钢结构超薄型防火涂料及其发展趋势
2012-11-0108:35来源:辽阳市消防支队作者:李轶峰
钢结构以其强度高，自重轻，性能稳定，施工周期短等优点，已越来越多在高层建筑、大跨度结构和轻型结构等方面展示出其强大的生命力并越来越广地应用到各种建筑中。例如，美国芝加哥高433m的西尔思大厦，世界着名的埃菲尔铁塔，中国香港的中银大厦，日本东京的东京塔，纽约的帝国大厦，以及2008年北京奥运会主会场的国家体育场“鸟巢”，它们都是纯钢结构建筑，已经成为各大城市的标志性建筑[1]。然而，钢材的机械强度随着温度的升高而降低[2]，当钢材遇热温度达到500左右时，它的许多性能均不同程度的降低。其中屈服强度、弹性模量和极限强度将随着温度的升高而显着降低，导致钢结构材料的应变急剧地增大，并快速地扭曲和变形，最终钢结构部分或全部断裂、塌陷，失去了承载能力造成无法弥补的灾难性损失。相关数据表明，当温度温度升高至350、500、600时，钢结构的强度将会分别下降其原有强度的1/3、1/2、2/3[3]。然而，建筑物起火后，火场的温度会在10min内快速升至700，火场温度大多在800~1200之间。因此，一旦钢结构建筑物起火，几分钟之内火场温度升高至超过钢所能承受的温度。在如此高温下，钢结构内部金属晶粒快速长大，钢的强度、硬度显着下降后，产生不可逆转的塑性变形，失去承重能力，引起坍塌，从而造成非常严重的伤亡事故和经济损失。因此必须对钢结构采取有效的防火措施。钢结构防火设计的目标就是使结构构件的实际耐火时间大于或等于所规定的耐火极限。表1为《建筑钢结构防火技术规范》钢结构耐火极限要求的规定。因此钢结构抗火设计的一般要求是：如何定量地确定防火保护措施，使得钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限。钢结构建筑的空间造型非常复杂，如果用其他的方法很难达到彻底防火保护的要求。只有其表面涂装防化涂料才能彻底地起到防火的目的，并且防患于未然。此外，防护涂料具有很多优点，如自重轻、造价低、施工方便等。因此，其与其他防护方法相比，有着无可取代的重要作用，并且是一种经济实用、理想可靠的防火措施。现在，高达90%的钢结构都是使用这种防火涂料方法来进行防火保护的[4]。若按照使用厚度对防火涂料进行分类，其主要分为三类，其分别是厚型钢结构防火涂料、薄型钢结构防火涂料以及超薄型钢结构防火涂料。而其中，超薄型钢结构防火涂料凭借其具有粒度细、涂层薄和装饰性好等特点，不仅能够满足钢结构防火要求，也能满足人们的高装饰性要求。因此本文将重点综述超薄型钢结构防火涂料及其发展趋势。1超薄型钢结构防火涂料超薄型钢结构防火涂料的涂层厚度＜3mm。其特点是受热时迅速膨胀发泡，形成一种致密的防火隔热层。通常可采用辊涂、刷涂或喷涂等方式进行施工，该防火涂料可以用在耐火极限要求2h以内的钢建筑结构上。由于这种超薄型钢结构防火涂料具有涂层薄，外观装饰性好等优点，目前备受市场重视。其特别适用于裸露钢结构，不仅满足防火要求，还具有良好的装饰性，施工方便，其无疑将是钢结构防火涂料未来的重要发展方向[5]。超薄型钢结构防火涂料属于膨胀型，其是由基料树脂、碳源、气源、酸源、颜填料和助剂等成分组成，其中气源、酸源、碳源是防火涂料的膨胀阻燃体系。现在，市场上采用较多的膨胀阻燃体系是三聚氰胺、聚磷酸铵以及季戊四醇。但是由于，聚磷酸铵具有很强的吸潮性和水溶性，将会严重地影响了防火涂料的性能，如耐候性、耐水性及阻燃性能[6]。而三聚氰胺磷酸盐不仅具有酸源，还具有气源，并且其溶解度低、吸潮率低和抗腐蚀性好，可大大延长防火涂料的耐水性以及耐久性[7]。另外，三聚氰胺磷酸盐膨胀型防火涂料受热时易膨胀发泡，形成致密均匀的多孔膨胀碳层结构，因此其具有非常优秀的的隔热防火性能，已广泛的应用在膨胀性防火涂料领域中[8]。其大致配比如表2。表2超薄型钢结构防火涂料的典型配方2超薄型钢结构防火涂料的研究进表3是国内超薄型钢结构防火涂料研究进展概况表[9]。附注：T终—耐火极限终点的温度；T背—钢板背面温度；h—喷灯距离或钢板距炉底；t—耐火极限；w—质量分数。从表3中可以看出，国内超薄型防火涂料的研究主要集中在3个方面，分别是纳米超薄型钢结构防火涂料、可膨胀石墨超薄型钢结构防火涂料以及水性超薄钢结构防火涂料。其中水性超薄膨胀型钢结构防火涂料是以水为分散介质，涂层厚度不超过3mm的一种钢结构防火涂料。超薄膨胀型钢结构防火涂料中，成膜物是有机的高分子树脂材料，一般乳液型的应用居多。在此成膜物种加入碳源、阻燃剂、发泡剂、酸源以及其它填料形成防火体系。这样，遇火时时可形成致密而均匀的海绵状或蜂窝状的碳质泡沫层，对钢结构建筑物有良好的防火保护作用。目前，水性超薄型防火涂料主要以膨胀型防火涂料为主，包括性能优异的有机、无机和有机-无机复合膨胀型防火涂料。以乳液聚合物作基料的有机乳液型防火涂料，填加适当种类和用量的助剂并用水做溶剂而制备成的涂料。许多乳胶如，苯乙烯改性聚丙烯酸乳、苯-丙乳液、聚醋酸乙烯乳液等都是常用的水性防火涂料基料。可膨胀石墨是用天然的晶状石墨片制得的，由一层一层的碳原子组成。温度升至200以上时，石墨将与石墨片层间的夹杂物质发生还原氧化反应并放出气体，导致石墨的体积快速增大至数百倍。膨胀后的石墨从片状变成密度较低的疏松的蜂窝状，能形成良好的绝热层，并且有效隔热。膨胀后膨胀石墨的成分主要是炭，能够耐700以上的高温，其质量损失小，热释放率低，烟气少，环境友好。可膨胀石墨是现在应用较多的一种用于改善防火涂料防火性能的改性剂，具有广阔的应用前景。利用可膨胀石墨的高膨胀倍数，将其用于钢结构防火涂料中，可有效降低导热系数并增加炭质层的强度。可膨胀石墨的阻燃机理是凝固相阻燃机理。即延缓可燃性物质或中断固态物的质产生达到到阻燃的目的。如前所述，当受热到一定程度时，可膨胀石墨开始膨胀，形成了很厚的多孔碳层，将热源与阻燃主体隔离开来，延缓并终止聚合物的分解，形成比表面积大的并具有很强吸附能力的多孔结构。从而，可以吸收火灾中料受热产生的刺激性气体，达到抑烟的保护作用。纳米粒子是一种尺寸在1～100nm级别的超细微粒其具有许多特殊性质，可以赋予材料新的功能。如果将这种与高分子基料相容性好的纳米材料运用到超薄钢结构防火涂料中，不但可以提高碳质层的强度，还可以延长钢结构的耐火极限。目前，涂料中常用到的的纳米材料主要是有SiO2、TiO2、ZnO等氧化物，CaCO3等无机盐类等。纳米材料在防火涂料中的使用，使防火涂料的各项理化性能指标得到很大程度的改善，并且具有更高的性价比。例如纳米SiO2是一种白色粉末材料，其表面存在羟基和不饱键，分子结构呈现三维网状。国外此类产品有英国的Nutlifire钢结构防火涂料，耐火极限106min，涂层厚度2.24mm；德国贺柏兹公司的WaterBased3832型钢结构防火涂料，耐火极限63min，涂层厚度2.63mm；加拿大A/D防火有限责任公司的A/DFIREFILM防火涂料，耐火极限2h，涂层厚度2.58mm。3超薄型防护涂料的发展趋势随着国内外建筑行业的迅速发展和日益突出的环境问题，对钢结构防火涂料的要求也越来越严格，不但要能起到防火阻燃，提高钢构件的耐火性能，还不能对环境造成污染。超薄膨胀型钢结构防火涂料未来的发展将向着新型阻燃剂的开发研究、多种阻燃剂协同作用、树脂的复合改性和纳米技术、表面处理技术的应用、低压冷等离子体技术等方面发展，同时耐候性好、装饰性好、涂层超薄、应用范围广、施工方便是超薄型钢结构防火涂料发展的又一要求。超薄膨胀型钢结构防火涂料可以在以下几方面得到发展：（1）利用多种树脂合成钢结构防火涂料或者对基料树脂进行改性，完善防火涂料的防火性能和理化性能。（2）将纳米技术、微胶囊化技术、低压等构防火涂料的研制，有效提高涂料的防火性能。（3）研制开发无毒、低污染、无烟或低烟、装饰性强的环保型超薄钢结构防火涂料。（4）对防火涂料阻燃机理进行研究，为提高防火涂料阻燃性能和配方研究提供更有力的依据。
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