建筑结构防火涂料研究

2021-09-01陈娜臧家伟陈景阳潘崇根何静姿虞晓磊

江苏建材 2021年4期

陈娜，臧家伟，陈景阳，潘崇根，何静姿，虞晓磊

（1.武汉大学水利水电学院，湖北武汉430000；2.浙大宁波理工学院，浙江宁波 315100；3.浙江亚厦装饰股份有限公司，浙江杭州 310008）

0 引言

在城市人口不断增长和商品住宅高层化趋势下，火灾隐患与破坏性不断增长，成为建筑工程重要灾害之一。火灾除了对人体的直接伤害外，还会导致建筑结构力学性能的快速劣化，由此产生的结构破坏甚至有可能导致更严重的次生灾害。火灾的产生与建筑空间设计、日常消防管理等因素有关，建筑材料的防火、阻燃效果也对其有重要影响。

1 防火涂料的防火原理

燃烧反应的进行必须满足可燃物、氧气和热源这三个条件同时成立并且三者之间相互接触[1]。因此，如果要中断燃烧，就需要阻断任意两者之间的接触。在实际应用中，隔绝可燃物与氧气的接触是最直接且简便的方法，防火涂料就是利用这一原理而设计的，其阻燃原理总结如下：

（1）涂料本身不易燃，隔绝基材和助燃剂，延缓物体燃烧或因高温性能劣化的速度。

（2）涂料的导热系数较低，可以减缓热量从热源向基材的传递。

（3）涂料在高温下分解出惰性气体，稀释助燃剂浓度。

（4）添加了防火阻燃化学元素的各种防火阻燃涂料，受热后固体可迅速分解生成氮、氧、氨等基团，与有机基和游离基循环化合，使一系列的连锁反应中断。

（5）涂料通过一系列物理化学变化在基材表面生成保护层，隔绝氧气以及减缓热量传递。

2 防火涂料的分类

防火涂料可根据其防火原理、分散介质、基料种类、保护基材等多种角度进行分类，见图1。

图1 防火涂料的分类

2.1 非膨胀型防火涂料

非膨胀型防火涂料由不燃性基料、无机填料和阻燃剂组成，其中无机盐体系[2]占主流。这种涂料的体积在一定程度上不会使基料产生明显膨胀，基料在高温条件下会随之发生一系列的物理和化学反应，吸收大量的热，分解产生的难燃型气体能够稀释助燃气体，同时未分解的材料熔融后会在基材的表面形成无机釉状保护层，减缓热量、氧气和燃烧反应产生的烟尘从底层向大气传递的速率，并且因为发生的化学反应较少，避免了大量的烟尘产生。非膨胀型涂料厚度约为25 mm，根据厚度分类属于厚型防火涂料。厚型防火涂料的应用十分广泛，其中包括水泥基厚型防火涂料，因其价格成本低廉而广受欢迎。

非膨胀型涂料的耐火极限高、热导率低，因此在防火要求较高的场所具有较大优势和使用价值。但其涂层厚度较大，一般在25 mm左右，故涂层重量对建筑结构的负担相对较大，易导致脱落等病害，对涂料与基材之间的粘结能力也提出了更高的要求，此外，定期维护也增加了施工成本，亟需降低涂层厚度，减轻自重。

2.2 膨胀型防火涂料

膨胀型防火涂料的主要结构成分有四种:成膜物、酸源、碳源、发泡剂和填充材料。常见的阻燃结构体系是由聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇共同组成的P-N-C的阻燃结构体系。膨胀型防火涂料在高温作用下，酸源受热分解成酸，酸性使得碳源经过脱水后炭化，发生一定程度上的酯化反应，形成残炭物。残炭是构成气体泡沫层的重要组成部分，发泡剂经过分解后产生不可燃性气体。气体骨架一起上升，形成均匀致密的多孔气体泡沫结构[3-4]，比膜层厚几十倍。碳化过程中会吸收大量热量，发泡剂分解后会产生不可燃性的气体，泡沫层会隔绝氧气和热量，这些特点都有利于延缓火灾蔓延。

膨胀炭层的形成对燃烧反应的阻碍分为以下几步：首先，膨胀炭层本身难燃，炭层在基材表面形成了一道隔热层，有效延缓了燃烧及热量在结构层的传递；其次，膨胀炭层既阻挡了内部燃烧反应产生的烟尘向外部扩散，又隔绝了外界空气与基材的接触，从而使燃烧反应缺少氧气而中断；最后，碳源在成炭反应过程中生成少量水，水分蒸发吸收热量，也能够在一定程度上阻碍燃烧反应的进行。

膨胀型防火涂料的基层厚度小于3 mm，属于超薄型防火涂料，具有流平性好、表干快、施工简单、单位面积质量小、装饰性好等优点，但普通溶剂型树脂基材易挥发，造成环境污染。而且这种膨胀型防火涂料主要依赖于其生产配方中涂料所含的有机元素组成及其成分发生的一系列物理化学变化，任何一个环节被阻断或是妨碍都会直接影响最终的防火涂料性能，所以膨胀型防火涂料必须具有优异的抗冲击性能和抗裂性能，才能够保证其防火阻燃性能的稳定发挥。而目前P-N-C体系膨胀型防火涂料耐高温性、耐老化性及耐水性都不理想，容易在外界环境因素作用下发生性能劣化甚至失效，这对于防火涂料来说是致命的。现在广泛应用的水性苯丙、纯甲基乙烯涂料虽然其附着性强、耐寒性和防腐蚀保光性较好，但仍然具有耐热差、难以产生胶结、低温时易脆化、透气差等许多不足之处。

3 膨胀型防火涂料的组成

3.1 成膜物

成膜物是涂料的基本组分。成膜材料常用易分解的高分子材料，通过其粘结性整合各组分，使各组分之间能够协同作用。成膜物质需要具有较好的粘结作用、抗电解质性能、环保性、耐水性、耐酸碱腐蚀及与涂料阻燃体系的膨胀和碳化相匹配等性能。主要分类如下：

（1）水性高分子树脂乳液。这类成膜树脂常用于水性涂料，因其具有较好的拼合性能、相容性与亲水性，且施工方便、绿色无毒，是未来发展方向。

（2）溶剂型涂层的成膜树脂主要分为三类。第一类是含氮类的树脂，这种成膜树脂因其本身具有良好的耐化学、抗水和耐腐蚀等性能而被广泛采用。第二类是含大量卤素的树脂，但是这类成膜物质含有卤素元素，在高温下分解产生的氢卤酸有毒性，可能会污染周边环境。第三类主要有酚醛树脂、环氧树脂、醇酸树脂等，这类成膜物来源充足，价格低廉，应用广泛。除此之外，这类成膜物易于在高温下生成致密均匀的海绵状或蜂窝炭层，具备较好的阻燃功能。

（3）除了使用上述单一基体树脂以外，也可以混用两种以上的基体树脂，在一定配比下提高其阻燃性能。

3.2 防火助剂

（1）脱水成碳催化剂

脱水成碳催化剂能够在碳源的分解温度以下分解生成磷酸，磷酸使碳源脱水，形成不可燃的三维碳层，还能与发泡剂产生的惰性气体协同组成泡沫层，同时脱水成碳催化剂本身也具有一定的阻燃效果。

（2）成碳剂

成碳剂的作用是提供碳来构成支撑骨架。成碳剂中的碳含量和羟值数目直接决定了成碳的效果，而且碳含量对成碳反应的速率有影响，而羟值则会影响成碳剂的脱水速率及发泡的效果。在实际应用中，通常采用聚磷酸铵脱水催化剂搭配季戊四醇等多元醇炭化剂。

（3）发泡剂

发泡剂在空气中产生的不可燃性气体，使涂层表面变成了海绵炭层，海绵炭层具有隔绝热量和气体的作用。发泡剂的分解温度十分重要，如果发泡剂的分解温度远超过脱水催化剂的分解温度，气体可能会在碳骨架形成前迅速溢出，涂层因此无法进行膨胀或者发泡。

（4）填料和颜料

颜填料是防火涂料重要组成部分，除了让防火涂料显色外，还能够增强涂料在防火、耐腐蚀、耐候性、抗氧化性等方面的性能。在防火涂料中添加少量颜填料能够在燃烧后期使涂料膨胀量进一步增加，使泡沫炭化层更加致密，从而提高涂层的防火性能。但过高的添加量会降低涂层的发泡效果、减弱成膜物质的粘合作用。常见的填料主要有氢氧化铝、氢氧化镁、二氧化硅、空气玻璃珠等。常用涂料有海泡石、膨胀锆石、石棉、硅藻土等。常用的着色颜料有氧化锌、铁红、铁黄等。除了改善涂料的某些性能外，颜填料还需具有良好的覆盖性、耐光性和耐高温性。

4 防火涂料抑烟剂

一般来说，减少材料生烟量的有效途径有两种：一是添加先进抑烟剂，通过控制燃烧过程中的化学反应来降低材料的生烟量；二是采用自身不易生烟的材料。除了传统抑烟剂外，多种新型的高性能抑烟剂也逐步得到研究与应用。

钼系化合物已在防火涂料中得到广泛应用，主要包括氧化钼、钼酸钙、钼酸铵。钼化合物在应用中通常与其他抑烟剂复配，如硼酸锌和三氧化二锑，以发挥更好的协同作用。钼化合物主要是在一定程度上促进分子间的交联和多孔碳层的快速形成，减少可燃物质的生成，从而达到抑烟目的。相关研究表明，氧化钼的抑烟效果在燃烧过程中不受材料内部氧化介质的影响，大部分钼会残留在蜂窝炭层中。钼化合物的具体抑烟机理有待进一步研究。二茂铁作为最新的抑烟剂，具有优异的抑烟性能。二茂铁不仅能在气相中抑烟，在固相中也能抑烟，其效果主要取决于涂料中是否含有卤素元素。二茂铁可以将聚合物中的分解产物转化为一氧化碳，从而抑制烟雾的产生。

硼酸锌是一种应用较为普遍的抑烟剂，在涂料、塑料和电缆等多个领域发挥巨大作用。硼酸锌的抑烟作用主要通过以下三个方面体现：首先，硼酸锌在树脂类体系中能够与其他相适应性抑烟剂复配而获得优良性能；其次，硼酸锌在燃烧过程中会吸收热量，发生脱水反应，若是使用于膨胀型防火涂料中，则会与酸性物质发生酯化反应，能够促进多孔蜂窝状炭层的快速成型；而且硼酸锌能够改善涂料中部分组分自身的熔滴现象，有效防止二次火灾的发生。硼酚醛防火涂料的产烟量极少，一氧化碳的生成量及烟气毒性均处于相对较低水平，在有机树脂中掺杂硅组分还能改善材料自身的热稳定性。