钢结构防火涂料的发展
2013-08-20中冶集团建筑研究总院作者:陈夙刘军辉仲晓林
0前言在人类社会的发展过程中，火是人类生存的重要条件之一，但当火在时间和空间上失去控制而酿成火灾时，带给人们的除了那些让人触目惊心的伤亡数字和经济损失以外，还留给了人们沉重的悲痛。表1和表2分别为我国2005~2007年火灾情况统计和近年国外火灾情况统计。随着城市的发展，钢结构以其自身不燃、质轻、强度高、所占空间体积小、可回收利用、构件制造与安装方便等优点展现出其特有的优势，高层民用住宅、大型公共娱乐场所、机场建设等大型钢结构建筑应运而生。由于钢材自身不燃，其防火隔热保护问题曾一度被人们所忽视。而实际上，当钢结构遇火时，温度达300~400，其强度就会下降50%；温度达600，基本丧失全部强度。对于建筑物火灾，火场温度大多在800~1200之间，在火灾发生的10min内，火场温度即可高达700以上。对裸露的钢构件，在这样的火灾温度下，只需几分钟其温度就可上升到500而达到其临界值，造成钢结构建筑的整体在15min左右就会丧失承重能力而垮塌。如“9.11”恐怖袭击中，美国典型的钢结构高层建筑——世贸中心大楼，在大火的作用下，主楼仅仅经过30min便轰然倒塌，造成了死亡2797人、损失360亿美元的举世震惊惨案。因此，对钢结构进行防火保护势在必行。目前，钢结构的防火措施可分为以下几类［1］：（1）在钢结构表面砌砖或喷覆一层混凝土砂浆；（2）在钢结构表面裹缠无机纤维布和无机纤维毡；（3）在空心钢柱内填充处理后的液体和水；（4）在钢结构柱、梁、楼板等构件体上粘贴不燃板材；（5）在钢结构表面涂覆防火涂料。其中，涂覆钢结构防火涂料是最便捷、有效的措施之一。1钢结构防火涂料的分类及耐火性能参照GB14907—2002《钢结构防火涂料通用技术条件》第4节，将钢结构防火涂料按使用场所（表3）和使用厚度（表4）进行分类。此外，还可以按照分散体系分类，如水溶型防火涂料、溶剂型防火涂料；也可按防火性能分类，如非膨胀型防火涂料与膨胀型防火涂料［2］。2钢结构防火涂料的阻燃原理2.1非膨胀型防火涂料的阻燃原理非膨胀型防火涂料依靠自身的难燃性或不燃性，在火焰或高温的作用下释放出灭火性气体并形成不燃性的无机釉层，隔绝空气从而达到阻燃防火的目的。但形成的无机釉状保护层热导率相对较大，隔热效果较差，为达到一定的防火效果，涂层一般都较厚，即使这样，防火隔热作用也有限。2.2膨胀型防火涂料的阻燃原理膨胀型防火涂料在火焰或高温的作用下，涂层受热软化熔融，发泡剂受热分解产生不燃性气体，使软化的涂层膨胀，脱水催化剂在比成炭剂温度低的情况下分解产生酸，使成炭剂脱水炭化，形成一个比原来膜层增厚几十倍甚至数百倍的不易燃的蜂窝状炭质泡沫层［3，4］。炭层的隔热效果可用热传导公式表示：Q=A·λ·ΔT/L式中，Q为传热量；A为炭层表面积；λ为热导率，W/（m·k）；ΔT为炭层表面火焰与底部基材的温差；L为炭层膨胀厚度。膨胀型防火涂料受热膨胀，当ΔT一定时，形成的海绵状泡沫炭化层的热传导率λ较发泡前的涂层低10倍以上，膨胀厚度L较未膨胀前提高几十倍，即λ减小，L增加，根据上述热传导公式，Q应减小，从而起到很好的隔热效果。由于其本身具有高效阻燃隔热、质轻、涂层薄、无毒、无腐蚀性、低烟的优点［3，5］，已成为国内外高性能防火涂料的主导方向。3防火涂料的发展及应用1873年，防火涂料在国外开始研制，在水性漆和油性漆中加入石灰、氢氧化钾和普通盐制得保护建筑的防火涂料［6］。之后，1884年有人提出了用锑化合物作阻燃剂，到1936年才开始了卤素碳氢化合物的混合使用。1937年出现了以磷酸氢二铵为催化剂，二氰二胺为膨胀发泡剂，甲醛为炭化剂的膨胀型防火涂料。1948年，Albi公司发明了关于膨胀型防火涂料的专利。1953年有了含磷酸密胺的膨胀型防火涂料。1965年，美国孟山都公司开发出聚磷酸铵，取代了易水溶的聚磷酸盐［7］，防火涂料有了突破性进展。接着又出现了以炭源（三季戊四醇）、酸源（多磷酸铵）和发泡剂（三聚氰铵）组成的典型膨胀防火材料。我国的防火涂料研究起步较晚，20世纪70年代末，公安部四川消防研究所才开始研究防火涂料，首先研究出膨胀型过氯乙烯防火涂料，后来又研究出膨胀型丙烯酸乳胶防火涂料。80年代中期开始，公安部四川消防科学研究所率先研制成钢结构防火涂料，并与北京建筑材料防火公司共同研制成钢结构膨胀型防火涂料［8］。21世纪以来，钢结构防火备受关注，钢结构防火涂料的研究得到了较大发展。刘国钦等人［9］将3种纳米材料：纳米TiO2、纳米SiO2和纳米B2O3应用于钢结构防火涂料的改性中，发现使用纳米材料改性的钢结构防火涂料的耐火性能和耐水性能均有不同程度提高，其中纳米TiO2改性钢结构防火涂料效果最好，其耐火极限由96min上升到102min，提高幅度为6.25%；耐水性由28h提高到33h，提高幅度为17.9%。覃文清等人［10］以改性丙烯酸酯为树脂基，APP-PER-MN（聚磷酸铵-季戊四醇-三聚氰胺）为阻燃体系，研制出膨胀型钢结构防火涂料，其涂层厚度为1.71~2.69mm，耐火极限可达69~147min。ZhenyuWang等人［11］采用纳米SiO2改性丙烯酸树脂，应用于APP-DPER-MN（聚磷酸铵-双季戊四醇-三聚氰胺）涂料中，与未改性涂料相比，其氧指数LOI从29.0%提高到33.0%；涂层厚1.0mm时耐火时间从87min延长到111min；1000时残炭量为55.21%，而未改性涂料438时的残炭量即为50%。Jun-weiGu等人［12］以不饱和聚酯和环氧树脂为成膜树脂，APPPER-MN（聚磷酸铵-季戊四醇-三聚氰胺）为阻燃体系，添加膨胀石墨作协同剂，TiO2为无机隔热填料，制备了物理化学性能优异的木材膨胀阻燃涂料。涂层厚度达2.0mm时，耐火时间可达210min。M.Jimenez等人［13］以热固性环氧树脂为成膜树脂，添加阻燃剂硼酸和APP衍生物制备了膨胀阻燃涂料。当涂层厚度为3.5mm时，背温达400的时间为29.4min，而未阻燃的涂层背温达400的时间仅为4min；热失重分析试验指出：800时阻燃涂层残炭量为35%，而未阻燃的涂层在温度达600时已完全降解。目前，市场上的钢结构防火涂料产品种类繁多，产品性能也有较大差异。其中，国内较好的厚型钢结构防火涂料产品有“LG”钢结构防火涂料、“TNLG”钢结构防火涂料，其涂层厚度分别为24mm和39.5mm时，耐火极限可达191min和152min；较好的薄型钢结构防火涂料有“SWB”钢结构防火涂料和“SD-1”钢结构防火涂料，涂层厚度分别为6.8mm和5.3mm时，耐火极限分别为158min和97min；较好的超薄型钢结构防火涂料有公安部四川消防科研所研制出的“SCB”（溶剂型）和“SCA”（水溶型）超薄膨胀型钢结构防火涂料，涂层厚度分别为1.79mm和1.6mm，耐火极限分别为126min和63min。国外较好的厚型钢结构防火涂料产品有英国GraceConstructionProducts的“MonoketeFireproofingUK-6”钢结构防火涂料和美国美商华人企业股份有限公司的“AD”钢结构防火涂料，其涂层厚度分别为47.7mm和33.7mm时，耐火极限分别为2.5h和3h；薄型钢结构防火涂料较少；较好的超薄型钢结构防火涂料产品有德国Herberts公司的“WaterBased”38091型钢结构防火涂料和英国的“Nullifire”钢结构防火涂料，其涂层厚度分别为2.42mm和2.24mm，耐火极限分别为124min和106min［14］。4钢结构防火涂料存在的问题目前钢结构防火涂料存在以下几方面的问题：（1）含氯量高的树脂虽然对阻燃有利，但其在热的作用下容易放出腐蚀性气体HCl，污染环境。（2）应用最为广泛的溴系阻燃剂，添加量少、阻燃效率高，但在燃烧时产生大量烟雾、有毒及腐蚀性气体，不仅可能使人员中毒窒息，而且对大气环境也造成污染。（3）溶剂型膨胀防火涂料虽然表干快、耐水性能好、耐火时间长，但在施工时溶剂会挥发，对人体有危害，对环境有污染。（4）传统的膨胀型阻燃涂层体系（APP-PERMN）阻燃效果好、产烟量低，但存在耐水性差、耐热性不足、涂层偏厚等若干应用性能欠缺的问题［15］。（5）以聚磷酸铵为酸源的膨胀型防火涂料虽较含卤阻燃剂毒性低、阻燃效果较好，但其化学稳定性不理想，太阳辐射和潮湿都会使其稳定性降低［16］。5钢结构防火涂料的发展趋势随着ROHS指令的颁布，以及国内对环保节能的重视，针对钢结构防火涂料目前存在的问题，其研究将朝着无毒环保、超薄耐候、耐火持久、防腐防火双功能化、成本低、性能好且具有装饰性的多功能化方向发展。?
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