鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究與展望

/鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的探討和展望黃井泉摘要：鋼材是一種高強(qiáng)度、高效能的材料。鋼材雖然不具備可燃性，但是鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)大，一旦發(fā)生火災(zāi)易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形和破壞。由于火災(zāi)引起的生命財(cái)產(chǎn)損失巨大，所以，必需對(duì)鋼結(jié)構(gòu)及鋼材制品進(jìn)行防火愛(ài)惜。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的防火和防腐蝕愛(ài)惜，均可接受涂覆涂料來(lái)進(jìn)行。運(yùn)用涂料對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火愛(ài)惜，具有性能優(yōu)異、制造及施工便利、價(jià)格低廉等一系列其它材料和方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而建筑鋼結(jié)構(gòu)在選擇防護(hù)措施時(shí)，常常優(yōu)先考慮的是涂層防護(hù)。本文對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料進(jìn)行探討和阻燃機(jī)理賜予綜述。關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；防火涂料；阻燃機(jī)理ForecastandStudyonFireRetardantCoatingforSteelStructureHuangjingquanAbstract:Steelischaracterizedwithhighstrengthandhighefficiency.Althoughsteelisusuallyunfirable,itintendstodeformationandfractureowingtoitshighthermalconductivitywhenexposedtofire.Besides,steelproductsareeasytocorrode.Therefore,measuresmustbeadoptedtopreventfire.Coatingcanbeusedforsteelstracture’sfire-retardantwhicharenecessaryforsteelelements.Coatinghasuniqueadvantagessuchashighperformance,lowprice,andconvenience.Socoatingisgivenprioritytoconsiderationwhenarchitecturorsselecttheproactivemethodsforhighsteelbuildings.Thereserchandmechanismofintumescentflameproofcoatingforsteelstructureissummarizedindetailinthisarticle.KeyWords:SteelStructure;fireretardant;flameretardancemechanism1、引言近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在大型體育館、歌劇院、高層樓房等建筑行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用［1］。作為現(xiàn)代建筑的主要形式，鋼結(jié)構(gòu)在常溫下具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗震性能好、施工周期短、建筑工業(yè)化程度高、空間利用率大等優(yōu)點(diǎn)［2］。但鋼結(jié)構(gòu)建筑防火性能差的特點(diǎn)也特殊明顯，袒露的鋼結(jié)構(gòu)在高溫條件下強(qiáng)度急劇下降，當(dāng)溫度達(dá)到350℃、500℃、600℃時(shí)，其強(qiáng)度分別下降1/3、1/2、2/3，一般建筑用鋼在全負(fù)荷的狀況下失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為540℃左右［3］。加愛(ài)惜的鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)狀況下只需0.25h，自身溫度就會(huì)上升到臨界溫度，因此必需鋼結(jié)構(gòu)實(shí)行防火愛(ài)惜措施?，F(xiàn)在主要的防火措施是在鋼結(jié)構(gòu)表面涂刷防火涂料來(lái)減緩火災(zāi)下的升溫，該方法施工簡(jiǎn)便、質(zhì)量輕、成本低、耐火時(shí)間長(zhǎng)，而且不受構(gòu)件幾何形態(tài)限制，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和適用性［4，5－6］。防火涂料按分散介質(zhì)的不同可分為水性防火涂料和溶劑型防火涂料。水性防火涂料具有低VOC、無(wú)溶劑的氣味等優(yōu)點(diǎn)，比溶劑型更環(huán)保、施工更便利、經(jīng)濟(jì)性更好［7-8］;同時(shí)，基于防火涂料工業(yè)目前向低污染、高性能的方向發(fā)展，因此水性防火涂料成為發(fā)展的主要方向之一［9］。防火涂料是用于可燃性基材表面，能降低被涂材料表面的可燃性、阻滯火災(zāi)的快速擴(kuò)散,用以提高被涂材料耐火極限的一種特種涂料。作為一種功能性建筑涂料，防火涂料也是由基料、顏料、填料和助劑等組成的。防火涂料一般分為非膨脹型（也稱(chēng)一般防火涂料）和膨脹型（也稱(chēng)發(fā)泡型）防火涂料，由于這兩種防火涂料的防火助劑和防火機(jī)理的不同，它們的應(yīng)用行業(yè)和范圍也有著較大的差別。這里對(duì)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的探討現(xiàn)狀和阻燃機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)潔的歸納和總結(jié)。2、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的探討2.1鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的分類(lèi)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料可按不同的分類(lèi)方法來(lái)分類(lèi)[10]:(l)按所用的溶劑來(lái)分，可分為溶劑型和水基型防火涂料;(2)按防火機(jī)理來(lái)分，可分為膨脹型和非膨脹型防火涂料;(3)按它的運(yùn)用范圍來(lái)分，可分為室內(nèi)和室外防火涂料;(4)按涂層厚度來(lái)分，可分為厚型(涂層厚度大于7mm且小于或等于45tnln)、薄型(涂層厚度大于3~且小于或等于7mm)、超薄型(涂層厚度小于或等于3~)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料[11-12]。2.2鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的探討現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料如SD一2鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、TN一LG鋼結(jié)構(gòu)防火涂料和TN一TS鋼結(jié)構(gòu)防火涂料等，耐火極限分別可達(dá)到2.28h、2.53h和3.0h。這些產(chǎn)品已在北京王府井百貨大樓、北京中國(guó)國(guó)際貿(mào)易中心、廣州造船廠(chǎng)、上海東方明珠電視塔、上海證券大廈、上海世貿(mào)商城等設(shè)施的鋼結(jié)構(gòu)工程中得到應(yīng)用。國(guó)外產(chǎn)品如英國(guó)GracConsctionProduct(格雷斯建材品)MonoketeFirroofingUK一6鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，涂層厚47.4mm，耐火極限2.5h;美國(guó)美商華人企業(yè)股份有限公司的CAFCOBLAZESHELDH鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，涂層厚度超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研制18.Onun和34.omln時(shí)，耐火極限分別可達(dá)4.0h和5.0h以上。此外還有英國(guó)Mandovol公司的水泥蛙石系列防火涂料(如P20、Mn牌號(hào))、日本Nichias公司的礦棉防火噴涂涂料等。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的涂層厚度大于3~且小于或等于7Inm，這類(lèi)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料一般選用適當(dāng)?shù)木酆衔锶橐鹤骰?，配以阻燃劑、填料和助劑等。選用的乳液要求對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有良好的附著力、耐久性和耐水性，常用的有苯乙烯改性丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液、聚偏氯乙烯乳液等。這種防火涂層分為底層(隔熱層)和面層(裝飾層)，受熱快速膨脹發(fā)泡，但發(fā)泡率不高，裝飾性比厚型好，接受?chē)娡渴┕?，常用于耐火極限不超過(guò)Zh的建筑鋼結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)的SCM鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、SWB鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、SD一1鋼結(jié)構(gòu)防火涂料和LB鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，涂層厚度分別為3.37~、5.stnm、5.3tnln和7.4ltun時(shí)，耐火極限分別為o.86h、1.0h、1.62h和2.05h。這些涂料已被應(yīng)用在北京亞運(yùn)會(huì)體育館、石景山發(fā)電廠(chǎng)、云南玉溪卷煙廠(chǎng)、西昌衛(wèi)星放射中心、上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)等建筑的鋼結(jié)構(gòu)工程上，國(guó)外對(duì)此類(lèi)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的報(bào)道較少。2.3鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的試驗(yàn)探討2.3.1水性鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的探討以丙烯酸類(lèi)乳液為成膜物質(zhì),以季戊四醇、三聚氰胺、聚磷酸銨和無(wú)機(jī)增加填料作為阻燃體系,制備了水性超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。接受模擬大板燃燒法對(duì)防火涂料的耐火性能進(jìn)行了探討,系統(tǒng)考察了乳液種類(lèi)、顏基比以及無(wú)機(jī)填料對(duì)防火性能的影響,確定了無(wú)機(jī)填料的最佳用量。探討結(jié)果表明:以硅丙乳液作為基料樹(shù)脂,當(dāng)體系顏基比為3·5以及珍寶巖的添加量為7%時(shí),防火涂料的耐火時(shí)間能達(dá)到128·7min;珍寶巖和炭質(zhì)層的生成具有明顯的協(xié)同效應(yīng),這大大提高了炭質(zhì)層的強(qiáng)度,而且還表現(xiàn)出顯著的隔熱效果。膨脹型防火涂料中少量的無(wú)機(jī)填料,對(duì)炭質(zhì)層內(nèi)部的泡孔分布、泡徑分布、炭質(zhì)層的膨脹效果以及其強(qiáng)度等都有著很大的影響,從而影響到防火涂料的耐火性能。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)眾多阻燃協(xié)效填料都做了大量的探討,發(fā)覺(jué)可膨脹石墨、絹云母都能提高炭層強(qiáng)度,從而增加耐火性能[13-14]。此外,將納米粒子引入到防火涂料中,也顯著提高了其防火性能[15]。2.3.2可膨脹石墨改性氯醚樹(shù)脂鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的探討以氯醚樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂為成膜物，聚磷酸銨(APP)、季戊四醇(PER)、三聚氰胺(EN)為阻燃發(fā)泡體系，通過(guò)添加可膨脹石墨，提高了防火涂料炭質(zhì)層的質(zhì)量和熱穩(wěn)定性。研制出一種具有良好的附著力、耐候性及阻燃性的超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，該防火涂料遇火涂層發(fā)泡膨脹，形成具有確定高度的密實(shí)微孔狀阻燃層。由自然鱗片石墨制得的可膨脹石墨材料既保留了石墨的耐高溫、耐腐蝕、摩擦系數(shù)低自潤(rùn)滑性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱并呈各向異性等性能，又具備自然石墨所沒(méi)有的可彎曲、可壓縮、有彈性、不滲透等特點(diǎn)，并且疏松多孔。在受到200℃以上高溫時(shí)，由于吸留在層間點(diǎn)陣中的化合物的分解，石墨層間的化合物急劇分解、氣化、膨脹(沿層間膨脹150～250倍),使可膨脹石墨起先膨脹，并在1100℃時(shí)達(dá)到最大體積，最終體積可以達(dá)到初始時(shí)的280倍。由于這一特性，可膨脹石墨被用作防火涂料膨脹體系的協(xié)同增效劑及一種良好的無(wú)鹵物理膨脹阻燃劑［16］。可膨脹石墨防火涂料是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型膨脹型防火涂料，平常保持一般涂膜狀態(tài)，遇火時(shí)，涂層發(fā)生軟化熔融，膨脹形成海綿狀或蜂窩狀炭化層。2.3.3環(huán)境友好型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研制在工程應(yīng)用上，最早進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的國(guó)外產(chǎn)品是英國(guó)的“MonoketeFireproofingUK-6”鋼結(jié)構(gòu)防火涂料和P20鋼結(jié)構(gòu)防火隔熱涂料［17］，隨后德國(guó)的“WaterBased”38320型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料(水溶型)、英國(guó)的“Nullifire”鋼結(jié)構(gòu)防火涂料(溶劑型)和日本“立邦油漆”的超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料也接連進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng).雖然這些產(chǎn)品的技術(shù)性能持續(xù)改進(jìn),但是在理化性能、耐火性能和綠色環(huán)保性能的最優(yōu)兼顧上仍未取得重大突破，這是材料探討領(lǐng)域的一個(gè)重大瓶頸［18］，也是我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)防火愛(ài)惜技術(shù)探討的一項(xiàng)重要任務(wù)。以彈性聚氨酯乳液為基料，改性多聚磷酸銨(APP)為阻燃劑，依據(jù)高性能低成本的原則，通過(guò)單因素試驗(yàn)對(duì)涂料配方進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳顏基比為1.8∶1，阻燃劑最佳含量為30%，從而研制出一種環(huán)境友好型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。檢測(cè)結(jié)果表明，該涂料具有良好的綜合性能。研制的防火涂料，其各項(xiàng)理化性能及耐火性能達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，且該涂料不含揮發(fā)成分，燃燒時(shí)無(wú)毒、無(wú)鹵、低煙、無(wú)腐蝕性、無(wú)污染，實(shí)現(xiàn)了理化性能、耐火性能和環(huán)保性能的良好兼顧，是一種新型高效的環(huán)境友好型鋼結(jié)構(gòu)彈性防火涂料。3、阻燃機(jī)理探討進(jìn)展含磷及氮的化合物很早就被人們用作阻燃劑，對(duì)它們的機(jī)理也探討得很早，最初發(fā)覺(jué)用含磷阻燃劑處理的材料燃燒時(shí)可生成較多的焦炭，并可削減可燃性揮發(fā)物的生成量，且被阻燃材料的質(zhì)量損失率大大降低，但燃燒時(shí)生成的煙量很大。目前，人們一般認(rèn)為阻燃劑可同時(shí)在凝合相及氣相發(fā)揮阻燃作用，但可能以凝合相為主。不過(guò)，阻燃機(jī)理也可因阻燃劑結(jié)構(gòu)、聚合物類(lèi)型及燃燒條件而異。3.1凝合相阻燃機(jī)理這是指在凝合相中延緩或中斷固態(tài)物質(zhì)產(chǎn)生可燃?xì)怏w的分解反應(yīng)而阻擋燃燒[19]。下述幾種狀況均屬于凝合相阻燃。（l）阻燃劑在固相延緩或阻擋聚合物的熱分解，這種熱分解可產(chǎn)生可燃性氣體和維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的自由基。（2）被阻燃固態(tài)物中加入大量無(wú)機(jī)填料，此類(lèi)填料熱容較大，它們既可蓄熱，又可導(dǎo)熱，因而使被阻燃物不易達(dá)到熱分解溫度。（3）阻燃劑受熱分解吸熱，阻擋被阻燃物溫度上升。工業(yè)上大量運(yùn)用的氫氧化鋁及氫氧化鎂均屬于此類(lèi)阻燃劑。（4）加有阻燃劑的聚合物燃燒時(shí)在其表面生成很厚的多孔炭層，此層隔熱、隔空氣，又可阻擋可燃?xì)膺M(jìn)入燃燒氣相，致使燃燒中斷。膨脹型阻燃劑即此機(jī)理阻燃。3.2氣相阻燃機(jī)理氣相阻燃是指在氣相中進(jìn)行的阻燃作用，即在氣相中中斷或延緩可燃?xì)怏w的燃燒反應(yīng)（一般為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）[20]。下述幾種狀況下的阻燃都屬于氣相阻燃。（1）阻燃劑受熱產(chǎn)生能捕獲促進(jìn)燃燒反應(yīng)鏈增長(zhǎng)的自由基。目前廣泛運(yùn)用的鹵系阻燃劑及鹵-銻協(xié)同體系是主要按此機(jī)理產(chǎn)生阻燃作用的典型實(shí)例之一。（2）阻燃劑受熱生成能促使自由基結(jié)合以終止鏈或燃燒反應(yīng)的微小粒子。（3）阻燃劑受熱分解能釋放出大量惰性氣體，后者可稀釋空氣中氧和聚合物分解生成的氣態(tài)可燃性產(chǎn)物，并降低此可燃?xì)怏w的溫度，致使燃燒中止。（4）阻燃劑受熱釋放出密度高的蒸氣，此蒸氣覆蓋于可燃?xì)怏w上，隔絕它和空氣中氧的接觸，因而使燃燒窒息。3.3中斷熱交換阻燃機(jī)理這是指將聚合物燃燒產(chǎn)生的部分熱量帶走而降低原聚合物的吸熱量，致使聚合物不能維持熱分解溫度，因而不能持續(xù)供應(yīng)燃燒賴(lài)以進(jìn)行的可燃?xì)怏w，于是燃燒自熄[21]。例如，以低分子或液態(tài)氯化石蠟或它們和氧化銻組成的協(xié)同體系來(lái)阻燃高聚物時(shí)，由于這類(lèi)阻燃劑能促進(jìn)聚合物解聚或分解，故有利于聚合物的熔化，熔融聚合物滴落時(shí)帶走大部分熱量，因而削減了反饋至本體聚合物的熱量，致使燃燒延緩，并最終可能中止燃燒[22]。所以一般說(shuō)來(lái)，易于熔融材料的可燃性都較低。但滴落的灼熱液滴可引燃其他物質(zhì)，增加火災(zāi)緊急性。4結(jié)論和展望本文是綜合了大量對(duì)防火涂料的探討的綜述，可以看出防火涂料在鋼結(jié)構(gòu)中起著舉足輕重的作用，水性膨脹型防火涂料是最近探討的熱點(diǎn)，水性膨脹型防火涂料是以水作為分散劑的防火涂料，避開(kāi)了傳統(tǒng)的膨脹型防火涂料以有機(jī)溶劑作為分散劑帶來(lái)的環(huán)境污染、易燃、不易揮發(fā)等負(fù)面影響。除了對(duì)防火涂料有確定的探討外，對(duì)阻燃機(jī)理也進(jìn)行了闡述，在確定程度上有著重要的理論指導(dǎo)意義，但對(duì)進(jìn)行過(guò)的試驗(yàn)缺少詳細(xì)描述，未能有力地論證結(jié)果的牢靠性。由于之前大多數(shù)學(xué)者探討的大都是防火涂料的某一單一的特性，假如能同時(shí)探討防火涂料的一些綜合特性，如阻燃、防霉、耐水、環(huán)保等，將這些優(yōu)良的特性集于一身，打造一種新型環(huán)保耐水性防火涂料。參考文獻(xiàn)：［1］劉學(xué)軍．水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研制［D］．北京:北京化工高校，2005．LIUXJ．Thestudyandpreparationofthewaterbasedfire－retard-antcoatingsforstructuralsteelworks［D］．Beijing:BeijingUniversityofChemicalTechnology，2005．［2］朱艷，孫業(yè)飛．鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火原理淺析［J］．商情，2009(3):7．［3］時(shí)虎，趙華偉，胡源．超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料探討及分析［J］．消防技術(shù)和產(chǎn)品信息，2003(9):64－67．［4］BRASML，BOURBIGOTS．Comprehensivestudyofthedegrada-tionofanintumescentEVA－basedmaterialduringcombustion［J］．JournalofMaterialsScience，1999，34(23):5777－5782．［5］BODZAYB，BOCZK，BRKAIZS，etal．Influenceofrheologicaladditivesoncharformationandfireresistanceofintumescentcoatings［J］．PolymerDegradationandStability，2011，96(3):355－362．［6］劉學(xué)軍，付若愚，咸才軍，等．可膨脹石墨在膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中的應(yīng)用［J］．精細(xì)化工，2005，22(5):328－341．LIUXJ，F(xiàn)URY，XIANCJ，etal．Theapplicationofexpandablegraphiteinfireresistiveintumescentcoatingsforsteelstructures［J］．FineChemicals，2005，22(5):328－341．［7］李祎旻，魯鋼，張華，等．超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料阻燃體系的探討［J］．新型建筑材料，2009(7):72－74．LIYM，LUG，ZHANGH，etal．Thestudyonfire－resistantsystemofultra－thinfireproofcoatingforsteelstructure［J］．NewBuildingmaterials2009(7):72－74．［8］CHOUCS，LINSH，WANGCI，etal．Ahybridintumescentfireretardantcoatingfromcake－andeggshell－typeIFRC［J］．PowderTechnology，2010，198(1):149－156．［9］劉斌，張德震，常寶．水性超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的制備［J］．涂料工業(yè)，2011，41(1):44－47．LIUB，ZHANGDZ，CHANGB．Preparationandpropertiesoful-trathinwaterborneintumescentfireproofcoatingforsteelstructures［J］．Paint＆CoatingsIndustry，2011，41(1):44－47．［10］國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB14907一2002歡鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002[11］曾憲文，丁海探.膨脹型透亮防火涂料的研制.涂料工業(yè)，19%，(3):22一23[12］王彥林.建筑防火涂料.化學(xué)工程師，19%，(3):36一38[13]WANGZY,HANEH,KEW.Influenceofexpandablegraphiteonfireresistanceandwaterresistanceofflame-retardantcoatings[J].CorrosionScience,2007(49):2237-2253[14]CHUEN-SHII,CHON,SHEAU-HORNG,CHIN-IWANG.Preparationandcharacterizationoftheintumescentfireretardantcoatingwithanewflameretardant[J].AdvancedPowerTechnology,2009,20:169-176.[15]WANGZY,HANEH,KEW.Influen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