high steel buildings.The reserch and mechanism of intumescent flameproof coating for steel structure is summarized in detail in this article.Key Words:Steel Structure;fire retardant; flame retardance mechanism 61、引言 近年来，随着经济与社会的迅速发展，钢结构在大型体育馆、歌剧院、高层楼房等建筑行业得到了广泛应用1。作为现代建筑的主要形式，钢结构在常温下具有质量轻、强度高、抗震性能好、施工周期短、建筑工业化程度高、空间利用率大等优点2。但钢结构建筑防火性能差的特点也非常明显，裸露的钢结构在高温条件下强度急剧下降，当温度达到 350、500 、600 时，其强度分别下降 1 /3、1 /2、2 /3，普通建筑用钢在全负荷的情况下失去静态平衡稳定性的临界温度为540 左右3。加保护的钢结构在火灾情况下只需0. 25 h，自身温度就会上升到临界温度，因此必须钢结构采取防火保护措施。 现在主要的防火措施是在钢结构表面涂刷防火涂料来减缓火灾下的升温，该方法施工简便、质量轻、成本低、耐火时间长，而且不受构件几何形状限制，具有较好的经济性和适用性4，56。防火涂料按分散介质的不同可分为水性防火涂料和溶剂型防火涂料。水性防火涂料具有低 VOC、无溶剂的气味等优点，比溶剂型更环保、施工更方便、经济性更好7-8;同时，基于防火涂料工业目前向低污染、高性能的方向发展，因此水性防火涂料成为发展的主要方向之一9。防火涂料是用于可燃性基材表面，能降低被涂材料表面的可燃性、阻滞火灾的迅速蔓延,用以提高被涂材料耐火极限的一种特种涂料。作为一种功能性建筑涂料，防火涂料也是由基料、颜料、填料和助剂等组成的。防火涂料一般分为非膨胀型（也称普通防火涂料）和膨胀型（也称发泡型）防火涂料，由于这两种防火涂料的防火助剂和防火机理的不同，它们的应用行业和范围也有着较大的差别。这里对钢结构防火涂料的研究现状和阻燃机理进行简单的归纳和总结。2、钢结构防火涂料的研究2.1 钢结构防火涂料的分类 钢结构防火涂料可按不同的分类方法来分类10: (l)按所用的溶剂来分，可分为溶剂型和水基型防火涂料; (2)按防火机理来分，可分为膨胀型和非膨胀型防火涂料; (3)按它的使用范围来分，可分为室内和室外防火涂料; (4)按涂层厚度来分，可分为厚型(涂层厚度大于7mm且小于或等于45tnln)、薄型(涂层厚度大于3且小于或等于7mm)、超薄型(涂层厚度小于或等于3)钢结构防火涂料11-12。2.2 钢结构防火涂料的研究现状 国内厚型钢结构防火涂料如SD一2钢结构防火涂料、TN一LG钢结构防火涂料和TN一TS钢结构防火涂料等，耐火极限分别可达到2.28h、2.53h和3.0h。这些产品已在北京王府井百货大楼、北京中国国际贸易中心、广州造船厂、上海东方明珠电视塔、上海证券大厦、上海世贸商城等设施的钢结构工程中得到应用。国外产品如英国 GracConsctionProduct(格雷斯建材品)MonoketeFirroofingUK一6钢结构防火涂料，涂层厚47.4mm，耐火极限2.5h;美国美商华人企业股份有限公司的 CAFCOBLAZESHELDH钢结构防火涂料，涂层厚度超薄膨胀型钢结构防火涂料的研制18.Onun和34.omln时，耐火极限分别可达4.0h和5.0h以上。此外还有英国Mandovol公司的水泥蛙石系列防火涂料(如P20、Mn牌号)、日本Nichias公司的矿棉防火喷涂涂料等。 国家标准规定的薄型钢结构防火涂料的涂层厚度大于3且小于或等于7Inm，这类钢结构防火涂料一般选用适当的聚合物乳液作基料，配以阻燃剂、填料和助剂等。选用的乳液要求对钢结构有良好的附着力、耐久性和耐水性，常用的有苯乙烯改性丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液、聚偏氯乙烯乳液等。这种防火涂层分为底层(隔热层)和面层(装饰层)，受热迅速膨胀发泡，但发泡率不高，装饰性比厚型好，采用喷涂施工，常用于耐火极限不超过Zh的建筑钢结构。 国内的SCM钢结构防火涂料、SWB钢结构防火涂料、SD一1钢结构防火涂料和LB钢结构防火涂料，涂层厚度分别为3.37、5.stnm、5.3tnln和7.4ltun时，耐火极限分别为o.86h、1.0h、1.62h和2.05h。这些涂料已被应用在北京亚运会体育馆、石景山发电厂、云南玉溪卷烟厂、西昌卫星发射中心、上海浦东国际机场等建筑的钢结构工程上，国外对此类钢结构防火涂料的报道较少。2.3 钢结构防火涂料的实验研究2.3.1 水性钢结构防火涂料的研究 以丙烯酸类乳液为成膜物质,以季戊四醇、三聚氰胺、聚磷酸铵与无机增强填料作为阻燃体系,制备了水性超薄型钢结构防火涂料。采用模拟大板燃烧法对防火涂料的耐火性能进行了研究,系统考察了乳液种类、颜基比以及无机填料对防火性能的影响,确定了无机填料的最佳用量。研究结果表明:以硅丙乳液作为基料树脂,当体系颜基比为35以及珍珠岩的添加量为7%时,防火涂料的耐火时间能达到1287 min;珍珠岩与炭质层的生成具有明显的协同效应,这大大提高了炭质层的强度,而且还表现出显著的隔热效果。 膨胀型防火涂料中少量的无机填料,对炭质层内部的泡孔分布、泡径分布、炭质层的膨胀效果以及其强度等都有着很大的影响,从而影响到防火涂料的耐火性能。目前国内外对众多阻燃协效填料都做了大量的研究,发现可膨胀石墨、绢云母都能提高炭层强度,从而增强耐火性能13-14。此外,将纳米粒子引入到防火涂料中,也显著提高了其防火性能15。2.3.2 可膨胀石墨改性氯醚树脂钢结构防火涂料的研究 以氯醚树脂、丙烯酸树脂为成膜物，聚磷酸铵( APP) 、季戊四醇( PER) 、三聚氰胺( EN) 为阻燃发泡体系，通过添加可膨胀石墨，提高了防火涂料炭质层的质量和热稳定性。研制出一种具有良好的附着力、耐候性及阻燃性的超薄膨胀型钢结构防火涂料，该防火涂料遇火涂层发泡膨胀，形成具有一定高度的密实微孔状阻燃层。 由天然鳞片石墨制得的可膨胀石墨材料既保留了石墨的耐高温、耐腐蚀、摩擦系数低自润滑性好、导电导热并呈各向异性等性能，又具备天然石墨所没有的可弯曲、可压缩、有弹性、不渗透等特点，并且疏松多孔。在受到 200 以上高温时，由于吸留在层间点阵中的化合物的分解，石墨层间的化合物急剧分解、气化、膨胀( 沿层间膨胀150 250 倍),使可膨胀石墨开始膨胀，并在1 100 时达到最大体积，最终体积可以达到初始时的 280 倍。由于这一特性，可膨胀石墨被用作防火涂料膨胀体系的协同增效剂及一种良好的无卤物理膨胀阻燃剂16。可膨胀石墨防火涂料是近年来出现的一种新型膨胀型防火涂料，平常保持普通涂膜状态，遇火时，涂层发生软化熔融，膨胀形成海绵状或蜂窝状炭化层。2.3.3 环境友好型钢结构防火涂料的研制 在工程应用上，最早进入国内市场的国外产品是英国的“Monokete Fireproofing UK-6”钢结构防火涂料和 P20 钢结构防火隔热涂料17，随后德国的“Water Based”38320 型钢结构防火涂料( 水溶型) 、英国的“Nullifire”钢结构防火涂料( 溶剂型) 和日本“立邦油漆”的超薄型钢结构防火涂料也陆续进入我国市场.虽然这些产品的技术性能持续改进,但是在理化性能、耐火性能和绿色环保性能的最优兼顾上仍未取得重大突破，这是材料研究领域的一个重大瓶颈18，也是我国钢结构防火保护技术研究的一项重要任务。 以弹性聚氨酯乳液为基料，改性多聚磷酸铵( APP) 为阻燃剂，按照高性能低成本的原则，通过单因素试验对涂料配方进行优化，确定最佳颜基比为 1. 8 1，阻燃剂最佳含量为30% ，从而研制出一种环境友好型钢结构防火涂料。检测结果表明，该涂料具有良好的综合性能。研制的防火涂料，其各项理化性能及耐火性能达到国际标准和国家标准的要求，且该涂料不含挥发成分，燃烧时无毒、无卤、低烟、无腐蚀性、无污染，实现了理化性能、耐火性能和环保性能的良好兼顾，是一种新型高效的环境友好型钢结构弹性防火涂料。3、阻燃机理研究进展 含磷及氮的化合物很早就被人们用作阻燃剂，对它们的机理也研究得很早，最初发现用含磷阻燃剂处理的材料燃烧时可生成较多的焦炭，并可减少可燃性挥发物的生成量，且被阻燃材料的质量损失率大大降低，但燃烧时生成的烟量很大。目前，人们一般认为阻燃剂可同时在凝聚相及气相发挥阻燃作用，但可能以凝聚相为主。不过，阻燃机理也可因阻燃剂结构、聚合物类型及燃烧条件而异。3.1 凝聚相阻燃机理 这是指在凝聚相中延缓或中断固态物质产生可燃气体的分解反应而阻止燃烧19。下述几种情况均属于凝聚相阻燃。（l）阻燃剂在固相延缓或阻止聚合物的热分解，这种热分解可产生可燃性气体和维持链式反应的自由基。（2）被阻燃固态物中加入大量无机填料，此类填料热容较大，它们既可蓄热，又可导热，因而使被阻燃物不易达到热分解温度。（3）阻燃剂受热分解吸热，阻止被阻燃物温度升高。工业上大量使用的氢氧化铝及氢氧化镁均属于此类阻燃剂。（4）加有阻燃剂的聚合物燃烧时在其表面生成很厚的多孔炭层，此层隔热、隔空气，又可阻止可燃气进入燃烧气相，致使燃烧中断。膨胀型阻燃剂即此机理阻燃。3.2 气相阻燃机理 气相阻燃是指在气相中进行的阻燃作用，即在气相中中断或延缓可燃气体的燃烧反应（一般为链式反应）20。下述几种情况下的阻燃都属于气相阻燃。（1）阻燃剂受热产生能捕获促进燃烧反应链增长的自由基。目前广泛使用的卤系阻燃剂及卤 - 锑协同体系是主要按此机理产生阻燃作用的典型实例之一。（2）阻燃剂受热生成能促使自由基结合以终止链或燃烧反应的细微粒子。（3） 阻燃剂受热分解能释放出大量惰性气体，后者可稀释空气中氧和聚合物分解生成的气态可燃性产物，并降低此可燃气体的温度，致使燃烧中止。（4）阻燃剂受热释放出密度高的蒸气，此蒸气覆盖于可燃气体上，隔绝它与空气中氧的接触，因而使燃烧窒息。3.3 中断热交换阻燃机理 这是指将聚合物燃烧产生的部分热量带走而降低原聚合物的吸热量，致使聚合物不能维持热分解温度，因而不能持续提供燃烧赖以进行的可燃气体，于是燃烧自熄21。例如，以低分子或液态氯化石蜡或它们与氧化锑组成的协同体系来阻燃高聚物时，由于这类阻燃剂能促进聚合物解聚或分解，故有利于聚合物的熔化，熔融聚合物滴落时带走大部分热量，因而减少了反馈至本体聚合物的热量，致使燃烧延缓，并最后可能中止燃烧22。所以一般说来，易于熔融材料的可燃性都较低。但滴落的灼热液滴可引燃其他物质，增加火灾危险性。4 结论与展望 本文是综合了大量对防火涂料的研究的综述，可以看出防火涂料在钢结构中起着举足轻重的作用，水性膨胀型防火涂料是最近研究的热点，水性膨胀型防火涂料是以水作为分散剂的防火涂料，避免了传统的膨胀型防火涂料以有机溶剂作为分散剂带来的环境污染、易燃、不易挥发等负面影响。除了对防火涂料有一定的研究外，对阻燃机理也进行了阐述，在一定程度上有着重要的理论指导意义，但对进行过的实验缺少详细描述，未能有力地论证结果的可靠性。由于之前大多数学者研究的大都是防火涂料的某一单一的特性，如果能同时研究防火涂料的一些综合特性，如阻燃、防霉、耐水、环保等，将这些优良的特性集于一身，打造一种新型环保耐水性防火涂料。参考文献：1 刘学军 水性超薄膨胀型钢结构防火涂料的研制D 北京: 北京化工大学，2005LIU X J The study and preparation of the water based fire retard-ant coatings for structural steel works D Beijing: Beijing University of Chemical Technology，20052 朱艳，孙业飞 钢结构防火涂料防火原理浅析J 商情，2009 ( 3) :73 时虎，赵华伟，胡源 超薄型钢结构防火涂料研究及分析J 消防技术与产品信息，2003( 9) :64 674 BRAS M L，BOURBIGOT S Comprehensive study of the degrada-tion of an intumescent EVA based material during combustion JJournal of Materials Science，1999，34( 23) : 5777 57825 BODZAY B，BOCZ K，BRKAI Z S，et al Influence of rheologicaladditives on char formation and fire resistance of intumescent coatingsJ Polymer Degradation and Stability，2011，96( 3) :355 3626 刘学军，付若愚，咸才军，等 可膨胀石墨在膨胀型钢结构防火涂料中的应用J 精细化工，2005，22( 5) :328 341LIU X J，FU R Y，XIAN C J，et al The application of expandable graphite in fire resistive intumescent coatings for steel structuresJ FineChemicals，2005，22( 5) :328 3417 李祎旻，鲁钢，张华，等 超薄型钢结构防火涂料阻燃体系的研究J 新型建筑材料，2009( 7) :72 74LI Y M，LU G，ZHANG H，et al The study on fire resistant system of ultra thin fireproof coating for steel structure J NewBuilding materials 2009( 7) : 72 748 CHOU C S，LIN S H，WANG C I，et al A hybrid intumescent fire retardant coating from cake and eggshell type IFRC J Powder Technology，2010，198 ( 1) :149 1569 刘斌，张德震，常宝 水性超薄膨胀型钢结构防火涂料的制备J 涂料工业，2011，41( 1) :44 47LIU B，ZHANG D Z，CHANG B Preparation and properties of ul-trathin waterborne intumescent fireproof coating for steel structuresJ Paint Coatings Industry，2011，41( 1) :44 47 10国家标准 GB14907一2002欢钢结构防火涂料.北京:中国标准出版社，2002 11曾宪文，丁海探.膨胀型透明防火涂料的研制.涂料工业，19%，(3):22一23 12王彦林.建筑防火涂料.化学工程师，19%，(3):36一38 13WANG Z Y,HAN EH,KEW. 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