建筑結(jié)構(gòu)防火涂料研究

陳娜，臧家偉，陳景陽(yáng)，潘崇根，何靜姿，虞曉磊

（1.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢430000；2.浙大寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100；3.浙江亞廈裝飾股份有限公司，浙江 杭州 310008）

0 引言

在城市人口不斷增長(zhǎng)和商品住宅高層化趨勢(shì)下，火災(zāi)隱患與破壞性不斷增長(zhǎng)，成為建筑工程重要災(zāi)害之一?；馂?zāi)除了對(duì)人體的直接傷害外，還會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的快速劣化，由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)破壞甚至有可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的次生災(zāi)害。火災(zāi)的產(chǎn)生與建筑空間設(shè)計(jì)、日常消防管理等因素有關(guān)，建筑材料的防火、阻燃效果也對(duì)其有重要影響。

1 防火涂料的防火原理

燃燒反應(yīng)的進(jìn)行必須滿(mǎn)足可燃物、氧氣和熱源這三個(gè)條件同時(shí)成立并且三者之間相互接觸[1]。因此，如果要中斷燃燒，就需要阻斷任意兩者之間的接觸。在實(shí)際應(yīng)用中，隔絕可燃物與氧氣的接觸是最直接且簡(jiǎn)便的方法，防火涂料就是利用這一原理而設(shè)計(jì)的，其阻燃原理總結(jié)如下：

（1）涂料本身不易燃，隔絕基材和助燃劑，延緩物體燃燒或因高溫性能劣化的速度。

（2）涂料的導(dǎo)熱系數(shù)較低，可以減緩熱量從熱源向基材的傳遞。

（3）涂料在高溫下分解出惰性氣體，稀釋助燃劑濃度。

（4）添加了防火阻燃化學(xué)元素的各種防火阻燃涂料，受熱后固體可迅速分解生成氮、氧、氨等基團(tuán)，與有機(jī)基和游離基循環(huán)化合，使一系列的連鎖反應(yīng)中斷。

（5）涂料通過(guò)一系列物理化學(xué)變化在基材表面生成保護(hù)層，隔絕氧氣以及減緩熱量傳遞。

2 防火涂料的分類(lèi)

防火涂料可根據(jù)其防火原理、分散介質(zhì)、基料種類(lèi)、保護(hù)基材等多種角度進(jìn)行分類(lèi)，見(jiàn)圖1。

圖1 防火涂料的分類(lèi)

2.1 非膨脹型防火涂料

非膨脹型防火涂料由不燃性基料、無(wú)機(jī)填料和阻燃劑組成，其中無(wú)機(jī)鹽體系[2]占主流。這種涂料的體積在一定程度上不會(huì)使基料產(chǎn)生明顯膨脹，基料在高溫條件下會(huì)隨之發(fā)生一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，吸收大量的熱，分解產(chǎn)生的難燃型氣體能夠稀釋助燃?xì)怏w，同時(shí)未分解的材料熔融后會(huì)在基材的表面形成無(wú)機(jī)釉狀保護(hù)層，減緩熱量、氧氣和燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的煙塵從底層向大氣傳遞的速率，并且因?yàn)榘l(fā)生的化學(xué)反應(yīng)較少，避免了大量的煙塵產(chǎn)生。非膨脹型涂料厚度約為25 mm，根據(jù)厚度分類(lèi)屬于厚型防火涂料。厚型防火涂料的應(yīng)用十分廣泛，其中包括水泥基厚型防火涂料，因其價(jià)格成本低廉而廣受歡迎。

非膨脹型涂料的耐火極限高、熱導(dǎo)率低，因此在防火要求較高的場(chǎng)所具有較大優(yōu)勢(shì)和使用價(jià)值。但其涂層厚度較大，一般在25 mm左右，故涂層重量對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)相對(duì)較大，易導(dǎo)致脫落等病害，對(duì)涂料與基材之間的粘結(jié)能力也提出了更高的要求，此外，定期維護(hù)也增加了施工成本，亟需降低涂層厚度，減輕自重。

2.2 膨脹型防火涂料

膨脹型防火涂料的主要結(jié)構(gòu)成分有四種:成膜物、酸源、碳源、發(fā)泡劑和填充材料。常見(jiàn)的阻燃結(jié)構(gòu)體系是由聚磷酸銨、三聚氰胺和季戊四醇共同組成的P-N-C的阻燃結(jié)構(gòu)體系。膨脹型防火涂料在高溫作用下，酸源受熱分解成酸，酸性使得碳源經(jīng)過(guò)脫水后炭化，發(fā)生一定程度上的酯化反應(yīng)，形成殘?zhí)课?。殘?zhí)渴菢?gòu)成氣體泡沫層的重要組成部分，發(fā)泡劑經(jīng)過(guò)分解后產(chǎn)生不可燃性氣體。氣體骨架一起上升，形成均勻致密的多孔氣體泡沫結(jié)構(gòu)[3-4]，比膜層厚幾十倍。碳化過(guò)程中會(huì)吸收大量熱量，發(fā)泡劑分解后會(huì)產(chǎn)生不可燃性的氣體，泡沫層會(huì)隔絕氧氣和熱量，這些特點(diǎn)都有利于延緩火災(zāi)蔓延。

膨脹炭層的形成對(duì)燃燒反應(yīng)的阻礙分為以下幾步：首先，膨脹炭層本身難燃，炭層在基材表面形成了一道隔熱層，有效延緩了燃燒及熱量在結(jié)構(gòu)層的傳遞；其次，膨脹炭層既阻擋了內(nèi)部燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的煙塵向外部擴(kuò)散，又隔絕了外界空氣與基材的接觸，從而使燃燒反應(yīng)缺少氧氣而中斷；最后，碳源在成炭反應(yīng)過(guò)程中生成少量水，水分蒸發(fā)吸收熱量，也能夠在一定程度上阻礙燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。

膨脹型防火涂料的基層厚度小于3 mm，屬于超薄型防火涂料，具有流平性好、表干快、施工簡(jiǎn)單、單位面積質(zhì)量小、裝飾性好等優(yōu)點(diǎn)，但普通溶劑型樹(shù)脂基材易揮發(fā)，造成環(huán)境污染。而且這種膨脹型防火涂料主要依賴(lài)于其生產(chǎn)配方中涂料所含的有機(jī)元素組成及其成分發(fā)生的一系列物理化學(xué)變化，任何一個(gè)環(huán)節(jié)被阻斷或是妨礙都會(huì)直接影響最終的防火涂料性能，所以膨脹型防火涂料必須具有優(yōu)異的抗沖擊性能和抗裂性能，才能夠保證其防火阻燃性能的穩(wěn)定發(fā)揮。而目前P-N-C體系膨脹型防火涂料耐高溫性、耐老化性及耐水性都不理想，容易在外界環(huán)境因素作用下發(fā)生性能劣化甚至失效，這對(duì)于防火涂料來(lái)說(shuō)是致命的?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的水性苯丙、純甲基乙烯涂料雖然其附著性強(qiáng)、耐寒性和防腐蝕保光性較好，但仍然具有耐熱差、難以產(chǎn)生膠結(jié)、低溫時(shí)易脆化、透氣差等許多不足之處。

3 膨脹型防火涂料的組成

3.1 成膜物

成膜物是涂料的基本組分。成膜材料常用易分解的高分子材料，通過(guò)其粘結(jié)性整合各組分，使各組分之間能夠協(xié)同作用。成膜物質(zhì)需要具有較好的粘結(jié)作用、抗電解質(zhì)性能、環(huán)保性、耐水性、耐酸堿腐蝕及與涂料阻燃體系的膨脹和碳化相匹配等性能。主要分類(lèi)如下：

（1）水性高分子樹(shù)脂乳液。這類(lèi)成膜樹(shù)脂常用于水性涂料，因其具有較好的拼合性能、相容性與親水性，且施工方便、綠色無(wú)毒，是未來(lái)發(fā)展方向。

（2）溶劑型涂層的成膜樹(shù)脂主要分為三類(lèi)。第一類(lèi)是含氮類(lèi)的樹(shù)脂，這種成膜樹(shù)脂因其本身具有良好的耐化學(xué)、抗水和耐腐蝕等性能而被廣泛采用。第二類(lèi)是含大量鹵素的樹(shù)脂，但是這類(lèi)成膜物質(zhì)含有鹵素元素，在高溫下分解產(chǎn)生的氫鹵酸有毒性，可能會(huì)污染周邊環(huán)境。第三類(lèi)主要有酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、醇酸樹(shù)脂等，這類(lèi)成膜物來(lái)源充足，價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛。除此之外，這類(lèi)成膜物易于在高溫下生成致密均勻的海綿狀或蜂窩炭層，具備較好的阻燃功能。

（3）除了使用上述單一基體樹(shù)脂以外，也可以混用兩種以上的基體樹(shù)脂，在一定配比下提高其阻燃性能。

3.2 防火助劑

（1）脫水成碳催化劑

脫水成碳催化劑能夠在碳源的分解溫度以下分解生成磷酸，磷酸使碳源脫水，形成不可燃的三維碳層，還能與發(fā)泡劑產(chǎn)生的惰性氣體協(xié)同組成泡沫層，同時(shí)脫水成碳催化劑本身也具有一定的阻燃效果。

（2）成碳劑

成碳劑的作用是提供碳來(lái)構(gòu)成支撐骨架。成碳劑中的碳含量和羥值數(shù)目直接決定了成碳的效果，而且碳含量對(duì)成碳反應(yīng)的速率有影響，而羥值則會(huì)影響成碳劑的脫水速率及發(fā)泡的效果。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用聚磷酸銨脫水催化劑搭配季戊四醇等多元醇炭化劑。

（3）發(fā)泡劑

發(fā)泡劑在空氣中產(chǎn)生的不可燃性氣體，使涂層表面變成了海綿炭層，海綿炭層具有隔絕熱量和氣體的作用。發(fā)泡劑的分解溫度十分重要，如果發(fā)泡劑的分解溫度遠(yuǎn)超過(guò)脫水催化劑的分解溫度，氣體可能會(huì)在碳骨架形成前迅速溢出，涂層因此無(wú)法進(jìn)行膨脹或者發(fā)泡。

（4）填料和顏料

顏填料是防火涂料重要組成部分，除了讓防火涂料顯色外，還能夠增強(qiáng)涂料在防火、耐腐蝕、耐候性、抗氧化性等方面的性能。在防火涂料中添加少量顏填料能夠在燃燒后期使涂料膨脹量進(jìn)一步增加，使泡沫炭化層更加致密，從而提高涂層的防火性能。但過(guò)高的添加量會(huì)降低涂層的發(fā)泡效果、減弱成膜物質(zhì)的粘合作用。常見(jiàn)的填料主要有氫氧化鋁、氫氧化鎂、二氧化硅、空氣玻璃珠等。常用涂料有海泡石、膨脹鋯石、石棉、硅藻土等。常用的著色顏料有氧化鋅、鐵紅、鐵黃等。除了改善涂料的某些性能外，顏填料還需具有良好的覆蓋性、耐光性和耐高溫性。

4 防火涂料抑煙劑

一般來(lái)說(shuō)，減少材料生煙量的有效途徑有兩種：一是添加先進(jìn)抑煙劑，通過(guò)控制燃燒過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)來(lái)降低材料的生煙量；二是采用自身不易生煙的材料。除了傳統(tǒng)抑煙劑外，多種新型的高性能抑煙劑也逐步得到研究與應(yīng)用。

鉬系化合物已在防火涂料中得到廣泛應(yīng)用，主要包括氧化鉬、鉬酸鈣、鉬酸銨。鉬化合物在應(yīng)用中通常與其他抑煙劑復(fù)配，如硼酸鋅和三氧化二銻，以發(fā)揮更好的協(xié)同作用。鉬化合物主要是在一定程度上促進(jìn)分子間的交聯(lián)和多孔碳層的快速形成，減少可燃物質(zhì)的生成，從而達(dá)到抑煙目的。相關(guān)研究表明，氧化鉬的抑煙效果在燃燒過(guò)程中不受材料內(nèi)部氧化介質(zhì)的影響，大部分鉬會(huì)殘留在蜂窩炭層中。鉬化合物的具體抑煙機(jī)理有待進(jìn)一步研究。二茂鐵作為最新的抑煙劑，具有優(yōu)異的抑煙性能。二茂鐵不僅能在氣相中抑煙，在固相中也能抑煙，其效果主要取決于涂料中是否含有鹵素元素。二茂鐵可以將聚合物中的分解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為一氧化碳，從而抑制煙霧的產(chǎn)生。

硼酸鋅是一種應(yīng)用較為普遍的抑煙劑，在涂料、塑料和電纜等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。硼酸鋅的抑煙作用主要通過(guò)以下三個(gè)方面體現(xiàn)：首先，硼酸鋅在樹(shù)脂類(lèi)體系中能夠與其他相適應(yīng)性抑煙劑復(fù)配而獲得優(yōu)良性能；其次，硼酸鋅在燃燒過(guò)程中會(huì)吸收熱量，發(fā)生脫水反應(yīng)，若是使用于膨脹型防火涂料中，則會(huì)與酸性物質(zhì)發(fā)生酯化反應(yīng)，能夠促進(jìn)多孔蜂窩狀炭層的快速成型；而且硼酸鋅能夠改善涂料中部分組分自身的熔滴現(xiàn)象，有效防止二次火災(zāi)的發(fā)生。硼酚醛防火涂料的產(chǎn)煙量極少，一氧化碳的生成量及煙氣毒性均處于相對(duì)較低水平，在有機(jī)樹(shù)脂中摻雜硅組分還能改善材料自身的熱穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

（1）應(yīng)大力開(kāi)發(fā)水性涂料用基底樹(shù)脂乳液。

（2）防火涂料常用的鹵代物抑煙劑受熱后會(huì)產(chǎn)生有毒的氫鹵酸。鉬系化合物等無(wú)鹵抑煙劑的穩(wěn)定性和吸附強(qiáng)度高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（3）利用共混法和改性技術(shù)等可提高防火涂料的性能，使材料多元功能化。

（4）要繼續(xù)研究一種新型綠色無(wú)機(jī)膨脹型防火涂料。

（5）要向多功能一體化和功能持久性方面拓展，研制具有防火、防水、耐腐蝕、裝飾性等多種功能的新型防火涂料。