钢结构超薄型防火涂料研究进展

高 虹，赵春英，张发余

(沈阳理工大学环境与化学工程学院，辽宁沈阳 110159)

钢结构超薄型防火涂料研究进展

高 虹，赵春英，张发余

(沈阳理工大学环境与化学工程学院，辽宁沈阳 110159)

由于钢结构本身所具有的无可比拟的优点，使得国内钢结构建筑大量涌现，从而带动了附属的钢结构防火涂料的快速发展。介绍了国内外超薄型钢结构防火涂料的研究现状，并且展望了超薄型钢结构防火涂料的未来发展方向和前景。

防火涂料;钢结构;现状和发展方向

引 言

目前建筑物的高层化和大跨度的设计需要使得钢结构建筑大量出现，钢材虽在常温下具有优异的物理和力学性能，但其耐火性能远比砖石结构和钢筋混凝土结构差。当钢材达到临界温度(540℃)后，便失去承载能力。而通常在建筑火灾中，10min之内火场的θ即可达到700℃以上。在这样的火场下，只要几分钟裸露钢材的温度就会达到临界值，其承载能力急剧下降，从而导致建筑物坍塌，因此对于钢结构建筑的防火保护显得越来越重要。“9·11事件”后，美国的建筑专家对现场照片资料分析发现，世贸大厦内主要支撑钢梁上涂覆的防火材料己多处剥落，进而认为防火材料的剥落是造成大厦倒塌的主要原因之一。为了满足我国石油化工、油气罐支架及矿山钻井等露天钢结构及一批国家重点工程建筑需要，近年来国内已引进了部分国外高质量的钢结构防火涂料产品，但价格比国内的同类产品高出5倍左右，限制其进一步推广应用。因此，研究开发高性能超薄型钢结构防火涂料并广泛应用显得越来越迫切。

1 钢结构防火涂料的阻火原理和分类

建筑钢结构防火保护的基本原理是采用隔热阻火材料防止燃烧火焰直接灼烧钢结构，降低向底材传递热量的速度，延滞钢结构温升和强度变弱的时间，提高其耐火性能。根据钢结构防火涂料标准(GB14907-2002)钢结构防火涂料是指施涂于建筑物及构筑物钢结构表面，能形成耐火隔热保护层，以提高钢结构耐火极限的防火涂料。国内外钢结构防火涂料主要由基体树脂、催化剂、成碳剂及发泡剂等组成。防火涂料的主要作用原理为:1)有足够厚的防火涂层对底材起到屏蔽作用，使钢结构不直接暴露在大火之中;2)防火涂层吸热分解放出水蒸气或二氧化碳等不燃性气体，起到消耗热能、降低火焰温度、稀释可燃气和氧气含量，最终降低燃烧速度的作用;3)防火涂层本身是多孔轻质材料，或涂层受热膨胀形成炭化泡沫绝热层，其热导率仅在0.2W/(m·K)以内，比钢材热导率52W/(m·K)和混凝土热导率1.7W/(m·K)低许多，从而有效地阻止热量的传递，延长底材受热破坏所需时间，达到提高其耐火极限的目的。

钢结构防火涂料按使用厚度可以分为厚涂型、薄涂型和超薄型［1］。厚涂型防火涂料又称为非膨胀型防火涂料，主要成分为无机绝热材料，遇火不发生膨胀。厚涂型防火涂料的涂层δ为25mm左右，对应耐火极限为2h以上。厚涂型防火涂料的防火机理是利用涂层固有的良好绝热性，以及高温下部分成分蒸发分解产生的吸热作用，阻止并消耗火灾热量向钢材传递，并且在高温下形成一种釉状物，这种釉状物结构致密，能够有效地隔绝氧气并具有反射热量作用。薄涂型防火涂料又称膨胀型防火涂料，涂层δ为2～7mm。薄涂型防火涂料的基料为有机树脂、发泡剂和碳化剂等。当涂层受热达到一定温度时，即可膨胀10～100倍形成海绵碳化层，阻止热量向钢材传导。涂层δ达到7mm的薄涂型防火涂料的耐火极限可以达到1.5h。薄涂型防火涂料的特点是涂层薄、质量轻和抗震性好，具有较好的装饰性。超薄型防火涂料是近年来研究的热点，其使用量已占到全部防火涂料的90%，在15 000t以上［1］。该涂料一般由天然或合成高分子、发泡剂、助发泡剂、炭源及颜填料等组分构成，利用各组分间的协同关系形成完整、致密坚硬的膨胀泡沫层［2-5］。超薄膨胀型钢结构防火涂料的涂层δ不超过3mm，一般使用耐火极限在2h以内的建筑钢结构上。

2 超薄型钢结构防火涂料的研究现状

国内研制钢结构防火涂料始于20世纪80年代初，20世纪90年代以后我国的钢结构防火涂料随着迅速发展起来的露天钢结构建筑物和构筑物而得到快速发展，国内钢结构防火涂料的市场需求每年达到2万t以上。目前已经开发成功并被广泛应用的有LG、LB室内钢结构防火涂料，满足了工业和民用建筑物室内钢结构防火保护要求，由四川消防研究所成功研制的SCB超薄型室外钢结构防火涂料耐火可达1.5h，防火性能达到国内领先水平并得到广泛推广。国内钢结构防火涂料生产厂家主要集中在北京、上海、江苏、山东、辽宁、四川、广东、福建和安徽等省市。目前，国内超薄型钢结构防火涂料的研究及生产单位主要有四川消防研究所、北京航空材料研究所、上海昆山防火材料厂和福建福日特种材料有限公司等。与国外发达国家同类技术相比，我国的防火涂料性能还存在一定的差距［6-8］，而且所研发的防火涂料均为室内型，室外防火涂料研究成果不多，不能满足日益增长的工业和民用建设的需求。国内钢结构防火涂料代表性产品的防火性能与国外产品差距不大，但是国产的超薄型钢结构防火涂料在标准钢梁耐火试验中，其耐火极限达到2h以上者较少，而且试验结果的重复性差，在炭化层的完整性、均匀性和强度等方面还存在明显差别，在特殊部位的防火保护方面也未见相关报道。目前国内的产品开发将更多的注意力放在耐火试验结果上，深层次的研究工作进展缓慢。因此，研制耐候性优良、装饰性好的室外超薄钢结构防火涂料已成当务之急。

国外的钢结构防火涂料的研究早于我国20年，20世纪90年代中期德国市场首先出现了超薄膨胀型钢结构防火涂料。目前在国外超薄型防火涂料已经得到广泛的推广与应用，钢结构薄涂型防火涂料的研究大多数以P-C-N为阻燃体系，采用热固性树脂与热塑性树脂相结合作为基料，加入增塑剂、分散剂等按一定比例配制［9-12］。国外钢结构防火涂料的生产厂家主要分布在英国、美国、德国、加拿大和日本等国家，代表性的产品有英国P20、美国50号、加拿大 A/Dfirefilm、德国 Herberts38320，38091系列和日本FR系列室内外钢结构防火涂料等［13］。国外研究者还研制一种油基新型不燃涂料，该涂料发泡时没有毒气及烟尘产生，具有较好的粘结性能，耐酸、碱及海水腐蚀［14］。

国内外现有超薄型钢结构防火涂料产品普遍存在的问题是耐火极限较厚型涂料低，主要组分为有机材料，因此耐老化、耐久性较差，遇火时可能会释放出毒性气体及烟雾，可用于室外的产品种类不多，影响其进一步推广应用。

3 超薄型钢结构防火涂料的发展趋势

1)开发新型高效的膨胀体系。与传统的化学膨胀型防火涂料相比，可膨胀石墨防火涂料在热降解、阻燃性、耐老化性及耐候性等方面具有突出优点，是一种极具发展潜力的环境友好的膨胀型防火涂料。此外，在可膨胀石墨防火涂料中添加聚磷酸铵和聚氨酯可产生协同阻燃效果［15］。如果能将传统的P-N-C体系与可膨胀石墨有机地结合起来，有望提高涂层的综合性能。

2)改进传统的化学膨胀体系。传统的化学膨胀体系由催化剂、成炭剂和发泡剂组成。催化剂一般是中、低聚合度的聚磷酸铵，成炭剂多为季戊四醇，发泡剂则为三聚氰胺，它们均有一定的吸湿性。其中聚丙烯(APP)的聚合度在200～400时，涂料的耐水性仍较差，保存一段时间后，分散的涂料组分易发生相分离和沉淀，导致稳定性下降［16］。APP聚合度的提高有利于涂层性能的改善。此外，一些新的原料可作为酸源和气源应用，例如磷酸三聚氰胺、焦磷酸三聚氰胺、微胶囊化聚磷酸铵和聚偏磷酸铵，它们不但耐水性较好，有利于提高涂层的耐候性，而且对提高涂层的阻火性有益。

3)开发新型自膨胀树脂。如果防火涂料用树脂本身具有遇火膨胀性，能形成具有良好隔热性能的泡沫层，则可不需或减少专门的膨胀防火组分，有利于提高涂层的综合性能。虽然尚未见到相关报道，但可从无机硅酸盐膨胀型防火涂料的研究中得到启示，探讨防火涂料专用新型含硅树脂研制的可行性。

4)开发防火涂料用多功能树脂。根据膨胀型防火涂料作用机理，如果能开发出除具备涂料用树脂的基本性能外，同时具有提高涂层隔热阻火性能的其它功能的多功能树脂，如除作为基料外，可同时作为成炭剂、发泡剂、催化剂、阻燃剂、炭层增强剂以及炭化层附着力增强剂等，将有利于提高涂层的综合性能［17-19］。例如，聚氨酯分散在基料中作为碳源，同时可改善涂层的耐候性。而高性能高氯化聚乙烯作为钢结构防火涂料用树脂，同时具有粘合剂、阻燃剂和防腐剂的功能。

5)加强膨胀型防火涂料基本理论的研究。现代涂料不仅起到材料的装饰和保护作用，而且赋予材料某种特殊性能。如钢结构防火涂料就能赋予钢材良好的耐火性能，属于真正的高技术材料。长期以来国内对涂料的研究开发主要停留在工艺性层面，基础理论研究偏少，严重影响了涂料技术的进步。膨胀型防火涂料不仅组成复杂，而且性能特征包括发生火灾前和火灾后两个技术层面，较普通涂料更为复杂。影响膨胀型防火涂料防火性能的主要理化因素有:炭质层厚度、结构、导热系数、化学组成及其在火焰冲击作用下的稳定性即炭质层强度等，只有从多方面开展研究工作，才可能得到综合耐火性能好的涂料。

6)采用纳米技术和填料表面处理技术。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，能够显著地提高涂料的阻燃消烟效果，并节省阻燃剂用量，改善涂层的物理机械性能。使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。如将用偶联剂处理的水合氧化铝作为填料加入到防火涂料中，可以有效地改善填料的物理性能，提高涂料的稳定性，减少填料的用量。

7)加强防火涂料生产工艺、设备和施工应用性能研究。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，还要探讨改进生产工艺技术水平，如加料顺序、搅拌时间和强度、颗粒细度和分布范围等对产品质量的影响，必要时还要开发专门性的设备，以提高产品质量的可靠度，保证生产工艺技术安全高效。防火涂料的施工应用性研究包括防火涂料对目标底材的粘结性能、腐蚀性、防锈漆的选择和配套性研究以及使用环境对涂层使用寿命的影响等。通过科学的分析评价，为用户提供可靠的应用技术依据，必要时可对产品性能进行针对性的调控。

总之，只有从超薄型钢结构防火涂料的组成特点、作用机理和性能要求出发，充分利用现代涂料科学相关学科的新成就，通过针对性理论研究，科学设计料配方，合理选择生产工艺条件和设备，加强对涂料的应用性研究，才可能研制出综合性能优良、环境适应性强的新型超薄型钢结构膨胀防火涂料，更好地满足社会对超薄型防火涂料的需求。

［1］时虎，赵华伟，胡源，等.超薄型钢结构防火涂料研究及分析［J］.消防技术与产品信息，2003，(9):64-67.

［2］肖新颜，涂伟萍，杨卓如，等.膨胀型防火涂料的阻燃机理研究［J］.华南理工大学学报(自然科学版)，1998，26(12):77-82.

［3］吕文康，马素琴.膨胀型防火涂料的阻燃机理［J］.涂料工业，1991，(4):1-4.

［4］Camino G，Cocta L.Mechanism of intumescence in fire retardant polymers［J］.Reviews in Inorganic Chemistry，1986，8(1/2):69-100.

［5］范春山，陈功智，黄永勒.钢结构防火涂料中复合泡层结构的研究［J］.涂料工业，1993，(6):9-13.

［6］Duquesne S，Le bras M，Jama C，et al.X-ray photoelectron spectroscopy investigation of fire retarded polymeric materials:application to the study of an intumescent system［J］.Polymer Degradation and Stability，2002，77(2):203-211.

［7］Anna P，Marosi G Y，Csontos L，et al.Influence of modified rheology on the efficiency of intumescent flame retardant systems［J］.Polymer Degradation and Stability，2001，74(3):423-426.

［8］Almeras X，Le Bras M，Hornsby P，et al.Effect of fillers on the fire retardancy of intumescent polypropylene compounds［J］.Polymer Degradation and Stability，2003，82(2):325-331.

［9］Hansvande Weijgert M SC.Protecting Structural Steel［J］.Fire Safety Engineering，2001，(8):16-19.

［10］Ronsmith.Applied Science How Fire Protective Coatings should be Applied to Structural Steel work［J］.Fire Prevention Joumal and Fire Engineering，2002，(10):40-42.

［11］郑洪雷.超薄型钢结构防火涂料概述［J］.安防科技，2009，(1):13-15.

［12］张威振，徐志胜.超薄型钢结构防火涂料的研究及应用现状［J］.钢结构，2005，20(1):24-25.

［13］高强.防火涂料的发展方向及前景分析［J］.消防科学与技术，2004，(23):61-63.

［14］Kin Z.Oil-base noncombustible coating material and production.JP Pat，10298456［P］，1998-11-10.

［15］刘学军，付若愚，郭奋.膨胀型钢结构防火涂料膨胀炭质层的隔热作用［J］.北京化工大学学报，2005，32(1):16-20.

［16］李风.钢结构防火涂料的性能测试方法和配方设计研究［J］.涂料工业，2010，(2):45-48.

［17］马洪涛.钢结构防火涂料现状及其发展趋势［J］.山东建材，2007，(3):37-40.

［18］时虎，赵华伟.超薄型钢结构防火涂料研究及分析［J］.消防技术与产品信息，2003，(9):66-67.

［19］宋君荣，王久芳，张军科.超薄型钢结构防火涂料的研究［J］.石油化工腐蚀与防护，2006，23(6):20-22.

Research Progress of Super Thin Fire Retardant paints for Steel Structure

GAO Hong，ZHAO Chun-ying，ZHANG Fa-yu
(SchoolofEnvironmentand ChemicalEngineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

The steel structures have developed quickly because of their superior advantage.Fire retardant paints attached to the steel structure are also spread widely.The current research situation of fire proofing coatings for steel structure was reviewed，and the development trend and prospect of ultra thin fire proofing coatings for steel structure were put forward.

fire proofing coating;steel structure;current situation and development direction

TQ639

A

1001-3849(2011)08-0034-04

2010-12-14

2011-01-25