防火涂料的发展前景及方向分析探讨

2011-02-19梁清泉河南商丘市公安消防支队476005

中国科技信息 2011年4期

关键词：阻燃剂无机涂料

梁清泉河南商丘市公安消防支队 476005

防火涂料的发展前景及方向分析探讨

梁清泉河南商丘市公安消防支队 476005

本文从阻燃剂、防火涂料、阻燃机理、评估方法等角度对防火涂料的发展前景和方向进行了分析探讨。

防火涂料；研究方向

21世纪，随着钢材、混凝土材料、聚合物材料在建（构）筑物、动力工业以及石油化工企业的广泛使用，引入新的防火保护技术和产品，提高防火功能，杜绝恶性火灾事故已经成为未来发展的必然趋势。为了提高被保护基材的耐燃性，减缓结构材料强度下降、阻止聚合物材料被引燃及抑制火焰传播，最有效的防火保护方法之一是对基材施涂防火涂料。防火涂料的理论研究、产品开发、工程设计、施工管理以及现行国家标准不断充实和快速发展受到注目。本文对防火涂料的发展前景和方向进行了分析探讨。

1 阻燃剂研究

防火涂料研究与阻燃剂密切相关，阻燃剂的选择对防火涂料的性能起关键作用。目前阻燃剂发展的主要趋势有：

（1）无卤化趋势

卤素阻燃剂因用量少、阻燃效率高且适应性广，已发展成为阻燃剂市场的主流产品。但卤素阻燃剂的严重缺点是燃烧时生成大量的烟和有毒且具腐蚀性的气体，可导致单纯由火所不能引起的电路系统开关和其他金属物件的腐蚀及对人体呼吸道和其他器官的危害。取代卤素阻燃剂，开发无卤阻燃剂已成为世界阻燃领域的趋势。

无机阻燃剂及以磷基为主的无机阻燃剂成为无卤阻燃剂开发的主要趋势。无机阻燃剂（Al(OH)3、Mg(OH)2等）来源丰富、价格低廉，但其阻燃效果较差，添加量大，对制品的性能影响较大，因而国内外努力向超细化、微胶囊化、表面处理、协同增效复合化方面进行技术开发。如美国的Zerogen、Halfree、Hydrax、Magnifin系列等；以磷基为主的无机阻燃剂主要为红磷及膨胀型阻燃剂，红磷阻燃效率高、用量少、适用面较广、与卤－锑体系相比发烟量较小，毒性较低，但其存在吸潮、易着色、易爆炸等缺点，需进行稳定化处理——形成微胶囊化红磷。如英国的AMGARD CPC、AMGARD CRP系列，日本的RINKA系列；膨胀型阻燃剂由于具有在燃烧过程中发烟量少、无有毒气体产生，被认为是实现无卤化很有希望的途径之一，美国、意大利等国已商品化，如美国的Exolit IFR系列、PHOS－CHEK P/40、CN－329、CN－1197，意大利的 Spinflam MF82等。

（2）抑烟化、减少有害气体趋势

火灾中发生的死亡事故，80%是由于建筑构件、装饰材料等物品热解和燃烧所释放的烟和有毒气体窒息造成的，此外，烟能降低可见度，使人们迷失方向，妨碍人们逃离现场，而毒气刺激人的呼吸系统，使人中毒，失去知觉，同样影响人们脱离火区。因而研究如何合理地选择阻燃剂和阻燃体系，并降低材料燃烧时的烟量及有毒气体量，是阻燃领域中的重点研究课题之一。目前常采用加入抑烟剂使材料的生烟量降低，抑烟剂以金属氧化物、过渡金属氧化物为主。如美国的Firebrake硼酸锌系列、XP系列，Moly FR钼酸盐系列，含锡及其他元素的Flamtard H和Flamtard S等。此外，某些无机填料（Al(OH)3、Mg(OH)2等）同时具有阻燃抑烟的功效，膨胀型阻燃剂的多孔炭层也具有阻燃和抑烟的双重作用。

（3）新型卤素阻燃剂的发展趋势

尽管卤素阻燃剂存在缺点，但由于其阻燃效率高，价格可被用户接受，特别是溴系阻燃剂在阻燃领域内举足轻重的地位，而且目前找不到能取代它的适用的阻燃体系，完全取代它不很容易。目前乃至今后的发展趋势是提高分子量，改进分子结构，添加防滴落助剂，提高耐热性、耐喷霜性、加工性和卫生安全性，同时寻找多溴二苯醚的代用品也将受到重视。如芳香族溴系阻燃剂FR－1808，三溴聚苯乙烯系列、丙烯酸五溴卞酯、三溴苯基顺丁烯二胺、溴代环氧树脂、四溴双酚A低聚物、聚二溴苯醚、乙撑双五溴苯系列等。

2 防火涂料研究

2.1 基料研究

（1）开发具有较好耐水、耐候、耐酸、耐碱、耐磨性能、价格适宜的基料。如开发改性脲醛树脂防火涂料，解决残留甲醛量将有市场；如能很好地解决水玻璃防火涂料的耐水性，其应用前景可观。

（2）通过树脂的拼合改性来完善防火涂料的防火性能和各种理化性能。如A60—KG新型氨基膨胀型防火涂料就是采用酚醛树脂等混合树脂拼合改性；LG钢结构防火隔热涂料则是选用不同品种和规格的液体硅酸盐，并配以某种有机树脂和化学助剂改性处理而配制的无机黏结剂。

（3）解决无机黏结剂的高温改性以及提高液体硅酸盐防火涂料耐水和耐老化性能不足的问题。①用做面层的酸性水玻璃涂料对水玻璃进行改进，用酸性水玻璃成膜，必要时，使用固化剂，形成非碱性固化涂层；②添加固化剂、表面疏水处理的碱性水玻璃涂料面层直接选用水玻璃，加入一定量的固化剂，添加甲基硅烷醇酸钠等，使涂层表面具有疏水性，产生一种新型涂层；③采用有机乳液与水玻璃相配合的涂料体系，形成耐水性好、装饰性能好的涂层，可用在一些钢网架装饰性的建筑部位。

（4）采用先进的聚合技术，合成多种不同单体组成的聚合物，改善聚合物的性能，可进一步提高防火涂料综合性能。如通过聚合改性调节聚合物玻璃化温度，可使产品既具有一定的硬度、耐污染性、又易于施工；另外通过定向聚合、辐射聚合、互穿网络聚合等制得聚合物乳液，可改进涂料的黏结性能。

2.2 阻燃体系研究

（1）开发多效、高效、低水溶性的脱水成炭催化剂和发泡剂

磷酸盐、三聚氰胺、季戊四醇组成的膨胀复合体系是防火涂料最常使用的阻燃体系。但该膨胀复合体系对涂料阻燃处理有以下不足之处：①用量较大，影响涂料的理化性能；②热稳定性较差；③水溶性好，耐老化性能差；④会对基材产生腐蚀作用。因此，多效、高效、低水溶性的脱水成炭催化剂及发泡剂的开发研究，成为膨胀型防火涂料研究和发展的技术关键。多聚磷酸铵的研制成功，大力促进了膨胀型防火涂料的发展，而三聚氰胺磷酸盐则把磷酸脱水催化和三聚氰胺发泡两者的作用结合起来，且水溶性更低。目前三聚氰胺磷酸盐的水溶性、热稳定性、阻燃性、与聚磷酸铵组合使用的阻燃效果、与氢氧化铝的协同作用，以及使用在膨胀型防火涂料中的应用研究受到广泛重视。如以三聚氰胺磷酸盐作为阻燃剂的防火涂料用于裸露钢的底漆、海底设施，显示出更大的优越性。

（2）打破传统的膨胀体系模式，寻求高性能的自膨胀原料或树脂

自膨胀单体是70年代出现的新型膨胀剂，可作为膨胀型防火涂料中唯一的防火组分。如氨基苯磺酸盐、氨磺酰对苯胺及其他类似的有机物，均可作为自膨胀单体。这种集催化、成炭、发泡于一身的高效阻燃体系可与常用装饰性清漆结合，制备出使用寿命长的透明防火涂料。

（3）多种阻燃剂协同作用，合理搭配

多种阻燃剂协同作用，合理搭配是将现有较好的阻燃剂进行复配，达到降低阻燃剂用量的目的。这不仅可以降低防火涂料原料成本，更重要的是使防火涂料的理化性能损失减到最低程度。

（4）采用纳米技术和填料表面处理技术

可采用纳米技术生产防火填料或超细阻燃剂。由于其粒径小，分散性能好，能显著地提高涂料的阻燃消烟效果，并能节省阻燃剂用量，改善涂层物理机械性能。用表面处理技术对填料进行表面处理可有效地改善填料沉降性和阻燃消烟性。如用偶联剂处理的水合氧化铝作为填料加入防火涂料中，可有效地改善填料物理性能，提高涂料稳定性，减少填料用量。

2.3 防火涂料研究

（1）发展环保型防火涂料。目前保护环境、节约能源的呼声越来越高，防火涂料也随着整个涂料工业向节能、低污染、高性能方向发展。水性涂料由于无毒安全、节约资源、保护环境，成为建筑涂料发展的主要方向，也将是涂料品种变革的最终归宿。水性膨胀型防火涂料将成为防火涂料的主要发展方向，同时应着眼于进一步提高涂层的耐水性、防火性及装饰性。

（2）开发无机防火涂料。无机防火涂料节能源、省资源，无环境和健康的不良影响，属于“绿色建材”，符合涂料工业水性化、功能化和人类发展的大趋势。从涂料性能上来说，无机防火涂料不燃，耐高温，在高温作用下不会产生有害气体，其固有性能比之有机防火涂料更适合于作防火隔热用途。其涂膜的某些物理性能和装饰效果虽然不尽如人意，但通过拼用适量的合成树脂乳液或通过采取其他技术措施可以改善。目前所用的无机基料如硅溶胶和水溶性硅酸盐等，其生产技术较易掌握且质量易于控制，原材料来源也更为丰富。特别是我国研制、生产和应用无机防火涂料的时间较长，且一直在进行品种开发和性能提高方面的深化研究，没有认识和市场的阻力。因此，无机防火涂料作为重要的防火措施，其技术、经济优势自不待言，在国内外防火涂料研究中越来越受到重视，是防火涂料发展的重要方向之一。如E60－1l膨胀型无机防火涂料，防火性能和理化性能均达到一级；利用梯次发泡原理制得的硅酸盐膨胀防火涂料，采用无机低温发泡层和高温发泡层的复合泡层，解决了火灾中钢结构前期升温快和后期涂层熔滴问题，综合性能良好。

（3）膨胀型和非膨胀型防火涂料相结合。配方中既含有膨胀型组分，又含有较多耐火填料组分，还加入高熔点的无机纤维等，使涂层在高温火焰作用下形成低膨胀率的高强度碳化层，确保膨胀涂层长时间耐火隔热而不脱落。如LB钢结构膨胀型防火涂料就采用无机和有机复合黏结剂，在P—C—N膨胀防火体系中加入新型耐火绝热材料，起到“晶核”和“钢筋”的作用。

（4）研制新型钢结构防火涂料。①钢结构防火涂料正在向涂层超薄、装饰性强、施工方便、防火性能高、应用范围广的趋势发展。尤其是加强室外超薄膨胀型钢结构防火涂料的研究，以取得耐火极限理想，耐候、耐老化、装饰品性好，既可用于室内，也可用于室外的超薄膨胀型钢结构防火涂料。其物理性能提高可从开发优异的合成树脂、合成橡胶着手，采用多种功能树脂共混或共聚改性。如高氯化树脂和氟树脂共混、有机硅共聚改性丙烯酸树脂等，通过选用耐候性极好的树脂基料，配以高效防火阻燃剂，提高防火涂料的耐候性和阻燃性能。②研究开发环保型钢结构防火涂料，特别是发展水性防火涂料，尽量减少或避免因生产、施工和燃烧造成的环境污染和人身危害。采用水性树脂基料如水性聚氨酯树脂或丙烯酸树脂乳液，在防火涂料体系中添加高效抑烟剂或采用非卤化的阻燃体系，如硅橡胶、氧化硅等，在阻燃过程中提供硅碳结构等，有利于开发环保型钢结构防火涂料。③打破传统的配方体系，研究开发出性能更加优异的钢结构防火涂料新品种。如采用纳米技术，开发超细阻燃体系，缩短涂料的研磨和分散时间，提高涂膜的物理机械性能；采用阻燃剂微胶囊化技术，研究具有高装饰效果的钢结构防火涂料清漆；采用分子裁剪和组装的方法，设计兼有膨胀、阻燃和成膜性能好的多功能树脂，配制透明钢结构防火涂料等；采用在防火涂料体系中添加特种磷化剂，研制“就地”磷化的钢结构防火涂料，可不需对钢结构进行磷化处理和涂刷防锈底漆，不仅节约施工成本，而且可以避免出现防火涂料与防锈底漆的涂层间附着力差而影响防火性能等问题。④寻找统一衡量防火涂料耐候性能的方法，钢结构防火涂料耐候性问题直接影响整个建筑结构的使用寿命，这是钢结构涂装行业迫切需解决的课题。目前，最活跃的领域是含氟树脂和有机硅改性树脂的研究，有机硅改性丙烯酸树脂能大大提高防火涂料的耐候性、耐腐蚀性，是今后超薄型防火涂料室外应用、超耐候性涂料的重要方向。

（5）在古建筑、文物保护以及高档家具等方面，为保持装饰物的原貌，又起到防火与装饰作用，膨胀型透明防火涂料独树一帜，今后将越来越受到青睐。透明防火涂料研制的难点在于成膜树脂的理化性能和使用寿命，以及高效、用量少、性能稳定的阻燃体系，将阻燃体系与成膜树脂结合在一起是透明防火涂料研究的方向。如合成低聚磷酸酯可用做透明防火涂料阻燃体系的脱水催化剂；含发泡剂组分的改性氨基树脂用做成膜树脂可减少阻燃剂用量；将阻燃剂接枝在成膜树脂上可提高防火涂料的使用寿命。此外，随着环境保护要求越来越高，水性透明防火涂料的研制将成为未来的发展方向。

（6）多功能性防火涂料。随着人类文化和生活水准的提高，对于钢结构防火涂料除了要求具有防火保护作用和精美的装饰性外，还需具有某些特殊功能，形成了涂料多功能化的新概念。同时，作为涂料研究基础的高分子科学、化学、生物学等的交叉进步，进一步推动了涂料科学的发展，兼具绝热性、隔热性、消(吸)音性、防辐射、防紫外照射、防腐蚀性、防水性、绝缘性等的防火涂料越来越受重视。研究开发出功能复合化的钢结构防火涂料以及能赋予涂料特殊功能的树脂和添加剂的研究是当今一大课题。

（7）色彩防火涂料、粉末涂料、弹性防火涂料。涂料的装饰性、功能性、耐久性以及个性化成为近年来建筑涂料研究的热点。色彩防火涂料能够丰富防火涂料外观装饰性能，增大选择颜色品种，尤其是室内钢结构防火涂料对涂料色彩的要求越来越高，精美的装饰外观已成为室内钢结构涂装的新课题；粉末涂料作为一种新型的建筑涂料发展迅速，由于无溶剂污染，100%成膜，能耗较水性涂料和固体分涂料低，涂膜具有优良机械性能和耐腐蚀性能，成为建筑涂料发展的方向之一，兼具有防腐蚀性和耐候性的室内外钢结构粉末防火涂料的研究已得到国外人士的重视；弹性防火涂料具有一定柔软性或伸缩性，对于防撞击，防弯曲等具有决定性作用，可广泛应用于高层建筑、震动较强的地带建筑物中。在实际应用中，可有效延长其使用寿命，增强涂层抵抗震击能力。如开发具有良好防火性能复层弹性涂料，双组分聚氨酯弹性涂料，弹性氯乙烯树脂涂料等迫在眉睫。

（8）在研究开发防火涂料时，既要重视防火性能、理化性能和使用性能的研究，还要改进提高生产工艺技术水平，保证产品质量，做到安全高效。如钢结构防火涂料生产工艺国内长期以来加工生产设备简单，随着科技进步，采用高自动化水平的涂料生产工艺，电脑现代化控制生产流程，实现液体输送管道化和固体物料自动输送及自动控制计量等，可从一定程度上改善产品质量及提高生产率。

（9）要对各类防火涂料的施工应用性能做深入研究，包括防火涂料对基材的黏结性能、对防锈漆的选择与配套性和涂层的使用寿命等，特别是对膨胀型防火涂料的使用寿命，要给予足够重视，进行科学研究和评价，为用户提出使用年限的技术依据。

[1]张泽江.C-N-P膨胀体系膨胀过程及其热力学探讨.消防科学与技术.2001(2)：55～57

[2]赵宗治.我国防火涂料现状与发展.消防技术与产品信息.2000(12):14～20

[3]黄永勤, 陈莉英.硅酸盐膨胀型防火涂料的研究现状与展望.陕西化工.1994（3）：12～15

[4]徐峰,邹侯招.国内外无机防火涂料的应用与发展.化学建材.2002(1):15～17

[5]肖新颜, 涂伟萍, 杨卓如, 陈焕钦.防火涂料的现状与未来，涂料工业.1995(6)：33～36

[6]瞿金清, 肖新颜, 陈焕钦.钢结构防火涂料研究进展.现代化工.2001，21（2）：13～16

[7]杨佳庆, 张正敏.透明防火涂料研究探索.消防科学与技术.2001（1）：46～47

[8]杨群, 李树材.膨胀型防火涂料的研究进展.中国涂料.2001（4）：37～46

[9]张泽江.国内钢结构防火涂料及其生产工艺的现状与发展.消防技术与产品信息.2000（7）：13～15

[10]徐晓楠.阻燃剂市场、应用及发展趋势.消防技术与产品信息.1999，（10）：35～38

[11]杨卫疆,诸秋萍,陆亨荣,林桂祥.膨胀型防火涂料炭化层形成过程的探讨.化学建材.2001（6）：20～23