钢结构防火涂料的研究和应用

钢结构防火涂料的研究和应用李风,覃文清公安部四川消防科学研究所,都江堰市611830摘要作者结合工作实践,综述了国内外钢结构防火涂料的研究及应用情况,展望了钢结构防火涂料的发展前景。关键词钢结构防火涂料发展STUDYANDAPPLICATIONOFFIRERETARDANTCOATINGSFORSTEELSTRUCTURESLIFENG,QINWENQINGABSTRACTTHEAUTHOR,BASEDONTHEPRACTICALEXPERIENCE,HASREVIEWEDTHERESEARCHANDAPPLICATIONOFFIRERETARDANTCOA2TINGSFORSTEELSTRUCTUREBUILDINGATHOMEANDABROAD,ANDPREDICTEDITSPROSPECTIVEDEVELOPMENT1KEYWORDSSTEELSTRUCTUREBUILDINGFIRERETARDANTCOATINGSDEVELOPMENT概述笋,日益增多,各部门对使用钢结构防火涂料作钢材防火保护的要求也日益增加,钢结构防火涂料的研究、生产及推广应用正逐渐进入高潮。1经济和社会的发展,推动了建筑业的发展,大型建筑,如展览馆、候机楼、大型商场和高级宾馆及工业厂房等不断增多,采用钢结构的建筑也随之不断增加。由于钢材自身不燃,因此钢结构的防火隔热保护问题曾一度被人们所忽视。根据国内外有关资料报道及有关机构的试验和统计数字表明,钢结构建筑的耐火性能远较砖石结构和钢筋混凝土结构为差。钢材的机械强度是温度的函数。一般来说,可以认为钢材的机械强度随温度的升高而降低。当钢材的温度升高到某一值,而使其失去支撑能力,这一温度值定义为该钢材的临界温度。一般常用建筑钢材的临界温度为540。对于建筑物火灾,火场温度大多在8001200之间,在火灾发生的10MIN内,火场温度即可高达700以上。对裸露的钢构件,在这样的火灾温度下,也只有几分钟其温度就可上升到500而达到其临界值,进而失去承载能力,导致建筑物垮塌。因此,对钢结构进行防火保护势在必行。对钢结构进行防火保护有多种多样的形式和措施,其中使用防火涂料是一种比较理想的方法。钢结构防火涂料喷涂在钢构件表面,起防火隔热保护作用,防止钢材在火灾中迅速升温而降低强度,避免钢结构失去支撑能力而导致建筑物垮塌。早在70年代,国外对钢结构防火涂料的研究和应用就开展了积极的工作并取得了较好的成效。80年代初,国外钢结构防火涂料进入中国市场得到应用。随着我国建筑业的不断发展,各种建筑象雨后春钢结构防火涂料的类型钢结构防火涂料的类型可用不同的方法来定义从其所用的溶剂来分,可分为溶剂型和水基型防火涂料从其防火机理来分,可分为膨胀型和非膨胀型防火涂料从它的使用范围来分,可分为室内和室外防火涂料。室内钢结构防火涂料应用于工业厂房与建筑物的室内钢结构室外钢结构防火涂料则应用于石化企业和建筑物室外裸露钢结构,要求其耐水、耐候等理化性能适应室外条件。钢结构防火涂料的耐火性能以涂覆钢构件的涂层厚度和相应耐火极限来表示。根据GB1490794,钢结构防火涂料的耐火性能应满足表1的规定。2表1钢结构防火涂料的耐火性能指标B型H型涂层厚度/MM310515710815203040耐火极限/H,015110110015110210215310GB1490794规定了薄涂型B型和厚涂型H型钢结构防火涂料的耐火性能指标,近几年又发展出了超薄型钢结构防火涂料。钢结构防火涂料的防火隔热原理对膨胀型钢结构防火涂料而言,涂覆在钢构件上331涂料工业1999年第3期专论与综述的防火涂料受火时膨胀发泡形成泡沫层,因为泡沫层质地疏松,具有良好的隔热性,其热导率很低,延滞了热量传向被保护的基材的速度在涂层膨胀发泡产生泡沫层的过程中,因吸热反应而消耗大量的热量涂料中的有些组分遇火发生反应而生成不燃气体,有利于降低体系的温度,对钢材起到高效的防火隔热保护。非膨胀型防火涂料受火时,涂层基本上不发生体积变化,而依靠构成涂层的材料自身的低导热性和隔热性对钢构件起屏障和防止热辐射作用,避免火焰和高温直接进攻钢构件。要达到高等级耐火性能,这类涂料一般涂层较厚。升,保护钢件,耐火极限可达0153H。与其他类型的钢结构防火涂料相比,它除了具有水溶性防火涂料的一些优点之外,由于基料及多数添加剂都是无机物,因此它还具有成本低廉的特点。可用于该类钢结构防火涂料的基料有碱金属硅酸盐类、磷酸盐类等。硅酸盐类涂料所得的涂层不耐水,不防潮,耐候性差,且易出现开裂、脱粉等不良现象。因此,如果采用硅酸钠作为钢结构防火涂料的基料,其关键技术之一,是需对其进行改性。目前解决这个问题的途径大多采用氟硅酸盐、硼酸盐、有机高分子聚合物等对其改性。磷酸盐类防火涂料由于其粘结剂的种类较多,根据其所含的金属不同,其性能也不同,一般认为钢结构防火涂料的研究和应用80年代初,公安部四川消防科研所在国内率先开展了钢结构防火隔热保护技术系统研究工作,研制出一系列钢结构防火涂料产品,并在很多重要工程上成功地获得应用。此后在钢结构防火涂料产品性能标准、工程应用技术等方面进行了研究,制定了钢结构防火涂料产品通用技术条件、工程应用规范等技术法规文件,进一步推动、促进和规范了钢结构防火涂料的研究及工程应用工作。目前,国内钢结构防火涂料的研究正向系列化、多品种的方向发展。钢结构防火涂料除了要求它具有防火隔热这个特殊性能之外,还要求适应使用要求的物理力学性能指标。而涂料的性能主要由涂料的基料所决定。因此,研制钢结构防火涂料的过程,一般是首先确定基料。基料确定的原则主要有下面几点第一,基料在高温下8001000与钢材有较强的粘合强度,并且有利于或至少是不影响防火涂料体系的防火隔热效果第二,选用的基料除使涂料具有良好的理化性能外,还应对金属无腐蚀性第三,选用的基料应考虑经济性。根据这些原则,在基料确定之后,要对组成防火体系的物质及其他添加剂进行选择。首先应考虑原料能否与基料和其他成分匹配,另外,考虑经济性、火灾时基本不产生毒气和浓烟,以及隔热性、容重、发泡率等性能。在主要成分确定之后,最后进行基料、相关原料、各种添加剂之间的合理配比等方面的研究。411厚涂型钢结构防火涂料所谓厚涂型钢结构防火涂料,是指涂层厚度在850MM的涂料,又叫钢结构防火隔热喷涂涂料。这类涂料形成的涂层在火灾中不膨胀,依靠材料的不燃性、低导热性或涂层中材料的吸热性,延缓钢材的温4强度耐水性粘接性ALMGCA、ZNBACA、ZNMGALFE、CUALMGCACUZN。其中,M/P的摩尔比M指金属,P是磷对涂料的贮存稳定性、与钢基材的附着力、耐水性等都有直接影响。因此在以磷酸盐为基料的钢结构防火涂料的研制中,基料的控制是很重要的。表2是一种厚涂型钢结构防火涂料的配方示例。表2厚涂型钢结构防火涂料配方原料质量分数/无机粘结剂无机轻质材料矿棉、珍珠岩、蛭石等添加剂改性剂、固化剂等水4035520该类钢结构防火涂料采用喷涂施工,一般多应用在要求耐火极限2H以上的室内钢结构上。这类产品涂层厚,外观装饰性较差。国内此类产品有“SD2”钢结构防火涂料“TNLG”钢结构防火涂料,当其涂层厚度分别为2716MM和3915MM时,耐火极限可达2128H和2153H国外此类产品有英国GRACECONSTRUC2TIONPRODUCTS的“MONOKETEFIREPROOFINGUK6”钢结构防火涂料,其涂层厚度为4717MM时,耐火极限为215H美国美商华人企业股份有限公司的“AD”钢结构防火涂料,其涂层厚度为3317MM时,耐火极限为3H可护固欧洲有限公司的“CAFCOBLAZESHIELD”钢结构防火涂料,其涂层厚度18MM和34MM时,耐火极限为1188H和318H该公司的“CAFCO300”钢结构防火涂料,其涂层厚度分别为35MM和41MM时,耐火极限可达415H和5H以上。32涂料工业1999年第3期专论与综述合理地处理室温自干性与贮存稳定性及涂料的理化性能、装饰性等问题,是研究这类钢结构防火涂料的一个重要方面。另一方面,还要考虑涂料在受火时,应与钢材具有较强的粘结性。研究表明,解决这些问题的较好的办法是对树脂进行改性,即采用复合树脂作为该类防火涂料的基料。阻燃添加剂对涂料的防火性能影响很大,它必须能与基料相互配合,在受火时组分间协调一致,膨胀发泡形成均匀、坚固、致密的防火隔热层。该类钢结构防火涂料用的阻燃剂种类繁多,性能各异。表4是一种超薄膨胀型钢结构防火涂料的配方示例。表4超薄膨胀型钢结构防火涂料配方412薄涂型钢结构防火涂料一般讲,涂层厚度在37MM的钢结构防火涂料称为薄涂型钢结构防火涂料。该类涂料受火时能膨胀发泡,形成耐火隔热层,以延缓钢材的温升,保护钢构件。这类钢结构防火涂料一般是用合适的聚合物乳液作基料,再配以阻燃剂、添加剂等组成。对此类防火涂料,要求选用的聚合物乳液必须对钢基材有良好的附着力、耐久性和耐水性。常用作这类防火涂料基料的聚合物乳液有苯乙烯改性丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液、偏氯乙烯乳液等。为了使粉状的颜填料、阻燃剂等各种添加剂更好地分散在涂料中,还应加入六偏磷酸钠等分散剂。该类钢结构防火涂料一般分三步进行生产,即先将各种阻燃添加剂分散在水中,然后研磨成规定细度的料浆第2步,再用乳液配漆第3步,配以无机轻质材料、增强材料等搅拌均匀,并加入适量的消泡剂等,使其达到一定的粘度。表3是一种薄涂型钢结构防火涂料的配方示例。表3薄涂型钢结构防火涂料配方原料质量分数/复合树脂有机无机复合阻燃剂助剂固化剂、增塑剂发泡剂200溶剂汽油203051728超薄膨胀型钢结构防火涂料可采用喷涂、刷涂或辊涂施工,一般使用在要求耐火极限2H以内的建筑钢结构上。与厚涂型和薄涂型钢结构防火涂料相比,超薄膨胀型钢结构防火涂料粒度更细、涂层更薄、施工方便、装饰性更好是其突出优点。在满足防火要求的同时,又能满足高装饰性要求,特别是对于裸露的钢结构。这类涂料是目前倍受用户青睐的钢结构防火涂料。公安部四川消防科研所研制出的“SCB”溶剂型和“SCA”水溶型超薄膨胀型钢结构防火涂料,涂层厚度分别为2169MM和116MM,耐火极限分别为147MIN和63MIN“LF”溶剂型和“L6”溶剂型超薄型钢结构防火涂料,涂层厚度分别为2MM和3MM,耐火极限分别为94MIN和90MIN。德国HERBERTS公司的“WATERBASED”38320型钢结构防火涂料水溶型,涂层厚度2163MM,耐火极限63MIN38091型钢结构防火涂料溶剂型,涂层厚度2142MM,耐火极限124MIN英国的“NULLIFIRE”钢结构防火涂料溶剂型,涂层厚度2124MM,耐火极限106MIN此外,日本“立邦涂料”的超薄型钢结构防火涂料也开始涉足中国市场。414室外钢结构防火涂料室外钢结构防火涂料是指适合于室外环境使用的钢结构防火涂料,主要用于建筑物室外和石化企业露天钢结构等。这类钢结构防火涂料的基料是耐候性好的合成树脂或有机高分子聚合物乳液与无机粘原料质量分数/乳液复合阻燃剂膨胀发泡剂助剂、无机材料等水3020152015该类涂料一般分为底层隔热层和面层装饰层,其装饰性比厚涂型涂料好,采用喷涂施工,一般使用在要求耐火极限不超过2H的建筑钢结构上。如国内的“SD1”钢结构防火涂料和“LB”钢结构防火涂料,涂层厚度分别为513MM和714MM时,耐火极限分别为1162H和2105H。国外这类涂料较少。413超薄型钢结构防火涂料所谓的超薄型钢结构防火涂料,是指涂层厚度不超过3MM的钢结构防火涂料。这类钢结构防火涂料受火时膨胀发泡,形成致密的防火隔热层,是近几年发展起来的新品种。目前,该类钢结构防火涂料大多数为溶剂型涂料。这类钢结构防火涂料的研究中,对基料主要考虑两个问题,一是基料与防火添加剂的协合二是涂料的室温自干性。这类防火涂料常用的基料有环氧树脂、氨基树脂等。这些树脂的自干性较差,用于建筑物钢结构的防火涂料,不能高温烘干,催化固化又存在涂层理化性能和贮存稳定性差的问题,因此,怎样33涂料工业1999年第3期专论与综述结剂复合而成,再配以阻燃剂、轻质材料、增强材料组成。硅溶胶是一种理想的无机成膜物,它是由水玻璃经过酸处理、电渗析及离子交换等方法去掉钠离子得到的超微粒子聚硅酸分散体,具有一旦成膜就不再溶解的特性。但由于它在成膜过程中体积收缩大,所以容易引起涂层开裂、硬脆。如果用水性有机树脂或有机乳液与之拼用,则可以大大改善涂层的机械性能。常用的水性树脂和有机乳液有丙苯乳液、丙烯酸系列乳液等。室外钢结构防火涂料的研究中,其阻燃添加剂的选择原则与其他几类钢结构防火涂料类似。但要适应室外的环境条件,对耐水、耐候、耐化学腐蚀性能等的要求更苛刻。表5列出了室外钢结构防火涂料配方的示例。表5室外钢结构防火涂料的配方乐场所、体育馆、候机厅、展览馆、电视塔、商贸大厦、大型工业厂房等大跨度建筑物和超高层建筑物等广泛采用钢结构,其结构设计的出发点之一就是要保证一定的美感,在使用防火涂料后对其外观的影响应越小越好。因而涂层薄、耐火极限高,成为钢结构防火涂料发展的方向之一。随着工业的不断发展,高速增长的大批石化企业的钢结构的防火保护,对钢结构防火涂料提出了耐候性好、能适应室外环境的要求,这也是钢结构防火涂料的发展方向之一。总之,目前国内外钢结构防火涂料出现涂层超薄、装饰性强、施工方便、防火性能高、应用范围广的发展趋势。从现有钢结构防火涂料品种来看