建筑用防火涂料油漆的机理及应用研究

辛宇，杜泓翰

(1.哈尔滨工业大学 管理学院，黑龙江 哈尔滨 150006；2.内蒙古交通职业技术学院 建筑工程系，内蒙古 赤峰 024005；3.哈尔滨工业大学 化工与化学学院，黑龙江 哈尔滨 150006)

众所周知，发生在美国纽约的911恐怖事件造成了极其严重的后果，世界贸易中心一号楼和二号楼遭受剧烈冲击后燃烧数小时后轰然倒塌，数千人失去了生命。之后几年中，世界各地的研究人员对世贸双子塔进行了一系列的耐火性、力学结构特性性能模拟，得出了优异的防火涂料油漆是高层建筑在火灾中最大程度减少损失的关键。防火涂料油漆是可以均匀覆盖在建筑物表面的油漆材料，可明显抵抗或消除设施基材在火灾危害中的高温损毁现象[1]。目前防火涂料油漆被利用于人类社会生活中的方方面面，比如高层建筑的钢结构防护层，公路交通枢纽及海洋隧道，高用电量的大型工厂，以及人类信息生活基础的电/光缆材质表面上等领域。并且伴随人们对高质量生活的需求，小型物质的精细化标准也在逐步提升，室内家具以及各材质墙体都要在其表面覆盖一层优异性能的防火涂料油漆，需要同时满足装饰美观和火情低损失的要求。近20年来，我国科学家也对防火涂料油漆材料进行了深入的物化性能机理研究，主要包括其阻燃性和耐蚀性，根据不同需求品种与质量也在完善，其发展动力充盈[2-3]。

1 防火涂料油漆的机理研究

建筑物的燃烧过程是墙皮易燃物与氧化物或者氧气产生大量热的剧烈化学过程，伴随有燃烧、产生浓烟、发光等现象，通常建筑物燃烧需要有以下几个要素，包括易燃物、促燃剂和高能量热源。因此，建筑物的防火目的可以通过抑制上述三要素之一来实现。防火涂料油漆的阻燃机理主要有相态转变阻燃机理以及伸缩性阻燃机理。通常，阻燃机理可分为以下几个过程[4]：①采用不可燃烧的防火涂料油漆，可直接覆盖在基底层上，起到隔绝热量并延缓内部的温升的作用；②绝大多数的防火涂料油漆中的某些组分在热量的作用下会发生分解作用，释放出大量惰性不易燃气体或者水蒸气，可起到冲散空气热量、稀释大气含氧量，抑制易燃物燃烧的功能，其本质是防火涂料油漆中的含氮、磷元素物质分解产生超活性基团，这些活性基团聚集形成的细微粒子可抑制易燃物自由基的链式连锁反应过程；③防火涂料油漆在高热量环境中会发生膨胀现象，形成致密隔焰层，延缓热传递过程，有效保护内部器件。分别对防火涂料油漆阻燃过程中的步骤2和步骤3中的机理问题进行表述。

1.1 相态转变阻燃机理

相态转变阻燃机理主要使用非膨胀型防火涂料。在20世纪末期，市面上主要的防火涂料油漆均为非膨胀型涂料材料[5]，该类型材料的阻燃过程主要分为固-气相转变阻燃机理和凝固态阻燃机理。

固-气相转变阻燃机理的原理是采用隔热类的无机材料和增强类的无机纤维材料等在热分解过程中释放出大量的水蒸气和细微粒子而起到吸收热量并升高燃点的作用，其中涉及了无机固态无机材料向气态水气的相转变现象；涂料中大部分物质之间也可以相互反应，产生二氧化碳等阻燃性气体，可快速降低环境中的氧浓度，起到保护建筑物基材并隔绝氧气的作用[6]，并且该固-气反应可吸收大量的热量，起到了十分优异的隔绝热量的作用。目前市面上的非膨胀涂料油漆在燃烧后可形成一层由无机物构成的陶瓷热屏蔽聚合物，其也可有效地抑制热量的扩散。同时在一定范围内，防火涂料油漆的厚度也和防火性之间呈现正比线性关系。

防火涂料油漆凝聚相阻燃机理是高聚物凝聚相能够有效抑制材质的热分解过程从而起到阻燃作用。其中使用最为广泛的是含磷酸类的化合物，该类物质能提升高聚物材质的脱水-酯化-炭化反应，可有效改变热分解路径，从根源上降低了可燃性物质热量的二次释放量，起到阻燃的作用。

1.2 伸缩性阻燃机理

伸缩性阻燃机理主要包括膨胀性阻燃过程。其阻燃过程包括以下四个阶段：①膨胀性阻燃剂在靠近热源后吸热热量产生分解，有效降低了聚合物的升温速率；②聚磷酸铵等膨胀物质以脱水的方式促进发生酯化-炭化反应，可抑制聚合物的热分解过程，从而达到阻燃的目的；③无机材质可大幅度提升热分解所需要的时间，起到延缓分解速率的作用；④膨胀作用产生的多孔层能够有效隔绝氧气等可燃性气体的进入，起到隔离可燃性气体的作用，从源头上阻止了燃烧过程的发生。

绝大多数的建筑物采用的是钢材质结构[7]，在建设建筑物的后期会在其基体上为其涂抹防火涂料油漆，涂抹的防火涂料油漆主要包括以下两种。即超薄型钢材质的防火涂料油漆和通用的防火涂料油漆。通用的防火涂料油漆可显著改善大多数钢材质的表面物化特性，在建筑物发生燃烧后可在钢材质表面产生疏水防火层，对钢材质建筑起到了较好的隔热防火作用。超薄型钢材质的防火涂料油漆由基料、膨胀物、填料组成，其中基料是一种可将涂料中的所有组分黏合在一起的一类物质，同时起到防火碳源的作用；膨胀物质分为酸性膨胀源和气体膨胀源，可适用于不同的防火场所与场景；填料助剂是整体膨胀反应的催化剂，起到促进碳源的分解炭化作用。目前防火涂料油漆体中，通常基料物质由混合树脂组成，其防火性能显著优于单一树脂基料制备的防火涂料油漆。据相关研究报道，当选择混合型丙烯酸树脂为防火涂料油漆的基料时，所制备的防火涂料成膜性好，光滑性较高，而单一使用氨基树脂为基料的涂料表面粗糙且成膜性较差，所以防火涂料油漆中使用混合型丙烯酸树脂为基料有助于提升涂料的成膜性。但基料如果只添加丙烯酸树脂，会导致涂层发泡效果较低且膜较薄。而氨基树脂涂料发泡效果很好却膜很厚且膨胀后的炭质层致密性非常差，由于黏结力低易导致从基材上脱落下来。综上所述，结合丙烯酸树脂和氨基树脂的双重优势，使用丙烯酸树脂和氨基树脂的混合物作为涂料基料，既能有优异的涂料均一性又有出色的防火性能。

普通钢材质建筑的防火涂料油漆具有较厚的防火层，其主要工作机理是防火涂料油漆可减缓热传递、阻挡热量向钢结构的传输，而且防火涂料油漆中一些隔热物质可随着温度的升高具有很好的吸热作用。此外，防火涂料油漆的产物能附着于建筑物的钢结构表面，从而隔绝易燃气体，降低火灾给钢结构建筑物带来的危害。但厚型钢结构防火涂料油漆厚度范围为5～50 mm，虽然具有优异的防火性能却较为昂贵，不利于商业化发展。薄型钢结构的防火涂料油漆具有高粘度和低成本的特点，目前被高层建筑物广泛使用。

超薄型钢材质的防火涂料油漆可满足装饰性的要求，具有显著的社会经济价值。膨胀炭化层是超薄型钢材质的防火涂料油漆的核心材质，能够达到有效保护建筑物的目的，其主要是通过以下几种作用[8]：①隔断热传导和热辐射；②防火涂料油漆的软化、膨胀等物化作用能够吸收大量的热量，从而显著降低建筑基材的表面温度。炭层的形成是由涂料中成膜物质组分与凝聚相组分共同作用完成。通常低温下酸源可催化脱水的酸，与含碳的多元醇进行酯化反应，形成高粘度的酯化聚合物和高质量的蜂窝阻燃炭层，从而可高效减缓外界热量的传递速率，提高基材的耐火时长；③隔绝建筑物基材和氧气的接触，减缓高温对隔绝建筑物基材某些易燃物质的氧化降解速率；④特殊的防火涂料油漆可快速分解释放出惰性气体，可稀释易燃气体的浓度，从而抑制建筑物基材的燃烧。

近些年来，科研人员研发出新型的透明膨胀型阻燃防火涂料油漆[9]。该类油漆采用三聚氰胺改性脲醛树脂和季戊四醇等物质作为成炭剂，磷酸作为水成炭催化剂，并添加了具有燃抑烟性效果的磷酸脒基脲，将其混合均匀后对该涂料进行了各方面性能的研究。研究结果表明该防火涂料贮存稳定性优良且具有良好的理化性能，相比于市场上其它的阻燃涂料板、成膜树脂板等材料，该涂料板的热、烟释放量，火灾性能指数，以及有害气体的释放率均处于最低水平，具有优秀的阻燃抑烟性能。经扫描表征分析，此类防火涂料油漆的表面结构均匀、组分排列规律、阻燃效果目前为市场最佳。

2 建筑防火涂料油漆的应用

2.1 钢材质主架构类防火涂料油漆

用于厚型钢结构的防火涂料油漆也可以被称为H类钢结构防火涂料油漆[10]。该类防火涂料油漆的厚度非常高，整体的密度低，且涂料的相对粘性较高，并具有优异的物理强度。在高温热源的情况下，H类钢结构防火涂料油漆具有不容膨胀、难燃烧等特性，是一类十分优异的防火涂料油漆。其所拥有的吸热优点可有效延缓建筑物的整体升温速率，减少建筑物损伤，通常厚型钢建筑物的表面涂覆有防火涂料油漆时，其耐火时间最久，可达3 h。但是厚型钢结构防火涂料油漆在建造过程中，由于具较高的表面粗糙性，因此不适合进行装饰性等外观工作，仅适用于对承重钢结构的钢材进行保护。薄型钢结构防火涂料油漆又称为B型钢结构，该类防火涂料油漆较薄，最低可达到3 mm，在热源附近会通过膨胀发泡的方式形成具有高耐火性的隔热层，并起到使建筑钢结构材料的温度上升速度得以大幅度降低的作用，其自身的耐火极限可达到0.5～2 h，薄型钢结构防火涂料油漆通常以由聚合物与乳液的混合物为基料，通过与膨胀阻燃剂和颜料等进行配合，达到防火绝热目的。在制备过程中，通过调整乳液剂含量，使其在薄钢结构外表具有优异的附着力。通常，薄型涂料在应用过程中可分为面层装饰用材料和底层材料，其综合作用比起H型涂料更加优质。B型防火涂料油漆在应用过程中，能够对建筑物的主体、楼板以及屋顶等重型钢结构进行综合性的火灾隔热保护，在应用过程中已经被应用于大型工厂、运动馆等诸多钢结构的火灾防护工作中，并可进行有效的装饰，H类与B类钢结构防火涂料油漆的性能比较见表1。

表1 H类与B类钢结构防火涂料油漆性能比较Table 1 Class H and Class B comparison fire-retardant-coating properties

2.2 预应力混凝土防火涂料油漆

在建筑物的建设过程中，大多数的高层建筑物的基础材质通常为钢筋混凝土[11]，所以预应力混凝土防火涂料油漆的应用在社会生活中十分广泛。在一般情况下，该类涂料具有较好的抗裂性和稳定性，且成本相对较低，但是这种材料的耐火性并不十分优异，容易出现坍塌现象。所以需要按照国家要求的各项法律深入贯彻于实际施工的各个环节中。

2.3 饰面类防火涂料油漆

饰面类防火涂料油漆与其他防火涂料油漆相比，具有十分优异的防火功能和装饰功能[12]。它在高档建筑工程中得到了广泛的应用，其在建筑材料表面兼具良好的防火效果和装饰作用。据研究报道，过去饰面类防火涂料油漆通常都是由硅酸盐水玻璃制备而成，近些年来，又推出了氯化橡胶等多种防火涂料油漆，但是这些防火涂料油漆的防火效果比起硅酸盐水玻璃制备的油漆有一定的差距，仍需科研人员继续深度研究其机理过程。表2将钢材质主架构类防火涂料油漆预应力、混凝土防火涂料油漆、饰面类防火涂料油漆的性能做出对比，以详细区分这三类防火涂料油漆的具体性能。

表2 三种防火涂料油漆性能对比Table 2 Three kinds of fire-retardant-coating performance comparison

水性饰面型的防火涂料油漆是饰面类防火涂料油漆使用最为广泛的一种[13]，因为该类油漆适应环境强，具有可在高湿度和高温环境下使用的优点。施工时使用水性饰面型的防火涂料油漆前，要注意不能出现空鼓、开裂等问题。使用前可加入适量清水进行一定倍数的稀释，将粘度调整到最适合施工环境为宜。最佳的粘度应符合在施工环境中不产生流动的液滴和明显的下坠现象。若对建筑表面进行喷涂等施工工艺时，涂料的整体黏度应比采用印刷工艺的粘度低。此类防火涂料油漆的施工顺序应分次进行，并且每次涂刷作业必须待前一防火涂料油漆表面完全干燥或固化后再进行。目前大面积的防火涂料油漆在施工时以机具喷涂涂装为主、手工为辅的施工工艺，其他情况下均采用刷涂或涂布等工艺进行施工。

3 结束语

防火涂料油漆在建筑物的建造过程中被广泛使用，使用防火涂料油漆时不仅要考虑防火涂料油漆对建筑物结构构件的燃烧性能的影响，还要考虑其对于建筑物构建的耐火限度、承载力等力学性能的影响，所以其机理性问题研究就显得尤为重要。防火涂料油漆的合理使用不仅可以大幅度地提高涂料油漆的防火效果，减少人员的伤亡率，又可降低成本带来巨大的经济收益，展现出众多的应用前景。如前所述，这方面的研究工作机理已有开展，已处于深度研究阶段，但还值得进行更全面和系统的研究。