新材料在钢结构膨胀型防火涂料中的应用_图文

1、新材料在钢结构膨胀引言型防火涂料中的应用作者：时虎张锦丽时晨阳（中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽合肥）摘要：介绍了改善和提高钢结构膨胀型防火涂料性能的“，新材料，其锖须材料增抓防火涂料的施工厚度和耐火时间，石墨层问化合物增加火涂料的耐火时问千日，水性氟素改善了防火涂料的理化忖：一，】外观性能双氢氧化物提高防火涂料的防火性能。关键词：膨胀型防火涂料：品须；彳墨层】化俞物：氟索：双氢氧化物防火涂料是目前防火保护中最有效和直接的方法之一。随着国家经济建设的快速发展，防火保护的领域越来越广，要求越来越高，这就要求防火涂料在保持现有基本理化性能、防火性能的基础上，进一步提高其涂膜质量、方便施

2、工、节省资源、节省能源、适应环境、装饰性能、耐候性、耐水性等性能，以期达到更好地保护目标物，尽可能的减少灾害损失的目的。本文介绍了几种新材料在改善防火涂料性能方面的应用。晶须在防火涂料上的应用晶须是一种针状单晶体材料，它是以无机物和有机聚合物等中的可结晶物为原材料，通过人为控制，以单晶形式生长的形状类似于短纤维，而尺寸远于短纤维的须状单晶体。其直径极小，是亚微米和纳米级尺寸；长度为几微米至数百微米。在单晶体中有高度有序的原子排列结构，几乎没有多晶材料中存在的各种缺陷。由于其晶体结构十分完整，使其具有惊人的力学强度，作为塑料、涂料和陶瓷等材料的改性添加剂，显示出极优良的物理化学性质和优异的机械性

3、能。在防火涂料中可以应用的晶须材料主要有水合碱式硫酸镁晶须、氢氧化镁晶须、二氧化硅晶须、硼酸镁晶须、硼酸铝晶须、氧化锌晶须、氧化镁晶须等，其中最具代表性的是水合碱式硫酸镁晶须。水合碱式硫酸镁晶须加入丙烯酸基涂料、环氧树脂基涂料等树脂基涂料中，能使涂料粘度成指数增加，具有很好的增稠性和触变性，可大大提高使用性能和涂抹效果。这一特性使它们在涂料和粘合剂领域有很好的应用前景。图水合碱式硫酸镁晶须在涂层中的电镜照片目前，市场上销售的钢结构防！冷米斗，无论厚涂型、薄涂型还是矿物棉类建筑防火隔热涂料其中都或多或少地添加了岩棉纤维、陶瓷纤维、硅酸铝纤维等纤维材料，其目的就是减少施工过程或涂层初期干燥过程中出

4、现的龟裂现象同时加八高熔点的无机纤维，能增加涂层的火焰中的整体性及涂层在火灾中骤冷骤热情况下不开裂等性能。另外，纤维材料的增强作用和增稠作用，可以使得涂料施工奎西月年卯加麓每一遍的厚度增加，减少了施工次数，从而降低了施工费用和缩减了工期。超薄型钢结构防火涂料虽然理化性能强于厚涂型、薄涂型钢结构防火涂料，但是其由于自身组分及配比的关系，其每遍涂刷量较少，一般一遍涂层厚度只能达到，如果要达到涂刷规定的厚度一般要十几遍以上，施工耗时耗力。如果强行增加每遍的厚度，就会造成涂层流坠、滴落、乳突、开裂等现象，既浪费材料，又达不到良好的后期效果。如果采用硅酸铝纤维等纤维材料填充，由于这类纤维平均直径为，长度

5、达到，必然造成涂料分散困难，涂料中出现许多颗粒状物质，并且有少量结块，涂层外观粗糙，涂层受热发泡能力、隔热隔火能力大幅度下降，这就失去了超薄型钢结构防火涂料的固有特性，无法达到国家标准规定的该类产品厚度±，耐火极限达到的要求。基于以上的情况，采用直径为，长度为的水合碱式硫酸镁晶须材料填充。按一定的比例（）高速搅拌分散到已有的超薄型钢结构防火涂料中，在内就可以完全分散均匀，涂料粘度增加了一倍。经搅拌后涂料状态呈均匀细腻状态，无结块；施工厚度从原来的提高到，防流挂性能提高；测试其性能，粘结强度从提高到，耐水、耐冷热循环性能都显著提高；在耐火实验中，防火涂层膨胀倍数大约达到倍，发现晶须的加

6、入提高了涂层及炭化层在火焰中的强度，避免分解反应中逸出大量的气体造成炭化层结构的破坏，提高了炭层致密性、炭层硬度、耐火时间。石墨层间化合物在防火涂料中的应用层间化合物是指层状结构物质的层片之间插入外来原子或分子后形成的化合物，原则上具有层状结构的化合物内均能插入各种客体原子或分子，常见的层间母体有石墨和过渡金属二硫族化合物，至于可插入的原子或分子也各式各样，到目前为止已防火涂料发现了上千种层间化合物，层间化合物以其特殊的性质和广泛的应用前景，引起了化学、物理学、工程学、电子技术等各个领域的科学家的广泛重视。石墨层间化合物是由天然鳞片石墨经化学处理而成，在受到高温时，石墨层间化合物吸留在层形点阵

7、中的化合物分解逸出，从而导致石墨沿着结构的轴线呈现出数百倍的膨胀。石墨层间化合物，在受热条件下，石墨插层化合物膨胀时吸收大量的环境热量，体积急剧膨胀，窒息了火焰，同时生成的膨胀物，膨胀倍数在几十到二百之间，主要成分是碳，具有耐。高温、结构疏松、良好的防火隔热作用，覆盖在基材的表面，如同膨胀防火涂料发生反应后得到的隔热层，使得达到隔绝火源，延迟或中断火蔓延的作用，另外石墨插层化合物膨胀时，其夹层释放出的酸根粒子，不但促进了可燃材料的脱水炭化，而且其与链反应中的自由基粒子结合，中断了链反应的进行，延长了耐火时间。由于石墨层间化合物和膨胀型防火涂料有相同的防火隔热机理，相似的热膨胀倍数，所以可以将两

8、者的特点结合，提高和改善防火涂料的各项性能。石墨插层化合物的颗粒大小及插层反应的程度对其热膨胀倍数有影响，因此我们选用较低热膨胀倍数（约左右）和较小颗粒度（约）的石墨插层化合物，比较适合钢结构用膨胀型防火涂料的体系。并且将石墨插层化合物的用量控制在以内，在涂料体系膨胀反应的过程中，由于石墨插层化合物受热后变为许多大长短不一的“膨胀石墨蠕虫”，较均匀的穿插交织于涂料膨胀炭质层中（见图），成为整个体系的筋骨，使得涂料体系发泡更均匀，结构更坚固，所以涂料体系的耐火；中击强度加大，耐火时间大大延长（最高增加左右）。而超过后，则表现的主要是石墨插层化合物的特性，在膨胀反应的过程中“膨胀石墨蠕虫”更像整个

9、体系的“刺头”，会较多的从膨胀炭质层中贯穿而出，飞扬到体系之外，从而破坏了体系的完整性，降低了结构强度，造成耐火时间缩短。另外，由于石墨是黑色物质，添加过量的石墨插层化合物会使得整个涂料体系颜色加深，所以浅年月西安色涂料体系也不适合添加过多的石墨插层化合物。石墨层间化合物是鳞片状结构，添加在膨胀型防火涂料体系中，可以增加涂料的耐水性和耐候性，另外由于石墨是良好的电导体，制得的涂料可防止静电荷的聚集，用于石油储罐，达到防火防静电的双重效果。防火涂斜隆长屡石墨鲳虫图石墨层间化合物在防火涂料中的作用示意图氟素表面与界面活性剂在防火涂料中的应用涂料具有双重效应，是形成良好防火涂料涂膜的关键，是指防火涂

10、料要有足够低的表面张力和连续的可预见的表面张力，这两方面缺一不可。足够低的表面张力是指涂料的表面张力要求比基材的表面张力，一直小到基材的表面张力与涂料表面张力之差值约为以上。这就可以保障涂料对基材有效的浸润和铺展。连续的可预见的表面张力是指涂料在由液相转为固相的动态过程中，涂料的表面张力直可靠的得以维持，只有这样才可避免或减少表面张力的梯度，以减少涂布外观的差异性，避免开裂、起层、脱落等现象的出现。氟是所有元素中电负性最大，而范德华原子半径又是除氢以外最，并且原子极化率又最低的元素。氟原子形成的单键比碳原子与其他元素原子形成的单键的键能都大，而键长较短。因此氟素表面活性剂的链非常牢固，很难以共

11、价键的均裂方式断裂分解。另外，在同类化合物中氟碳的离子型异裂解离反应所需能量也是最大的。因此氟素表广年月西安面及界面活性剂受到高热？强化学试剂刺激时，仍具有很高的活性。它给涂料带来了的双重效应和最终实际。氟素表面活性剂添加量一般在涂料体系总量的左右，可以直接均匀搅拌加入。表氟素表面活性剂加入不同树脂体系后表面张力（最低可降至）树脂体系表面张力（）环氧树脂（）醇酸树脂酚醛树脂聚酯树脂氨基树脂丙烯酸树脂硅氟类树脂（）表氟素表面活孑在不同温度下的热稳定性温度一。损失氟素表面活性剂可用于聚氨酯、不饱和树脂、丙烯酸等油性防火涂料体系（见表）。可与聚氨酯、丙烯酸等树脂发生交联反应，反应活性高，成膜性能好，

12、能改善涂料的粘附性，提高材料的耐候性、耐化学品性、耐高温性（见表）、抗氧化性。不会像某些偶联剂那样会导致活性界面的模糊，也不会像其它氯碳材料那样影响再涂。可以减少涂料在固化过程中因为内应力的局部变化而导致的断裂，拉伤，脱落。还可在不改变硬度的前提下，提高自干涂料的韧性。可消除针孔、脱漆、火山口、桔皮、滚纹、浮色、发花、拉丝及厚边现象。可有效减少粉尘污染，可有效减少手指印记，可得到优异的流平性。双氢氧化物在防火涂料中的应用双氢氧化物（，缩写为）。其中最重要的一种其化学通式可表示为“（）（）。它们是一类由带正电荷的物层和层间填充带负电荷的阴离子所构成的层状化合物。其中，和。是侣盈巧伯旧引翻一一一一

13、一一¨侣船侣仃旧！翌位于层板中的二三价金属阳离子，如斗，孙，”，舢，“，和卜斗，“，等，它们以个羟基形式存在的氧构成的八面体（）为结构单元，八面体结构单元以共用棱边的形式形成层状，层与层之间在共价力作用下维持化学稳定（见图）。一和。分别是位于层板间的各种阴离子和水分子，一到平衡层板正电荷的作用。双氢氧化物作为主体物质的阴离子插层特点使得其有广泛的应用，如作为离子交换物质，催化剂，吸附剂，卤素吸收剂，而插层后其诸多特性有所增强，例如拉伸系数，断裂伸长，气体渗透性，热稳定性等。图双氢氧化物电镜照片图双氩氧化物在防火涂层中的电镜照片厉，必荣群当在防火涂料中含的纳米（见图，加入量为常规的倍）时，其耐火极限可达，比以，为阻燃填料时的最佳耐火极限多。利用层状双氢氧化物的特点对防火涂料进行改性，添加纳米双氢氧化物材料可以有效提高涂料作用日寸的反应面积，提高涂料防火性能，同时通过添加无机纳米层状材料也提高防火涂料遇火膨胀后的强度。结语膨胀型防火涂料的进一步发展和性能改进，离不开新技术、新材料的发展。本文所列出的防火涂料用新材料只是其中的一小部分，另外还有其它纳米材料、热膨胀化合物等许多新材料都将在提高防火涂料性能方面发挥着作用。参考文献】靳治良，张志宏等无机盐晶须材料的研究进展【】海湖盐与化工（）：】【袁建君方琪，刘智思晶须的