钢结构防火涂料膨胀型组分的选择

钢结构防火涂料膨胀型组分的选择
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30 min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；氯化橡胶改性环氧树脂适用于耐腐蚀的场合，但不适用于室外场合。

1.2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1 000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。

1.3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。

1.4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，包括三聚氰胺、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、氨基树脂已起到大部分发泡剂的作用，用三聚氰胺补充不足部分。

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。

1.5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。

1.6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。

1.7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
通过对超薄型钢结构防火涂料的分析，我们可将涂料的膨胀过程分为4个阶段：第一，平稳阶段
（20~230℃）。

这期间热失重仅2%左右，主要是涂料中尚未挥发的溶剂和其它易挥发小分子化合物挥发所致。

在耐火实验时看到涂层表层起火燃烧，这主要是涂料内的挥发分着火所致。

此时，涂层中的成膜物
质开始熔融软化，可以看出：在180℃有一小的吸热峰，约47 J/g，这主要是成膜物质熔融软化吸收了外部能量所致。

第二，发泡炭化阶段（230~420℃）。

这期间热失重为43%左右。

该阶段是涂料挥发的过程，防火阻燃体系中的三聚氰胺发泡剂首先热分解，释放出非燃性气体NH3，同时成膜物质中部分组分分解产生NH3、HCl和水蒸汽等，促使第一阶段已熔融软化的成膜物质持续地膨胀发泡，形成泡沫层。

此时脱水催化剂聚磷酸铵分解，释放出能酯化多元醇和作为脱水剂的无机聚偏磷酸，与多元醇成炭剂季戊四醇、成膜物质等含羟基有机化合物发生酯化反应，生成强吸水性物质，在空气中的吸水率达到原物质量的55%左右。

体系中的胺则作为酯化反应的催化剂，使酯化反应加速进行。

与此同时，多元酸和酯脱水炭化，形成无机物及炭化残余物，使体系进一步膨胀发泡。

反应接近完成时，体系胶化和固化，脱水成炭，生成的不饱和主链再进行环化架桥反应，最后生成致密坚硬的黑色蜂窝状炭化层。

蜂窝状炭化层的厚度比原有涂层厚度大几十倍，其导热系数接近于空气的导热系数，可以有效地隔绝外部热源，保护钢结构基材。

成膜物质、发泡剂、脱水催化剂、成炭剂必须具有良好的匹配性，否则就不能形成理想的炭化层。

由DTA曲线可以看出：在330℃左右，有一强吸热峰，约为350 J/g，主要为这阶段的发泡炭化过程吸收的外部能量，以使反应得以顺利进行。

第三，失炭阶段（420~770℃）。

这期间热失重为18%左右，主要是炭化层中的碳逐渐被氧化成CO2而逸出体系，同时有一部分炭化层由于附着力欠佳而被气流带走。

从DTA曲线可以看出：在560℃、670℃左右分别有一强放热峰，约为830 J/g、250 J/g，主要是炭化层中的碳逐渐被氧化而释放出能量。

第四，无机层阶段（770~1 000℃以后）。

这期间热失重为0.24%左右，主要是炭化层中碳被氧化逸出后，剩余的约37%无机材料形成白色无机骨架。

超薄型钢结构防火涂料防火后期，主要是这些无机骨架组成的无机隔热层在起防火隔热作用。

其主要成分是焦磷酸钛形成的多孔物质，它由聚磷酸铵和TiO2反应所生成。

3•结语
针对目前市场迫切需求的高性能、装饰性好、施工方便、涂覆量少、附着力强、耐候性好的超薄型钢结构防火涂料，通过分析，得出如下结论：
（1）丙烯酸树脂具有良好的耐候性，氨基树脂具有良好的发泡性，氯化石蜡70为成膜物提供氯元素，三者适量的配用可以制得耐候、阻燃、附着力强的室外型防火涂料。

（2）在超薄型钢结构防火涂料组分中，起膨胀作用的组分（包括颜填料）一般占总质量的45%~60%，成膜物和其它添加剂约占20%~40%，溶剂占15%~20%。

另外，起膨胀作用的组分中，成炭催化剂占
40%~60%，成炭剂占20%~30%，发泡剂占20%~30%。

（3）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，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。