钢结构用膨胀型防火涂料组分的选择

第４７卷第１２期２００９年１２月上海涂料ＳＨＡＮＧＨＡＩＣＯＡＴＩＮＧＳＶ０１．４７Ｎｏ．１２Ｄｅｃ．２（）０９钢结构用膨胀型防火涂料组分的选择时虎１胡源２（１冲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）摘要：分析了不同组分对超薄型钢结构防火涂料性能的影响。

选择合适的组分及其用量是提高超薄型钢结构防火涂料性能的关键。

关键词－钢结构；膨胀型防火涂料；组分中图分类号：ＴＱ６３７。

８文献标识码：Ａ文章编号：１００９—１６９６（２００９）１２－００２７－０４０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。

当泡沫达到最大体积时，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，炭化较彻底，炭化物较多，炭化层厚度最高而炭化层硬度差，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３０ｍｉｎ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，炭化不彻底，炭化物较少，炭化层厚度最低但硬度好。

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，炭化不彻底，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，炭化不彻底，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【收稿Ｅｌ期Ｊ２００９－０８－１６【作者简介】时虎，工程师，主要从事纳米阻燃、防灭火材料、防火涂料等的研究开发。

万方数据上海涂料第４７卷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Ｓｈｌ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６０ｍＬ／ｍｉｎ，升温速率为１０℃／ｍｉｎ。

由丙烯酸树脂Ｓｈｌ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１３４０Ｃ时热失重几乎为零；１３４—３５７．３℃热失重达３８．６７％；在３１４．２０Ｃ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。

４０６．００Ｃ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Ｃ０２而逸出体系；７５０．８．１０００。

Ｃ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同性树脂。

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—３０６．６ｏＣ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。

４０１．８０Ｃ热失重达４３．４７％；在３４９．９ｏＣ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；４０１．８～６９９．１ｏＣ热失重达２６．３５％，炭层骨架逐渐氧化成为Ｃ０２；６９９．１一ｌ０００％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：２６９．４０Ｃ之前，热失重达５．２０％；２６９．４—３６９．６℃热失重达６３．７５％；在３１４．２。

Ｃ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３４９．９０Ｃ有一分解吸收峰，氯化石蜡７０氧化分解释放出ＨＣＩ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Ｃ０２：５９９．３～１０００℃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，最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，滁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，可以得到最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：ｌ，成膜物在整个涂料体系中的用鼍约２０％一４０％。

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１０００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。

１．４成炭剂的选择成炭剂是膨胀型防火涂料形成不易燃三维空间结构泡沫炭化层的物质基础，对泡沫炭化层起骨架的作用。

它们是含高碳的多羟基化合物，在脱水成炭的作用下生成具有多孔海绵结构的炭化层。

一般选用含炭量高的多元醇有机物，如淀粉、季戊四醇、二季戊四万方数据第１２期时虎，等：钢结构用膨胀型防火涂料组分的选择醇、三季戊四醇、含羟基树脂等。

淀粉在水中的溶解度较大，且在潮湿条件下易发霉而影响涂层的质量；季戊四醇是应用最多的成炭剂；二季戊四醇、三季戊四醇也是合适的成炭剂‘，但是由于这两种产品合成工艺复杂，其价格约是季戊四醇的５－６倍。

在一定范围内，成炭剂的用量越大，涂料的防火性能越好，但发现随着成炭剂用量的增大，涂膜固化速度变慢。

另外，成炭剂是可燃材料，其用量太大也会降低防火性能。

实验中发现：由于季戊四醇的分解温度低于熔融层的炭化温度，若其用量过大，会导致膨胀涂层的流动；用量较小，又会影响涂层的膨胀高度和膨胀层的质量。

因此，必须严格控制季戊四醇的用量，一般其用量约占总体系的１４％左右。

１．５发泡剂的选择膨胀型防火涂料的特点是涂层遇热时，释放出不燃性气体，如氨、二氧化碳、水蒸汽、卤化氢等，使涂层膨胀，并在涂层内形成蜂窝状泡沫结构，这些靠发泡剂来实现。

发泡剂是否适用，其分解温度是关键。

分解温度过低，释放气体在成炭前逸出起不到作用；分解温度过高，产生的气体会把炭层顶起或吹掉，不能形成良好的炭质泡沫层。

一般选择胺类化合物发泡剂，包括ｉ聚氰胺、双氰胺、聚磷酸铵、氯化石蜡、磷酸铵盐、硼酸铵、双氰胺甲醛树脂、氨基树脂等。

体系中聚磷酸铵、氯化石蜡、氨墟树脂已起到大部分发泡剂的作用，用三聚氰胺补充／１，址部分。

实验结果表明：三聚氰胺用量增大，膨胀速度加快，膨胀倍数增加，但膨胀层太高将影响炭层的质量及在火场中的牢固性。

为了控制膨胀速度和膨胀高度，保证涂层质量，三聚氰胺的用量应控制在适宜的范围，一般为总体系的８％左右。

１．６颜料的选择颜料的加入可改善涂料的许多理化性能，但其用量太大，会影响涂层的发泡效果，从而影响涂层的防火性能；用量太小，涂层易脱落，耐火时间短。

选用钛白粉为颜料，它的遮盖力强且化学性能稳定。

锐钛型钛白粉对防火涂料的防火性能具有协同作用，其用量以１２．０％～１３．５％为宜。

１．７填料的选择一般选择耐热、能增加膨胀层致密性、提高膨胀层硬度的无机物作为填料。

适量的膨胀石墨能延长耐火时间；无机盐晶须可提高涂层及炭化层的强度，避免泡沫气体造成涂层破裂，同时提高涂层的耐水性和耐冻融性，也可提高涂料的施工厚度和防流挂性。

１．８溶剂的选择溶剂对涂料成膜质量的影响不容忽视。

溶剂用于溶解或分散成膜物，调节成膜物和颜填料组成的复合体系的黏度和流变性，使其成为易于施工的流体。

选用溶剂的标准主要是溶剂的溶解能力、挥发性、闪点、毒性及价格等。

基于这些要求的考虑，选择了不含“三苯”的无毒芳烃作为溶剂，用量约占总体系的１５％～２０％。

２超薄型钢结构防火涂料的膨胀过程分析超薄型钢结构防火涂料的ＴＧ曲线和ＤＴＡ曲线分别见图１和图２。

ｏｂ０ｇ≥ｇＶ氅奄《训图１超薄型钢结构防火涂料的ＴＧ曲线图２超薄型钢结构防火涂料的ＤＴＡ曲线通过对超薄型钢结构防火涂料ＴＧ曲线（图１）的分析，我们可将涂料的膨胀过程分为４个阶段：第一，平稳阶段（２０。