谈钢结构超薄型防火涂料

李楠 李娜 黄佳昕

(国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100083)

建筑钢结构由于其强度高、自重轻、塑性和抗震效果好、施工周期短、建筑形式灵活多样等优势，被广泛用于高层和大跨空间结构中。钢材虽在常温下具有优异的物理和力学性能，但其导热系数大，一旦遇到火灾(通常的建筑火灾中，10 min内火场温度便会达到700℃)，钢材的屈服强度便会急剧下降至常温的40%左右而失去承载力，从而导致建筑物的坍塌，给人民的生命财产带来严重损失。因此，对于钢结构来说，防火显得尤为重要。目前，涂覆防火涂料已经成为钢结构防火的通用做法。按照国家标准GB 14907－2002，钢结构建筑防火涂料可以分为厚型(7 mm＜涂层厚度≤45 mm)、薄型(3 mm＜涂层厚度≤7 mm)、超薄型(涂层厚度≤3 mm)三类[1]，超薄型由于其涂层薄、装饰性更好，在市场中占有了很大的份额。本文将重点叙述超薄型防火涂料的应用、研究现状与发展趋势。

1 超薄型防火涂料的研究现状

超薄型钢结构防火涂料的涂层厚度不大于3 mm，属于膨胀型防火涂料，其特点是受热时迅速膨胀发泡，形成导热系数低、难燃、均匀而致密的海绵状或蜂窝状碳质泡沫层，起到防火绝热的作用，对钢结构有良好的隔热防火效果。它的涂料粒度更细，涂层更薄，一般使用在要求耐火极限2 h以内的建筑钢结构上，尤其适合用于裸露的钢结构。传统的膨胀型涂料主要采用以聚磷酸铵为催化剂、季戊四醇为成炭剂、三聚氰胺为发泡剂为主要成分的阻燃膨胀体系，针对不同的实际情况还可添加助剂、颜料等辅助成分以适应不同的使用需求。目前国外已投入生产应用的代表性产品如英国的 Nullitifer钢结构防火涂料，涂层厚度为2.24 mm时，耐火极限为106 min[2];德国的佑民生和柏兹钢结构防火涂料38091(B型)，涂层厚度为0.68 mm和2.42 mm时，耐火极限分别为51 min和124 min;38320型，涂层厚度为2.63 mm时，耐火极限为 63 min[1，2];加拿大 A/D 防火有限责任公司的 A/DFirefilm防火涂料，涂层厚度为 2.58 mm时，耐火极限 120 min[3];国内代表性产品有公安部四川消防科研所研制的SCB(溶剂型)、SCA(水性)、LF(溶剂型)和L6(溶剂型)超薄膨胀型钢结构防火涂料，涂层厚度分别为2.69 mm，1.6 mm，2 mm 和3 mm时，耐火极限分别为 147 min，63 min，94 min 和 90 min[2];江苏兰陵公司的SF(溶剂型)超薄型钢结构防火涂料，涂层厚度为2.07 mm时，耐火极限为150 min[2];由厦门大学的戴李宗等人研制的超薄型防火涂料，涂层厚度为0.47 mm和2.02 mm时，耐火极限分别为 60 min 和137 min[1]。

国内外投入生产和使用的超薄型钢结构防火涂料产品目前普遍存在的问题是耐火极限比厚型涂料低，发泡持续时间相对较短，炭层厚度不够，耐久性、稳定性差，涂层易老化，一般寿命在5年～10年，有时甚至2年～3年就失去了膨胀性能，尤其长期处于潮湿部位时，常会因其部分组分的吸潮、吸湿性而大大影响其膨胀性能，给结构安全带来严重威胁。且通常其主要成分为有机材料，在施工中气味较大，遇火时可能会释放出有毒气体和烟雾，对人员逃生带来不利影响。

目前关于超薄型钢结构防火涂料的研究，主要集中在以下几个方面:

1)采用纳米无机填料改善涂料性能。

纳米粒子由于其粒度小、分散性大，且具有量子尺寸效应和宏观量子效应等特殊性质，将其用于传统防火涂料的改进，不仅可提高涂层的防火耐火性能，对其耐水、耐酸碱性、填料沉降性、消烟性及机械性能的改进也有很大帮助，有时还能节省阻燃剂的用量。使用较多的纳米材料有纳米 SiO2，TiO2，ZnO，Mg(OH)2，纳米复合铁钛粉等。2005年，咸才军等人在钢结构纳米复合防火涂料中添加了TiO2，使得烧后的炭层与基体结合较好、不易脱落，有效地延长了耐火时间[4]。付若愚等人将纳米SiO2应用在水性超薄型钢结构防火涂料中，采用加入分散剂、消泡剂等助剂，一边搅拌一边加入固体组分和纳米SiO2，高速分散30 min后，加入乳液、纤维素和增稠剂，低速分散30 min出料的方式制得涂料，并分别研究了不同的纳米SiO2含量对涂料防火和抗老化性能的影响。结果表明，适量的纳米SiO2将有效提高钢结构防火涂料的耐火极限。同时，纳米SiO2的存在可以屏蔽大部分紫外光，延缓涂料的老化进程，保持防火性能的稳定[5，8]。王震宇等人研究得到适量纳米Mg(OH)2在高温下的热分解产物纳米氧化镁分散于燃烧后的碳质层之间，有助于形成连续的、抗氧化的无机物保护层，可显著提高涂料的抗高温氧化性能，保护炭层下的基材免受破坏，使其成为良好的绝缘体[6]。2006年，咸才军等人分别研究了纳米 TiO2、纳米SiO2、纳米ZnO、纳米CaCO3、纳米Al(OH)3对钢结构防火涂料性能的影响。结果表明，在水性超薄型防火涂料中加入适量的纳米TiO2可显著提高涂料燃烧后炭质层的强度。而纳米CaCO3、纳米Al(OH)3受热易分解，膨胀后蓬松易脱落，耐火极限下降，不利于钢结构的防火保护[7，8]。2011年，刘成楼等人通过将纳米TiO2、纳米复合铁钛粉添入超薄型钢结构防火涂料成分中，发现适量的纳米TiO2、纳米复合铁钛粉有助于涂料各项性能的改善[9]。

2)研究基体树脂对钢结构建筑防火涂料性能的影响。

近年来，以聚磷酸铵—季戊四醇—三聚氰胺为膨胀阻燃体系，分析不同基体树脂对膨胀型钢结构防火涂料的影响的研究日益增多。其中，主要使用的树脂种类涉及了苯丙乳液、纯丙乳液、硅丙乳液、环氧和硅丙的混合乳液、丙烯酸本体杂化乳液、聚有机硅氧烷乳液与自交联纯丙乳液的混合乳液、有机硅改性丙烯酸乳液、苯乙烯改性聚丙烯酸乳、聚醋酸乙烯乳液、丙烯酸树脂、氯化橡胶、氨基树脂、脲醛树脂、醇酸树脂、溴碳酚醛树脂等，研究表明，有时可通过改性、混拼等方式改善基料树脂在涂料阻燃体系中的性能，提高其防火性能及耐久性。如通用树脂氨基树脂单独作为基料树脂时，耐候性差、抗老化效果不理想，但如经过改性，与改性丙烯酸树脂、氯化橡胶混拼，则可得到适合于超薄型膨胀防火涂料的基料树脂[1]。

3)防火机理及燃烧过程模拟研究。

罗伟昂等人研究了膨胀型防火涂料的如下反应机理:a.在催化剂作用下形成具有“C－N－P”结构的炭层;b.多羟基成炭剂在酸催化下脱水分解成炭;c.发泡剂热分解释放出不燃气体，基料树脂受热熔融，在发泡剂作用下膨胀发泡，进一步形成炭化层。同时还指出炭化层的形成要经历形成气泡核、气泡核的生长及泡体的定型3个阶段[1]。Griffin等综述了通过数学模型进行聚合物基膨胀阻燃涂料的热阻性预测的研究，通过膨胀涂层暴露在辐射热源下温度的变化曲线建立数学模型的方法，对开发新型膨胀型防火涂料有重要意义[1，10]。Jimenez等以含硼酸和APP阻燃剂的热固性环氧—氨基树脂体系为研究对象，探讨了不同加热速率下涂层的热解并建立了热解动力学模型[1，11]。王国建等人研究了可膨胀石磨在膨胀型钢结构防火涂料中受热膨胀的机理，指出石磨受热膨胀形成“蠕虫”状炭体，该结构稳定性好，可起到长期稳定隔热目的[12]。Sakumoto等研究了膨胀型超薄防火涂料的稳定性和耐久性，发现潮湿是影响耐久性的根本因素，提出了一种在高温高湿气环境下膨胀涂料的耐久性评估方法[1，13]。

4)防火涂料生产、施工工艺的研究。

在研究和开发膨胀型防火涂料时，关于涂料生产工艺，如加料顺序、搅拌方式、组分粒度级配等，以及施工工艺，如喷涂方式等，也会对涂料的持久性和可靠性起到重要影响。不同性能的涂料，要严格根据其自身特质进行实际应用，才能保证其发挥出应有的效果。

2 超薄型钢结构防火涂料的发展趋势

随着钢结构建筑应用的日益广泛，对超薄型钢结构防火涂料的要求愈加严格，不仅要在耐火性能、装饰性能等方面有所改进，还要达到无毒、低污染、绿色环保，不能对人员及环境带来不利影响。未来的钢结构防火涂料的进步可以体现在以下几个方面:1)对阻燃机理进行更深入研究，以进一步提高防火效果。2)对涂料组分进行研究，如利用纳米材料、微胶囊材料、膨胀性石磨等材料，寻找更好的原料组分，达到节约能源、低排放、高性能、绿色环保的效果。总之，随着对钢结构超薄型防火涂料的进一步深入研究，一定会有更优越的技术来提高防火涂料的综合性能，超薄型钢结构防火涂料将会有更为广阔的应用前景。

[1] 罗伟昂，谢 聪，许一婷，等.防火涂层材研究及产业化中的关键技术开发的研究进展[J].厦门大学学报(自然科学版)，2011(2):365－377.

[2] 魏云波，侯兆欣，赵 旭，等.国内外结构防火涂料工程应用[A].2010 全国钢结构学术论文集[C].2010:927－930.

[3] 李轶峰.钢结构超薄型防火涂料及其发展趋势[J].辽宁化工，2011(6):613－616.

[4] 咸才军.快速发展的纳米复合功能材料技术[J].新自动化，2005(6):67－70.

[5] 付若愚，刘学军.纳米SiO2在钢结构防火涂料中的应用[J].材料科学与工程学报，2005，23(2):248－251.

[6] 王震宇，韩恩厚，柯 伟.纳米Mg(OH)2对防火涂料热降解行为和防火性能的影响[J].中国机械工程，2005，16(sup):337－341.

[7] 咸才军，孟惠民.纳米材料在水性超薄膨胀型钢结构防火涂料中的应用[J].材料工程，2006(8):40－44.

[8] 张 静，韩淑芳.钢结构新型纳米防火涂料的研究现状[J].内蒙古科技与经济，2011(5):114－115.

[9] 刘成楼，隗功祥.钢结构用超薄型水性环氧防火防腐涂料的研制[J].上海涂料，2011(6):15－19.

[10] Griffin G J.The modeling of heat transfer across intumescent polymer coatings[J].Journal of Fire Science，2010，28(3):249－277.

[11] Jimenez M，Duquesne S，Bourbigot S.Kinetic analysis of the thermal degradation of an epoxy based intumescentcoating[J].Polymer Degradation and Stability，2009，94(3):404－409.

[12] 王国建，纪振鹏.可膨胀石磨在膨胀型钢结构防火涂料中的应用研究[J].涂料工业，2009，39(3):1－5.

[13] Sakumoto Y，Nagata J，Kodaira A，et al.Durability evaluation of intumescent coating for steel frames[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2001，13(4):274－281.