鋼結(jié)構(gòu)超薄型防火涂料研究進(jìn)展

高 虹，趙春英，張發(fā)余

(沈陽理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽 110159)

鋼結(jié)構(gòu)超薄型防火涂料研究進(jìn)展

高 虹，趙春英，張發(fā)余

(沈陽理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽 110159)

由于鋼結(jié)構(gòu)本身所具有的無可比擬的優(yōu)點，使得國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)建筑大量涌現(xiàn)，從而帶動了附屬的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的快速發(fā)展。介紹了國內(nèi)外超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究現(xiàn)狀，并且展望了超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的未來發(fā)展方向和前景。

防火涂料;鋼結(jié)構(gòu);現(xiàn)狀和發(fā)展方向

引 言

目前建筑物的高層化和大跨度的設(shè)計需要使得鋼結(jié)構(gòu)建筑大量出現(xiàn)，鋼材雖在常溫下具有優(yōu)異的物理和力學(xué)性能，但其耐火性能遠(yuǎn)比磚石結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)差。當(dāng)鋼材達(dá)到臨界溫度(540℃)后，便失去承載能力。而通常在建筑火災(zāi)中，10min之內(nèi)火場的θ即可達(dá)到700℃以上。在這樣的火場下，只要幾分鐘裸露鋼材的溫度就會達(dá)到臨界值，其承載能力急劇下降，從而導(dǎo)致建筑物坍塌，因此對于鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火保護(hù)顯得越來越重要?！?·11事件”后，美國的建筑專家對現(xiàn)場照片資料分析發(fā)現(xiàn)，世貿(mào)大廈內(nèi)主要支撐鋼梁上涂覆的防火材料己多處剝落，進(jìn)而認(rèn)為防火材料的剝落是造成大廈倒塌的主要原因之一。為了滿足我國石油化工、油氣罐支架及礦山鉆井等露天鋼結(jié)構(gòu)及一批國家重點工程建筑需要，近年來國內(nèi)已引進(jìn)了部分國外高質(zhì)量的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料產(chǎn)品，但價格比國內(nèi)的同類產(chǎn)品高出5倍左右，限制其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。因此，研究開發(fā)高性能超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料并廣泛應(yīng)用顯得越來越迫切。

1 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的阻火原理和分類

建筑鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的基本原理是采用隔熱阻火材料防止燃燒火焰直接灼燒鋼結(jié)構(gòu)，降低向底材傳遞熱量的速度，延滯鋼結(jié)構(gòu)溫升和強(qiáng)度變?nèi)醯臅r間，提高其耐火性能。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料標(biāo)準(zhǔn)(GB14907-2002)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是指施涂于建筑物及構(gòu)筑物鋼結(jié)構(gòu)表面，能形成耐火隔熱保護(hù)層，以提高鋼結(jié)構(gòu)耐火極限的防火涂料。國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料主要由基體樹脂、催化劑、成碳劑及發(fā)泡劑等組成。防火涂料的主要作用原理為:1)有足夠厚的防火涂層對底材起到屏蔽作用，使鋼結(jié)構(gòu)不直接暴露在大火之中;2)防火涂層吸熱分解放出水蒸氣或二氧化碳等不燃性氣體，起到消耗熱能、降低火焰溫度、稀釋可燃?xì)夂脱鯕夂浚罱K降低燃燒速度的作用;3)防火涂層本身是多孔輕質(zhì)材料，或涂層受熱膨脹形成炭化泡沫絕熱層，其熱導(dǎo)率僅在0.2W/(m·K)以內(nèi)，比鋼材熱導(dǎo)率52W/(m·K)和混凝土熱導(dǎo)率1.7W/(m·K)低許多，從而有效地阻止熱量的傳遞，延長底材受熱破壞所需時間，達(dá)到提高其耐火極限的目的。

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料按使用厚度可以分為厚涂型、薄涂型和超薄型［1］。厚涂型防火涂料又稱為非膨脹型防火涂料，主要成分為無機(jī)絕熱材料，遇火不發(fā)生膨脹。厚涂型防火涂料的涂層δ為25mm左右，對應(yīng)耐火極限為2h以上。厚涂型防火涂料的防火機(jī)理是利用涂層固有的良好絕熱性，以及高溫下部分成分蒸發(fā)分解產(chǎn)生的吸熱作用，阻止并消耗火災(zāi)熱量向鋼材傳遞，并且在高溫下形成一種釉狀物，這種釉狀物結(jié)構(gòu)致密，能夠有效地隔絕氧氣并具有反射熱量作用。薄涂型防火涂料又稱膨脹型防火涂料，涂層δ為2～7mm。薄涂型防火涂料的基料為有機(jī)樹脂、發(fā)泡劑和碳化劑等。當(dāng)涂層受熱達(dá)到一定溫度時，即可膨脹10～100倍形成海綿碳化層，阻止熱量向鋼材傳導(dǎo)。涂層δ達(dá)到7mm的薄涂型防火涂料的耐火極限可以達(dá)到1.5h。薄涂型防火涂料的特點是涂層薄、質(zhì)量輕和抗震性好，具有較好的裝飾性。超薄型防火涂料是近年來研究的熱點，其使用量已占到全部防火涂料的90%，在15 000t以上［1］。該涂料一般由天然或合成高分子、發(fā)泡劑、助發(fā)泡劑、炭源及顏填料等組分構(gòu)成，利用各組分間的協(xié)同關(guān)系形成完整、致密堅硬的膨脹泡沫層［2-5］。超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的涂層δ不超過3mm，一般使用耐火極限在2h以內(nèi)的建筑鋼結(jié)構(gòu)上。

2 超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)研制鋼結(jié)構(gòu)防火涂料始于20世紀(jì)80年代初，20世紀(jì)90年代以后我國的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料隨著迅速發(fā)展起來的露天鋼結(jié)構(gòu)建筑物和構(gòu)筑物而得到快速發(fā)展，國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的市場需求每年達(dá)到2萬t以上。目前已經(jīng)開發(fā)成功并被廣泛應(yīng)用的有LG、LB室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，滿足了工業(yè)和民用建筑物室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)要求，由四川消防研究所成功研制的SCB超薄型室外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火可達(dá)1.5h，防火性能達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平并得到廣泛推廣。國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料生產(chǎn)廠家主要集中在北京、上海、江蘇、山東、遼寧、四川、廣東、福建和安徽等省市。目前，國內(nèi)超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究及生產(chǎn)單位主要有四川消防研究所、北京航空材料研究所、上海昆山防火材料廠和福建福日特種材料有限公司等。與國外發(fā)達(dá)國家同類技術(shù)相比，我國的防火涂料性能還存在一定的差距［6-8］，而且所研發(fā)的防火涂料均為室內(nèi)型，室外防火涂料研究成果不多，不能滿足日益增長的工業(yè)和民用建設(shè)的需求。國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料代表性產(chǎn)品的防火性能與國外產(chǎn)品差距不大，但是國產(chǎn)的超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在標(biāo)準(zhǔn)鋼梁耐火試驗中，其耐火極限達(dá)到2h以上者較少，而且試驗結(jié)果的重復(fù)性差，在炭化層的完整性、均勻性和強(qiáng)度等方面還存在明顯差別，在特殊部位的防火保護(hù)方面也未見相關(guān)報道。目前國內(nèi)的產(chǎn)品開發(fā)將更多的注意力放在耐火試驗結(jié)果上，深層次的研究工作進(jìn)展緩慢。因此，研制耐候性優(yōu)良、裝飾性好的室外超薄鋼結(jié)構(gòu)防火涂料已成當(dāng)務(wù)之急。

國外的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究早于我國20年，20世紀(jì)90年代中期德國市場首先出現(xiàn)了超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。目前在國外超薄型防火涂料已經(jīng)得到廣泛的推廣與應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)薄涂型防火涂料的研究大多數(shù)以P-C-N為阻燃體系，采用熱固性樹脂與熱塑性樹脂相結(jié)合作為基料，加入增塑劑、分散劑等按一定比例配制［9-12］。國外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的生產(chǎn)廠家主要分布在英國、美國、德國、加拿大和日本等國家，代表性的產(chǎn)品有英國P20、美國50號、加拿大 A/Dfirefilm、德國 Herberts38320，38091系列和日本FR系列室內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料等［13］。國外研究者還研制一種油基新型不燃涂料，該涂料發(fā)泡時沒有毒氣及煙塵產(chǎn)生，具有較好的粘結(jié)性能，耐酸、堿及海水腐蝕［14］。

國內(nèi)外現(xiàn)有超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料產(chǎn)品普遍存在的問題是耐火極限較厚型涂料低，主要組分為有機(jī)材料，因此耐老化、耐久性較差，遇火時可能會釋放出毒性氣體及煙霧，可用于室外的產(chǎn)品種類不多，影響其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

3 超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的發(fā)展趨勢

1)開發(fā)新型高效的膨脹體系。與傳統(tǒng)的化學(xué)膨脹型防火涂料相比，可膨脹石墨防火涂料在熱降解、阻燃性、耐老化性及耐候性等方面具有突出優(yōu)點，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ沫h(huán)境友好的膨脹型防火涂料。此外，在可膨脹石墨防火涂料中添加聚磷酸銨和聚氨酯可產(chǎn)生協(xié)同阻燃效果［15］。如果能將傳統(tǒng)的P-N-C體系與可膨脹石墨有機(jī)地結(jié)合起來，有望提高涂層的綜合性能。

2)改進(jìn)傳統(tǒng)的化學(xué)膨脹體系。傳統(tǒng)的化學(xué)膨脹體系由催化劑、成炭劑和發(fā)泡劑組成。催化劑一般是中、低聚合度的聚磷酸銨，成炭劑多為季戊四醇，發(fā)泡劑則為三聚氰胺，它們均有一定的吸濕性。其中聚丙烯(APP)的聚合度在200～400時，涂料的耐水性仍較差，保存一段時間后，分散的涂料組分易發(fā)生相分離和沉淀，導(dǎo)致穩(wěn)定性下降［16］。APP聚合度的提高有利于涂層性能的改善。此外，一些新的原料可作為酸源和氣源應(yīng)用，例如磷酸三聚氰胺、焦磷酸三聚氰胺、微膠囊化聚磷酸銨和聚偏磷酸銨，它們不但耐水性較好，有利于提高涂層的耐候性，而且對提高涂層的阻火性有益。

3)開發(fā)新型自膨脹樹脂。如果防火涂料用樹脂本身具有遇火膨脹性，能形成具有良好隔熱性能的泡沫層，則可不需或減少專門的膨脹防火組分，有利于提高涂層的綜合性能。雖然尚未見到相關(guān)報道，但可從無機(jī)硅酸鹽膨脹型防火涂料的研究中得到啟示，探討防火涂料專用新型含硅樹脂研制的可行性。

4)開發(fā)防火涂料用多功能樹脂。根據(jù)膨脹型防火涂料作用機(jī)理，如果能開發(fā)出除具備涂料用樹脂的基本性能外，同時具有提高涂層隔熱阻火性能的其它功能的多功能樹脂，如除作為基料外，可同時作為成炭劑、發(fā)泡劑、催化劑、阻燃劑、炭層增強(qiáng)劑以及炭化層附著力增強(qiáng)劑等，將有利于提高涂層的綜合性能［17-19］。例如，聚氨酯分散在基料中作為碳源，同時可改善涂層的耐候性。而高性能高氯化聚乙烯作為鋼結(jié)構(gòu)防火涂料用樹脂，同時具有粘合劑、阻燃劑和防腐劑的功能。

5)加強(qiáng)膨脹型防火涂料基本理論的研究。現(xiàn)代涂料不僅起到材料的裝飾和保護(hù)作用，而且賦予材料某種特殊性能。如鋼結(jié)構(gòu)防火涂料就能賦予鋼材良好的耐火性能，屬于真正的高技術(shù)材料。長期以來國內(nèi)對涂料的研究開發(fā)主要停留在工藝性層面，基礎(chǔ)理論研究偏少，嚴(yán)重影響了涂料技術(shù)的進(jìn)步。膨脹型防火涂料不僅組成復(fù)雜，而且性能特征包括發(fā)生火災(zāi)前和火災(zāi)后兩個技術(shù)層面，較普通涂料更為復(fù)雜。影響膨脹型防火涂料防火性能的主要理化因素有:炭質(zhì)層厚度、結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱系數(shù)、化學(xué)組成及其在火焰沖擊作用下的穩(wěn)定性即炭質(zhì)層強(qiáng)度等，只有從多方面開展研究工作，才可能得到綜合耐火性能好的涂料。

6)采用納米技術(shù)和填料表面處理技術(shù)。采用納米技術(shù)生產(chǎn)防火填料或超細(xì)阻燃劑，由于其粒徑小、分散性能好，能夠顯著地提高涂料的阻燃消煙效果，并節(jié)省阻燃劑用量，改善涂層的物理機(jī)械性能。使用表面處理技術(shù)對填料進(jìn)行表面處理可有效地改善填料沉降性和阻燃消煙性。如將用偶聯(lián)劑處理的水合氧化鋁作為填料加入到防火涂料中，可以有效地改善填料的物理性能，提高涂料的穩(wěn)定性，減少填料的用量。

7)加強(qiáng)防火涂料生產(chǎn)工藝、設(shè)備和施工應(yīng)用性能研究。在研究開發(fā)防火涂料時，既要重視防火性能、理化性能和使用性能的研究，還要探討改進(jìn)生產(chǎn)工藝技術(shù)水平，如加料順序、攪拌時間和強(qiáng)度、顆粒細(xì)度和分布范圍等對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，必要時還要開發(fā)專門性的設(shè)備，以提高產(chǎn)品質(zhì)量的可靠度，保證生產(chǎn)工藝技術(shù)安全高效。防火涂料的施工應(yīng)用性研究包括防火涂料對目標(biāo)底材的粘結(jié)性能、腐蝕性、防銹漆的選擇和配套性研究以及使用環(huán)境對涂層使用壽命的影響等。通過科學(xué)的分析評價，為用戶提供可靠的應(yīng)用技術(shù)依據(jù)，必要時可對產(chǎn)品性能進(jìn)行針對性的調(diào)控。

總之，只有從超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的組成特點、作用機(jī)理和性能要求出發(fā)，充分利用現(xiàn)代涂料科學(xué)相關(guān)學(xué)科的新成就，通過針對性理論研究，科學(xué)設(shè)計料配方，合理選擇生產(chǎn)工藝條件和設(shè)備，加強(qiáng)對涂料的應(yīng)用性研究，才可能研制出綜合性能優(yōu)良、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的新型超薄型鋼結(jié)構(gòu)膨脹防火涂料，更好地滿足社會對超薄型防火涂料的需求。

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Research Progress of Super Thin Fire Retardant paints for Steel Structure

GAO Hong，ZHAO Chun-ying，ZHANG Fa-yu
(SchoolofEnvironmentand ChemicalEngineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

The steel structures have developed quickly because of their superior advantage.Fire retardant paints attached to the steel structure are also spread widely.The current research situation of fire proofing coatings for steel structure was reviewed，and the development trend and prospect of ultra thin fire proofing coatings for steel structure were put forward.

fire proofing coating;steel structure;current situation and development direction

TQ639

A

1001-3849(2011)08-0034-04

2010-12-14

2011-01-25