談鋼結(jié)構(gòu)超薄型防火涂料

李楠 李娜 黃佳昕

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100083)

建筑鋼結(jié)構(gòu)由于其強(qiáng)度高、自重輕、塑性和抗震效果好、施工周期短、建筑形式靈活多樣等優(yōu)勢，被廣泛用于高層和大跨空間結(jié)構(gòu)中。鋼材雖在常溫下具有優(yōu)異的物理和力學(xué)性能，但其導(dǎo)熱系數(shù)大，一旦遇到火災(zāi)(通常的建筑火災(zāi)中，10 min內(nèi)火場溫度便會達(dá)到700℃)，鋼材的屈服強(qiáng)度便會急劇下降至常溫的40%左右而失去承載力，從而導(dǎo)致建筑物的坍塌，給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重?fù)p失。因此，對于鋼結(jié)構(gòu)來說，防火顯得尤為重要。目前，涂覆防火涂料已經(jīng)成為鋼結(jié)構(gòu)防火的通用做法。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 14907－2002，鋼結(jié)構(gòu)建筑防火涂料可以分為厚型(7 mm＜涂層厚度≤45 mm)、薄型(3 mm＜涂層厚度≤7 mm)、超薄型(涂層厚度≤3 mm)三類[1]，超薄型由于其涂層薄、裝飾性更好，在市場中占有了很大的份額。本文將重點(diǎn)敘述超薄型防火涂料的應(yīng)用、研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。

1 超薄型防火涂料的研究現(xiàn)狀

超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的涂層厚度不大于3 mm，屬于膨脹型防火涂料，其特點(diǎn)是受熱時(shí)迅速膨脹發(fā)泡，形成導(dǎo)熱系數(shù)低、難燃、均勻而致密的海綿狀或蜂窩狀碳質(zhì)泡沫層，起到防火絕熱的作用，對鋼結(jié)構(gòu)有良好的隔熱防火效果。它的涂料粒度更細(xì)，涂層更薄，一般使用在要求耐火極限2 h以內(nèi)的建筑鋼結(jié)構(gòu)上，尤其適合用于裸露的鋼結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的膨脹型涂料主要采用以聚磷酸銨為催化劑、季戊四醇為成炭劑、三聚氰胺為發(fā)泡劑為主要成分的阻燃膨脹體系，針對不同的實(shí)際情況還可添加助劑、顏料等輔助成分以適應(yīng)不同的使用需求。目前國外已投入生產(chǎn)應(yīng)用的代表性產(chǎn)品如英國的 Nullitifer鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，涂層厚度為2.24 mm時(shí)，耐火極限為106 min[2];德國的佑民生和柏茲鋼結(jié)構(gòu)防火涂料38091(B型)，涂層厚度為0.68 mm和2.42 mm時(shí)，耐火極限分別為51 min和124 min;38320型，涂層厚度為2.63 mm時(shí)，耐火極限為 63 min[1，2];加拿大 A/D 防火有限責(zé)任公司的 A/DFirefilm防火涂料，涂層厚度為 2.58 mm時(shí)，耐火極限 120 min[3];國內(nèi)代表性產(chǎn)品有公安部四川消防科研所研制的SCB(溶劑型)、SCA(水性)、LF(溶劑型)和L6(溶劑型)超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，涂層厚度分別為2.69 mm，1.6 mm，2 mm 和3 mm時(shí)，耐火極限分別為 147 min，63 min，94 min 和 90 min[2];江蘇蘭陵公司的SF(溶劑型)超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，涂層厚度為2.07 mm時(shí)，耐火極限為150 min[2];由廈門大學(xué)的戴李宗等人研制的超薄型防火涂料，涂層厚度為0.47 mm和2.02 mm時(shí)，耐火極限分別為 60 min 和137 min[1]。

國內(nèi)外投入生產(chǎn)和使用的超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料產(chǎn)品目前普遍存在的問題是耐火極限比厚型涂料低，發(fā)泡持續(xù)時(shí)間相對較短，炭層厚度不夠，耐久性、穩(wěn)定性差，涂層易老化，一般壽命在5年～10年，有時(shí)甚至2年～3年就失去了膨脹性能，尤其長期處于潮濕部位時(shí)，常會因其部分組分的吸潮、吸濕性而大大影響其膨脹性能，給結(jié)構(gòu)安全帶來嚴(yán)重威脅。且通常其主要成分為有機(jī)材料，在施工中氣味較大，遇火時(shí)可能會釋放出有毒氣體和煙霧，對人員逃生帶來不利影響。

目前關(guān)于超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究，主要集中在以下幾個(gè)方面:

1)采用納米無機(jī)填料改善涂料性能。

納米粒子由于其粒度小、分散性大，且具有量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子效應(yīng)等特殊性質(zhì)，將其用于傳統(tǒng)防火涂料的改進(jìn)，不僅可提高涂層的防火耐火性能，對其耐水、耐酸堿性、填料沉降性、消煙性及機(jī)械性能的改進(jìn)也有很大幫助，有時(shí)還能節(jié)省阻燃劑的用量。使用較多的納米材料有納米 SiO2，TiO2，ZnO，Mg(OH)2，納米復(fù)合鐵鈦粉等。2005年，咸才軍等人在鋼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合防火涂料中添加了TiO2，使得燒后的炭層與基體結(jié)合較好、不易脫落，有效地延長了耐火時(shí)間[4]。付若愚等人將納米SiO2應(yīng)用在水性超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中，采用加入分散劑、消泡劑等助劑，一邊攪拌一邊加入固體組分和納米SiO2，高速分散30 min后，加入乳液、纖維素和增稠劑，低速分散30 min出料的方式制得涂料，并分別研究了不同的納米SiO2含量對涂料防火和抗老化性能的影響。結(jié)果表明，適量的納米SiO2將有效提高鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火極限。同時(shí)，納米SiO2的存在可以屏蔽大部分紫外光，延緩?fù)苛系睦匣M(jìn)程，保持防火性能的穩(wěn)定[5，8]。王震宇等人研究得到適量納米Mg(OH)2在高溫下的熱分解產(chǎn)物納米氧化鎂分散于燃燒后的碳質(zhì)層之間，有助于形成連續(xù)的、抗氧化的無機(jī)物保護(hù)層，可顯著提高涂料的抗高溫氧化性能，保護(hù)炭層下的基材免受破壞，使其成為良好的絕緣體[6]。2006年，咸才軍等人分別研究了納米 TiO2、納米SiO2、納米ZnO、納米CaCO3、納米Al(OH)3對鋼結(jié)構(gòu)防火涂料性能的影響。結(jié)果表明，在水性超薄型防火涂料中加入適量的納米TiO2可顯著提高涂料燃燒后炭質(zhì)層的強(qiáng)度。而納米CaCO3、納米Al(OH)3受熱易分解，膨脹后蓬松易脫落，耐火極限下降，不利于鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)[7，8]。2011年，劉成樓等人通過將納米TiO2、納米復(fù)合鐵鈦粉添入超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料成分中，發(fā)現(xiàn)適量的納米TiO2、納米復(fù)合鐵鈦粉有助于涂料各項(xiàng)性能的改善[9]。

2)研究基體樹脂對鋼結(jié)構(gòu)建筑防火涂料性能的影響。

近年來，以聚磷酸銨—季戊四醇—三聚氰胺為膨脹阻燃體系，分析不同基體樹脂對膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的影響的研究日益增多。其中，主要使用的樹脂種類涉及了苯丙乳液、純丙乳液、硅丙乳液、環(huán)氧和硅丙的混合乳液、丙烯酸本體雜化乳液、聚有機(jī)硅氧烷乳液與自交聯(lián)純丙乳液的混合乳液、有機(jī)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、丙烯酸樹脂、氯化橡膠、氨基樹脂、脲醛樹脂、醇酸樹脂、溴碳酚醛樹脂等，研究表明，有時(shí)可通過改性、混拼等方式改善基料樹脂在涂料阻燃體系中的性能，提高其防火性能及耐久性。如通用樹脂氨基樹脂單獨(dú)作為基料樹脂時(shí)，耐候性差、抗老化效果不理想，但如經(jīng)過改性，與改性丙烯酸樹脂、氯化橡膠混拼，則可得到適合于超薄型膨脹防火涂料的基料樹脂[1]。

3)防火機(jī)理及燃燒過程模擬研究。

羅偉昂等人研究了膨脹型防火涂料的如下反應(yīng)機(jī)理:a.在催化劑作用下形成具有“C－N－P”結(jié)構(gòu)的炭層;b.多羥基成炭劑在酸催化下脫水分解成炭;c.發(fā)泡劑熱分解釋放出不燃?xì)怏w，基料樹脂受熱熔融，在發(fā)泡劑作用下膨脹發(fā)泡，進(jìn)一步形成炭化層。同時(shí)還指出炭化層的形成要經(jīng)歷形成氣泡核、氣泡核的生長及泡體的定型3個(gè)階段[1]。Griffin等綜述了通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行聚合物基膨脹阻燃涂料的熱阻性預(yù)測的研究，通過膨脹涂層暴露在輻射熱源下溫度的變化曲線建立數(shù)學(xué)模型的方法，對開發(fā)新型膨脹型防火涂料有重要意義[1，10]。Jimenez等以含硼酸和APP阻燃劑的熱固性環(huán)氧—氨基樹脂體系為研究對象，探討了不同加熱速率下涂層的熱解并建立了熱解動力學(xué)模型[1，11]。王國建等人研究了可膨脹石磨在膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中受熱膨脹的機(jī)理，指出石磨受熱膨脹形成“蠕蟲”狀炭體，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，可起到長期穩(wěn)定隔熱目的[12]。Sakumoto等研究了膨脹型超薄防火涂料的穩(wěn)定性和耐久性，發(fā)現(xiàn)潮濕是影響耐久性的根本因素，提出了一種在高溫高濕氣環(huán)境下膨脹涂料的耐久性評估方法[1，13]。

4)防火涂料生產(chǎn)、施工工藝的研究。

在研究和開發(fā)膨脹型防火涂料時(shí)，關(guān)于涂料生產(chǎn)工藝，如加料順序、攪拌方式、組分粒度級配等，以及施工工藝，如噴涂方式等，也會對涂料的持久性和可靠性起到重要影響。不同性能的涂料，要嚴(yán)格根據(jù)其自身特質(zhì)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，才能保證其發(fā)揮出應(yīng)有的效果。

2 超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的發(fā)展趨勢

隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用的日益廣泛，對超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的要求愈加嚴(yán)格，不僅要在耐火性能、裝飾性能等方面有所改進(jìn)，還要達(dá)到無毒、低污染、綠色環(huán)保，不能對人員及環(huán)境帶來不利影響。未來的鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的進(jìn)步可以體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)對阻燃機(jī)理進(jìn)行更深入研究，以進(jìn)一步提高防火效果。2)對涂料組分進(jìn)行研究，如利用納米材料、微膠囊材料、膨脹性石磨等材料，尋找更好的原料組分，達(dá)到節(jié)約能源、低排放、高性能、綠色環(huán)保的效果?？傊?，隨著對鋼結(jié)構(gòu)超薄型防火涂料的進(jìn)一步深入研究，一定會有更優(yōu)越的技術(shù)來提高防火涂料的綜合性能，超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料將會有更為廣闊的應(yīng)用前景。

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