膨胀型防火涂料用水性成膜物质的研究进展★

翟现明，游 然，要如磊，桑颖慧，张弼伟，李耀伟，赵 沛

(山西省建筑科学研究院有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

近年来，钢材受到了建筑行业的青睐，钢结构作为高层建筑结构的一种形式，以其强度高、质量轻，并有良好的延伸性、抗震性和施工周期短等特点，在建筑业中得到广泛应用，尤其在超高层及大跨度建筑等方面显示出强大的生命力。随着中国城市规模的发展，钢结构在中国建筑业的应用具有非常广阔的前景。但是，钢材作为建筑材料，在防火方面又存在一些难以避免的缺陷，它的机械性能会因温度的升高而急剧下降。钢结构通常在450 ℃～650 ℃温度中就会失去承载能力，一般不加保护的钢结构的耐火极限为15 min左右[1]，因此，对钢结构进行防火保护势在必行。

目前，对钢结构进行防火保护的常见方法就是在钢结构表面涂覆防火涂料，防火涂料按照防火机理可分为：非膨胀型钢结构防火涂料和膨胀型钢结构防火涂料。非膨胀型钢结构防火涂料在火灾中涂层不膨胀，依靠材料的不燃性、低导热性或涂层中材料的吸热性，延缓钢结构的温升，以达到保护钢结构的作用。这类防火涂料是由合适的无机轻质材料(如膨胀珍珠岩、蛭石等)、增强材料(如云母、硼酸锌、低熔点玻璃粉等)、助剂(如胶粉、纤维素醚等)，再配以黏结剂(如水泥、石膏、水性树脂等)组成。它除了具有水性防火涂料的一些优点之外,由于它从基料到大多数添加剂都是无机物,因此它还具有成本低廉的特点。但是，非膨胀型钢结构防火涂料的涂层较厚，一般在20 mm～35 mm之间，自身重量大，这无疑对钢结构造成了较大的负担。因此，在建筑领域，膨胀型钢结构防火涂料因具有施工简单、质量轻、装饰效果好、单位面积耗量少、对钢结构的涂覆不受结构的几何形状限制等优势，成为了备受用户青睐的钢结构防火涂料[2]。

膨胀型钢结构防火涂料主要由成膜物质、膨胀阻燃体系、无机填料组成。其在受火时可以膨胀发泡形成致密的防火隔热层，该防火层具有很强的耐火冲击性，可以延缓钢材的温升，防止钢材在火灾中因迅速升温而强度急剧下降，避免钢结构失去支撑能力而导致建筑物垮塌，有效保护人民的生命和财产安全。膨胀型钢结构防火涂料根据使用的成膜物质是水性树脂或溶剂性树脂，可以分为水性膨胀型钢结构防火涂料和溶剂型膨胀钢结构防火涂料。水性树脂是以水替代有机溶剂作为分散介质的树脂体系，相比溶剂性树脂具有低毒、低VOC、不燃、节省能源、易储存和易使用等优点[3]。随着国家和地方政府一系列禁油政策的落地，以及绿色观念的影响，水性膨胀型钢结构防火涂料已成为防火涂料行业的发展趋势。

水性成膜物质是水性膨胀型钢结构防火涂料的第一性关键组成物质。一是起着黏结作用，把涂料的各组分黏结成一个整体；二是对基材充分润湿、渗透，提供必要的附着力；三是要保证涂层在正常条件下具耐冲击、耐候等理化性能；四是在火焰和高温下起到成炭剂的作用，与阻燃体系以及其他助剂、填料相协同，形成具有阻燃、耐火功能的发泡层[4-5]。因此，水性膨胀型钢结构防火涂料用水性树脂应具有较强的黏结作用、抗电解质性能、与涂料阻燃体系的膨胀和碳化相匹配(使分解的温度相匹配)、对环境低影响(无毒或低毒)、具有良好的耐水、耐酸碱腐蚀、耐气候性等，这无疑对膨胀型防火涂料用水性成膜物质的理化性能提出了较高的要求。但是目前商品化的水性树脂(如：水性聚氨酯、水性丙烯酸、水性环氧树脂、苯丙乳液、醋酸乙烯-乙烯共聚乳液等)面临涂膜的综合性能差、乳胶膜的耐水性差、与防火涂料膨胀体系适配性差等的问题，从而影响水性膨胀型钢结构防火涂料的防火和理化性能[6]。

2 膨胀型钢结构防火涂料常用水性成膜物质优缺点

1)水性环氧树脂。

环氧树脂分子结构中具有环氧基、羟基和醚键等极性集团，同时，由于分子中含有稳定的苯环和醚键，分子结构较为紧密，对化学介质有较好的稳定性，因此，由水性环氧树脂作为水性成膜物质制备的膨胀型钢结构防火涂料具有与基材表面优异的黏结力好、耐腐蚀性能良好、成本较低等优点。但是，水性环氧树脂制备的膨胀型钢结构防火涂料也有耐候性不佳、耐水性差等不足。

2)水性丙烯酸树脂。

丙烯酸树脂的主链为碳碳链，具有较高的光、热和化学稳定性，因此，由水性环氧树脂作为水性成膜物质制备的膨胀型钢结构防火涂料具有良好的耐候性、耐污性、防腐防水性等优势，同时成本适中。但也具有涂膜热黏冷脆、抗回黏性差、耐水性不佳等劣势，这也限制了其在防火涂料领域的应用。

3)水性聚氨酯。

水性聚氨酯分子结构中具有硬链段和软链段组成的链段结构决定了其既坚硬又柔韧的独特性能,其两相结构使由水性聚氨酯制备的膨胀型钢结构防火涂料具有优异的低温成膜性、流平性、柔韧性,抗热回黏性等特点,但在稳定性、自增稠性、耐候性、价格高等方面存在不足。

4)醋叔乳液。

醋叔乳液分子结构中α-碳原子上有丰富的烷基，具有屏蔽作用，形成对自身及周围基团的保护，从而叔碳酸乙烯酯分子极性小，且对紫外线不敏感。由醋叔乳液作为水性成膜物质制备的膨胀型钢结构防火涂料具有优良的耐候性、耐碱性和耐水性。但也存在涂膜物理性能差等缺点。

因此，针对不同的水性膨胀型钢结构防火涂料配方体系，选择适当的水性树脂，或者使用两种或多种水性树脂混拼作为成膜物质，实现不同种类的水性树脂在一定程度的理化性能互补作用，综合不同树脂的优势性能，克服彼此的不足来提高膨胀型钢结构防火涂料涂膜和受热膨胀体的综合性能和耐火时间，同时降低成本，制备出具有较好使用价值的水性膨胀型钢结构防火涂料，已成为研制新一代水性膨胀型钢结构防火涂料的重要途径。

3 膨胀型钢结构防火涂料用水性成膜物质的研究进展

鉴于在防火涂料体系中水性成膜物质所面临的问题，从水性树脂的种类、流变特性、黏度、软化点温度、分子结构、软硬单体比例、乳液复配等方面对防火涂料膨胀层发泡效果、碳化层质量以及发烟量等方面影响的研究一直是水性膨胀型防火涂料领域的研究热点。

范方强等[7]以硅丙、纯丙、苯丙、醋叔聚合物乳液为防火涂料成膜物质，研究了不同成膜聚合物的热稳定性和高温流变性对防火涂料阻燃性能的影响。经模拟大板燃烧法和热重分析实验结果证明：醋叔乳液相较于其他几种树脂乳液，其乳胶膜热稳定性好，与聚磷酸铵的脱水炭化反应充分，生成致密的炭层。经动态流变性能测试结果证明：醋叔乳胶膜熔体在低频区表现出牛顿型流体特性，复合黏度为33 Pa·s，有利于气体吹起软化涂层，提高膨胀层倍率；有利于防火涂料中各组分均匀混合，充分反应，使得膨胀层气孔更均匀致密；有利于无极阻燃物向膨胀层表面迁移，形成无机防火表层，阻止热量向内传递，增强防火性能。

游潘丽等[8]研究了水性树脂的玻璃化温度对防火涂料阻燃性能的影响。实验通过研究玻璃转化温度相近的不同类型乳液；不同玻璃转化温度，同一类型乳液；不同玻璃转化温度，不同类型乳液结果证明，水性树脂玻璃转化温度对防火涂料的防火性能起到了关键作用。

师华等[9]分析认为树脂的软化点过低，或者高温下软化涂层的不合理流变会造成涂层软化速率、发气速率、脱水炭化速率不协调。当软化速率≫炭化速率，或软化速率合理而发气速率≫炭化速率，都会造成膨胀炭化层的垂流，严重影响防火涂料的耐火性能。

李婷婷等[10]以苯丙乳液、环氧乳液、硅丙乳液以及丙烯酸乳液为成膜物制备了几种膨胀型防火涂料，研究表明：单独使用以上成膜物质制备膨胀型防火涂料，其燃烧后不能形成理想的膨胀炭层，但是将硅丙乳液与环氧乳液按质量比1∶1进行复配，因二者相容性好，复配黏度适合涂层发泡所需程度，能形成较理想的炭层，膨胀型防火涂料的防火阻燃性显著提高。

李志士等[11]结合热分析数据和静态生烟数据，将膨胀型防火涂料的DTG曲线进行分峰拟合，推算分析了丙烯酸乳液对水性膨胀型防火涂料生烟性能的影响。分析得出：相同配方下，水性膨胀型防火涂料的生烟量(121 L/(s·g))远低于溶剂型体系。在防火涂料中丙烯酸乳液分解率为17.5%，占防火涂料的总分解质量的3.51%，已分解丙烯酸乳液的生烟量占防火涂料总生烟量的13.81%。

许乾慰等[12]使用纯丙乳液和苯丙乳液作为防火涂料的成膜物质配制水性膨胀防火涂料，研究了树脂乳液中单体种类和比例的变化对炭层结构、涂料防火性能的影响。研究发现：树脂乳液中软硬单体比例保持不变，硬单体由纯丙树脂的甲基丙烯酸甲酯变为苯丙树脂的苯乙烯后，涂料防火性能提高；使用苯丙乳液为成膜物质时，随着其硬单体含量的提高，树脂软化点温度提高，更接近膨胀阻燃体系的分解、发泡温度，炭层膨胀倍率更大，内部微泡孔更加均匀、致密，防火性能更好。

张爱黎等[13]以环氧改性丙烯酸乳液拼合苯丙乳液为成膜物质制备水性膨胀型钢结构防火涂料，研究表明当二者的质量比为2∶1，且乳液加入量为25%时，制备的水性膨胀型钢结构防火涂料耐火性能最高。

张凡等[14]将氯偏乳液与纯丙乳液(或苯丙乳液)混拼作为水性膨胀型钢结构防火涂料的成膜物质，研究结果显示当氯偏乳液与纯丙乳液的质量比为22∶3时，制备的防火涂料具有较高的膨胀倍率，同时膨胀体具有较好的致密度、强度和耐火性能。

熊家锦等[15]使用丙烯酸-苯乙烯乳液和醋叔乳液作为成膜物质制备了水性膨胀型防火涂料并对两个体系的防火性能和耐水性能进行了研究，并探讨了影响防火涂料关键性指标的因素和解决方法。结果表明，使用两种不同乳液作为成膜物质时，在配方各组分配比适当时，均可以得到防火性能、耐水性和贮存稳定性较好的防火涂料，这为更多种类水性树脂应用于防火涂料作为成膜物质提供了理论基础。

毛立信等[16]对使用几种不同玻璃化转变温度的醋叔乳液制备的防火涂料的耐火时间进行了研究，结果发现在防火涂料配方体系其他条件不变的情况下，水性成膜物质的玻璃化转变温度对防火涂料的耐火时间具有较大的影响，使用玻璃化转变温度较低的大分子量乳液制备的防火涂料遇火膨胀时具有更高的膨胀体强度和高温凝结性，因此具有更高的耐火时间。

山西省建筑科学研究院有限公司以自主研发的低活性端氨基聚醚为关键原料，合成了大分子量、低玻璃化转变温度、高性能的水性聚脲乳液，并分别以水性聚脲乳液、丙烯酸液、水性聚氨酯、醋叔乳液为成膜物质制备了水性膨胀型防火涂料，研究表明：水性聚脲乳液制备的防火涂料具有更长的耐火时间，因为其具有相对较大的膨胀倍率、较高的膨胀体强度和较好的膨胀体致密度。究其机理，可能是因为聚脲树脂乳液中的脲基在高温下分解可生成不燃性气体，起到了发泡剂的作用，并且其分解生成不燃气体为分子级，速率更匀速，可得到更多有效气体，宏观上使得膨胀体更致密且强度高，耐火时间更长。

4 结语

水性膨胀型钢结构防火涂料是随着绿色节能环保的政策和观念发展应运而生的朝阳涂料。为了得到高品质并且可以在理化性能、耐火时间等方面完全替代溶剂型防火涂料的水性防火涂料，科研工作者今年来做了大量有益的工作。随着对膨胀型防火涂料用水性成膜物质研究的不断深入，为选择适用于水性膨胀型钢结构防火涂料成膜物质提供了更为广阔的空间，为提高水性膨胀型钢结构防火涂料的理化性能、防火性能等方面起到积极的推动作用。