钢结构防火涂料的配方及制备工艺

钢结构防火涂料的配方及制备工艺

郝金雷

前言

随着我国经济的飞速发展，大量的超高层建筑、工业厂房、大跨度公共场所等钢结构建筑拔地而起，钢结构在现代建筑业得到广泛应用，钢材作为一种不燃建筑材料，在火灾高温作用下，其力学性能如屈服强度、抗拉强度及弹性模量等随温度升高而降低，在450-650℃更会急剧下降，失去承载能力，变形巨大，导致钢柱、钢梁弯曲，建筑坍塌，一般不加保护的钢结构耐火极限为15min左右。

钢结构防火涂料是涂料的一大分支，施涂于建筑及构筑物的钢结构表面，能形成耐火隔热保护层以提高钢结构的耐火极限，也是对钢结构防火保护常用的技术手段，发展趋势良好。

一、分类

根据2019年6月01日起正式实施的《钢结构防火涂料》(GB14907-2018)国家标准对其进分类如下：

1、按照火灾防护对象分为：

①普通钢结构防火涂料：用于普通工业与民用建（构）筑物钢结构表面的防火涂料；

②特种钢结构防火涂料：用于特殊建（构）筑物（如石油化工设施、变配电站等）钢结构表面的防火涂料。

2、按照使用场所分为：

①室内钢结构防火涂料:用于建筑物室内或隐蔽工程的钢结构表面的防火涂料；

②室外钢构防火涂料：用于建筑物室外或露天工程的钢结构表面的防火涂料。

3、按照分散介质分为：

①水基性钢结构防火涂料：以水作为分散介质的钢结构防火涂料；

②溶剂性钢结构防火涂料：以有机溶剂作为分散介质的钢结构防火涂料。

4、按照防火机理分为：

①膨胀型钢结构防火涂料：涂层在高温时膨胀发泡，形成耐火隔热保护层的钢结构防火涂料；

②非膨胀型钢结构防火涂料：涂层在高温时不膨胀发泡，其自身成为耐火隔热保护的钢结构防火涂料。

二、原材料

本文作者以水基性膨胀型钢结构防火涂料为例，重点介绍一下防火涂料的配方及制备工艺。

水性膨胀型防火涂料多为薄型，组分一般包括成膜物、膨胀阻燃体系、颜填料及助剂等，其中成膜物质和膨胀体系是膨胀型防火涂料中的关键组分。

1、成膜物

水性膨胀型钢结构防火涂料的主要成膜物一般选用聚合物

乳液，采用水性聚合物乳液制造的防火涂料VOC释放量要远低于溶剂型涂料，理化性能和防火性能优良，在钢结构防火保护中应用广泛。聚合物乳液一般是高分子合成树脂乳液，聚合方法不同，导致乳液性能各异，特点各有所长，可根据其特点进行复合使用，涂膜的硬度、柔韧性、耐水性可通过复配调节，增强涂料综合性能。

目前在钢结构防火涂料中应用较广泛的是丙烯酸酯类聚合物乳液，按产品的组成可分为：纯丙烯酸酯共聚乳液（纯丙乳液）、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液（苯丙乳液）、醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液（EVA乳液）以及有机硅改性丙烯酸树脂乳液等。

2、膨胀阻燃体系

膨胀阻燃体系采用化学阻燃机理，膨胀形成炭质泡沫层，根据其作用不同，主要有三部分：催化剂、成炭剂和发泡剂。

①催化剂

催化剂能够促进并改变涂层的热分解过程，其分解出的酸能促进涂层内含羟基的有机物脱水炭化，生成不易燃的三维空间构造的炭质层，隔离基材和火源，释放出不燃性气体，稀释可燃性气体和氧气。

受热时能够分解，产生的酸化合物具有脱水作用，如磷酸、硫酸等的盐都可以用作催化剂，其中磷酸盐最为常用，磷系阻燃剂低烟、无毒，用量仅次于卤系阻燃剂。现在经常采用的是聚磷酸铵，它含磷量高、含氮量多，具有热稳定性好、水溶性小、近

于中性、阻燃效能高、分散性较好、毒性较低的特点，已经成为重要的高效添加型磷系无机阻燃剂。

②成炭剂

成炭剂是形成三维空间结构的物质基础，是膨胀炭质层的主要组分。在火焰或高温作用下，催化剂开始反应，成炭剂脱水炭化，形成多孔的膨胀炭质层。

成炭剂一般为碳水化合物，包括淀粉、葡萄糖、山梨醇、季戊四醇等。目前常用的成炭剂是季戊四醇，化学性质活泼，分解温度与聚磷酸铵相配。

从季戊四醇中提炼而得的双季戊四醇与聚磷酸铵的分解温度更为相近，防火性能更好，但是价格高，实用性略差。

部分树脂如尿素树脂、氨基树脂、环氧树脂等自身含有羟基，也起到成炭剂作用，在防火涂料中兼具炭化和胶黏剂作用。

③发泡剂

膨胀型防火涂料在遇火时，膨胀形成多孔的炭质层结构，主要是由于发泡剂能在较低的温度下分解释放出不然性气体，使涂层迅速膨胀形成海绵状炭质层。

常用的发泡剂有三聚氰胺、脲醛树脂、氯化石蜡、聚酰胺、尿素和双氰铵等。有时为了加强阻燃效果，会采用两种发泡剂并用。

三聚氰胺是最为常用的发泡剂，有利于炭质层的形成，其添加量直接影响炭化层的膨胀高度，在一定范围内，添加量大小与

膨胀高度成正比。

3、颜填料

在钢结构防火涂料中所添加的颜填料是指无机填料，包括颜料、增强填料等。填料加入的越多，涂膜的强度越大，但是粘接力会相应降低，膨胀型涂料形成的炭质层致密度越高、膨胀高度越小，在钢结构防火涂料中选择合适的颜填料和用量才能有效提高防火涂料的性价比。

在防火涂料中主要使用的颜料有立德粉、钛白粉、氧化锌、氧化铁黑、氧化铁红等。

常用的填料主要有碳酸钙粉、滑石粉、硫酸钡、高岭土、硅灰石粉、云母粉、膨润土、硅藻土、凹凸棒土等。

三、基础配方

四、制备工艺及设备

钢结构防火涂料的制备工艺一般包括配料、预混合、搅拌、研磨分散、调漆、过滤、性能检测、包装等。根据涂料具体类别的不同，其制备工艺略微有所差别。

首先往搅拌罐内加入一定量的去离子水，加入分散润湿助剂及其他相关助剂，然后加入全部颜填料，开始高速分散；

对细度要求较高的涂料，高速分散结束后，应将其泵入砂磨机中进行研磨分散，最终获得相应的细度；

研磨浆达到规定的细度要求后，向浆料内添加配方量的丙烯酸乳液、其他功能助剂，调节涂料粘度，进行常规检测，合格后进行包装。

防火涂料要在整个存储过程中保持稳定的分散状态，这取决于颜填料的特性以及选择合适的润湿分散助剂。除此之外，还需要采用有效的分散、研磨设备，通过机械粉碎降低各种粉料的粒径，使粒径分布尽量集中在一个较窄的范围内。

制备防火涂料主要的设备有高速分散机、卧式砂磨机、过滤包装机械等。

五、性能要求

按照GB14907-2018国标规定，防火涂料的常规检测主要是对外观、黏度、表干时间、耐冷热循环等理化性能的检测。

以室内水性膨胀型钢结构防火涂料为例，产品性能指标应符合下表中的规定：