防火涂料的發展前景及方向分析探討

梁清泉 河南商丘市公安消防支隊 476005

防火涂料的發展前景及方向分析探討

梁清泉 河南商丘市公安消防支隊 476005

本文從阻燃劑、防火涂料、阻燃機理、評估方法等角度對防火涂料的發展前景和方向進行了分析探討。

防火涂料；研究方向

21世紀，隨著鋼材、混凝土材料、聚合物材料在建（構）筑物、動力工業以及石油化工企業的廣泛使用，引入新的防火保護技術和產品，提高防火功能，杜絕惡性火災事故已經成為未來發展的必然趨勢。為了提高被保護基材的耐燃性，減緩結構材料強度下降、阻止聚合物材料被引燃及抑制火焰傳播，最有效的防火保護方法之一是對基材施涂防火涂料。防火涂料的理論研究、產品開發、工程設計、施工管理以及現行國家標準不斷充實和快速發展受到注目。本文對防火涂料的發展前景和方向進行了分析探討。

1 阻燃劑研究

防火涂料研究與阻燃劑密切相關，阻燃劑的選擇對防火涂料的性能起關鍵作用。目前阻燃劑發展的主要趨勢有：

（1） 無鹵化趨勢

鹵素阻燃劑因用量少、阻燃效率高且適應性廣，已發展成為阻燃劑市場的主流產品。但鹵素阻燃劑的嚴重缺點是燃燒時生成大量的煙和有毒且具腐蝕性的氣體，可導致單純由火所不能引起的電路系統開關和其他金屬物件的腐蝕及對人體呼吸道和其他器官的危害。取代鹵素阻燃劑，開發無鹵阻燃劑已成為世界阻燃領域的趨勢。

無機阻燃劑及以磷基為主的無機阻燃劑成為無鹵阻燃劑開發的主要趨勢。無機阻燃劑（Al(OH)3、Mg(OH)2等）來源豐富、價格低廉，但其阻燃效果較差，添加量大，對制品的性能影響較大，因而國內外努力向超細化、微膠囊化、表面處理、協同增效復合化方面進行技術開發。如美國的Zerogen、Halfree、Hydrax、Magnifin系列等；以磷基為主的無機阻燃劑主要為紅磷及膨脹型阻燃劑，紅磷阻燃效率高、用量少、適用面較廣、與鹵－銻體系相比發煙量較小，毒性較低，但其存在吸潮、易著色、易爆炸等缺點，需進行穩定化處理——形成微膠囊化紅磷。如英國的AMGARD CPC、AMGARD CRP系列，日本的RINKA系列；膨脹型阻燃劑由于具有在燃燒過程中發煙量少、無有毒氣體產生，被認為是實現無鹵化很有希望的途徑之一，美國、意大利等國已商品化，如美國的Exolit IFR系列、PHOS－CHEK P/40、CN－329、CN－1197，意大利的 Spinflam MF82等。

（2）抑煙化、減少有害氣體趨勢

火災中發生的死亡事故，80%是由于建筑構件、裝飾材料等物品熱解和燃燒所釋放的煙和有毒氣體窒息造成的，此外，煙能降低可見度，使人們迷失方向，妨礙人們逃離現場，而毒氣刺激人的呼吸系統，使人中毒，失去知覺，同樣影響人們脫離火區。因而研究如何合理地選擇阻燃劑和阻燃體系，并降低材料燃燒時的煙量及有毒氣體量，是阻燃領域中的重點研究課題之一。目前常采用加入抑煙劑使材料的生煙量降低，抑煙劑以金屬氧化物、過渡金屬氧化物為主。如美國的Firebrake硼酸鋅系列、XP系列，Moly FR鉬酸鹽系列，含錫及其他元素的Flamtard H和Flamtard S等。此外，某些無機填料（Al(OH)3、Mg(OH)2等）同時具有阻燃抑煙的功效，膨脹型阻燃劑的多孔炭層也具有阻燃和抑煙的雙重作用。

（3）新型鹵素阻燃劑的發展趨勢

盡管鹵素阻燃劑存在缺點，但由于其阻燃效率高，價格可被用戶接受，特別是溴系阻燃劑在阻燃領域內舉足輕重的地位，而且目前找不到能取代它的適用的阻燃體系，完全取代它不很容易。目前乃至今后的發展趨勢是提高分子量，改進分子結構，添加防滴落助劑，提高耐熱性、耐噴霜性、加工性和衛生安全性，同時尋找多溴二苯醚的代用品也將受到重視。如芳香族溴系阻燃劑FR－1808，三溴聚苯乙烯系列、丙烯酸五溴卞酯、三溴苯基順丁烯二胺、溴代環氧樹脂、四溴雙酚A低聚物、聚二溴苯醚、乙撐雙五溴苯系列等。

2 防火涂料研究

2.1 基料研究

（1）開發具有較好耐水、耐候、耐酸、耐堿、耐磨性能、價格適宜的基料。如開發改性脲醛樹脂防火涂料，解決殘留甲醛量將有市場；如能很好地解決水玻璃防火涂料的耐水性，其應用前景可觀。

（2）通過樹脂的拼合改性來完善防火涂料的防火性能和各種理化性能。如A60—KG新型氨基膨脹型防火涂料就是采用酚醛樹脂等混合樹脂拼合改性；LG鋼結構防火隔熱涂料則是選用不同品種和規格的液體硅酸鹽，并配以某種有機樹脂和化學助劑改性處理而配制的無機黏結劑。

（3）解決無機黏結劑的高溫改性以及提高液體硅酸鹽防火涂料耐水和耐老化性能不足的問題。①用做面層的酸性水玻璃涂料對水玻璃進行改進，用酸性水玻璃成膜，必要時，使用固化劑，形成非堿性固化涂層；②添加固化劑、表面疏水處理的堿性水玻璃涂料面層直接選用水玻璃，加入一定量的固化劑，添加甲基硅烷醇酸鈉等，使涂層表面具有疏水性，產生一種新型涂層；③采用有機乳液與水玻璃相配合的涂料體系，形成耐水性好、裝飾性能好的涂層，可用在一些鋼網架裝飾性的建筑部位。

（4）采用先進的聚合技術，合成多種不同單體組成的聚合物，改善聚合物的性能，可進一步提高防火涂料綜合性能。如通過聚合改性調節聚合物玻璃化溫度，可使產品既具有一定的硬度、耐污染性、又易于施工；另外通過定向聚合、輻射聚合、互穿網絡聚合等制得聚合物乳液，可改進涂料的黏結性能。

2.2 阻燃體系研究

（1）開發多效、高效、低水溶性的脫水成炭催化劑和發泡劑

磷酸鹽、三聚氰胺、季戊四醇組成的膨脹復合體系是防火涂料最常使用的阻燃體系。但該膨脹復合體系對涂料阻燃處理有以下不足之處：①用量較大，影響涂料的理化性能；②熱穩定性較差；③水溶性好，耐老化性能差；④會對基材產生腐蝕作用。因此，多效、高效、低水溶性的脫水成炭催化劑及發泡劑的開發研究，成為膨脹型防火涂料研究和發展的技術關鍵。多聚磷酸銨的研制成功，大力促進了膨脹型防火涂料的發展，而三聚氰胺磷酸鹽則把磷酸脫水催化和三聚氰胺發泡兩者的作用結合起來，且水溶性更低。目前三聚氰胺磷酸鹽的水溶性、熱穩定性、阻燃性、與聚磷酸銨組合使用的阻燃效果、與氫氧化鋁的協同作用，以及使用在膨脹型防火涂料中的應用研究受到廣泛重視。如以三聚氰胺磷酸鹽作為阻燃劑的防火涂料用于裸露鋼的底漆、海底設施，顯示出更大的優越性。

（2）打破傳統的膨脹體系模式，尋求高性能的自膨脹原料或樹脂

自膨脹單體是70年代出現的新型膨脹劑，可作為膨脹型防火涂料中唯一的防火組分。如氨基苯磺酸鹽、氨磺酰對苯胺及其他類似的有機物，均可作為自膨脹單體。這種集催化、成炭、發泡于一身的高效阻燃體系可與常用裝飾性清漆結合，制備出使用壽命長的透明防火涂料。

（3）多種阻燃劑協同作用，合理搭配

多種阻燃劑協同作用，合理搭配是將現有較好的阻燃劑進行復配，達到降低阻燃劑用量的目的。這不僅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損失減到最低程度。

（4）采用納米技術和填料表面處理技術

可采用納米技術生產防火填料或超細阻燃劑。由于其粒徑小，分散性能好，能顯著地提高涂料的阻燃消煙效果，并能節省阻燃劑用量，改善涂層物理機械性能。用表面處理技術對填料進行表面處理可有效地改善填料沉降性和阻燃消煙性。如用偶聯劑處理的水合氧化鋁作為填料加入防火涂料中，可有效地改善填料物理性能，提高涂料穩定性，減少填料用量。

2.3 防火涂料研究

（1）發展環保型防火涂料。目前保護環境、節約能源的呼聲越來越高，防火涂料也隨著整個涂料工業向節能、低污染、高性能方向發展。水性涂料由于無毒安全、節約資源、保護環境，成為建筑涂料發展的主要方向，也將是涂料品種變革的最終歸宿。水性膨脹型防火涂料將成為防火涂料的主要發展方向，同時應著眼于進一步提高涂層的耐水性、防火性及裝飾性。

（2）開發無機防火涂料。無機防火涂料節能源、省資源，無環境和健康的不良影響，屬于“綠色建材”，符合涂料工業水性化、功能化和人類發展的大趨勢。從涂料性能上來說，無機防火涂料不燃，耐高溫，在高溫作用下不會產生有害氣體，其固有性能比之有機防火涂料更適合于作防火隔熱用途。其涂膜的某些物理性能和裝飾效果雖然不盡如人意，但通過拼用適量的合成樹脂乳液或通過采取其他技術措施可以改善。目前所用的無機基料如硅溶膠和水溶性硅酸鹽等，其生產技術較易掌握且質量易于控制，原材料來源也更為豐富。特別是我國研制、生產和應用無機防火涂料的時間較長，且一直在進行品種開發和性能提高方面的深化研究，沒有認識和市場的阻力。因此，無機防火涂料作為重要的防火措施，其技術、經濟優勢自不待言，在國內外防火涂料研究中越來越受到重視，是防火涂料發展的重要方向之一。如E60－1l膨脹型無機防火涂料，防火性能和理化性能均達到一級；利用梯次發泡原理制得的硅酸鹽膨脹防火涂料，采用無機低溫發泡層和高溫發泡層的復合泡層，解決了火災中鋼結構前期升溫快和后期涂層熔滴問題，綜合性能良好。

（3）膨脹型和非膨脹型防火涂料相結合。配方中既含有膨脹型組分，又含有較多耐火填料組分，還加入高熔點的無機纖維等，使涂層在高溫火焰作用下形成低膨脹率的高強度碳化層，確保膨脹涂層長時間耐火隔熱而不脫落。如LB鋼結構膨脹型防火涂料就采用無機和有機復合黏結劑，在P—C—N膨脹防火體系中加入新型耐火絕熱材料，起到“晶核”和“鋼筋”的作用。

（4）研制新型鋼結構防火涂料。①鋼結構防火涂料正在向涂層超薄、裝飾性強、施工方便、防火性能高、應用范圍廣的趨勢發展。尤其是加強室外超薄膨脹型鋼結構防火涂料的研究，以取得耐火極限理想，耐候、耐老化、裝飾品性好，既可用于室內，也可用于室外的超薄膨脹型鋼結構防火涂料。其物理性能提高可從開發優異的合成樹脂、合成橡膠著手，采用多種功能樹脂共混或共聚改性。如高氯化樹脂和氟樹脂共混、有機硅共聚改性丙烯酸樹脂等，通過選用耐候性極好的樹脂基料，配以高效防火阻燃劑，提高防火涂料的耐候性和阻燃性能。②研究開發環保型鋼結構防火涂料，特別是發展水性防火涂料，盡量減少或避免因生產、施工和燃燒造成的環境污染和人身危害。采用水性樹脂基料如水性聚氨酯樹脂或丙烯酸樹脂乳液，在防火涂料體系中添加高效抑煙劑或采用非鹵化的阻燃體系，如硅橡膠、氧化硅等，在阻燃過程中提供硅碳結構等，有利于開發環保型鋼結構防火涂料。③打破傳統的配方體系，研究開發出性能更加優異的鋼結構防火涂料新品種。如采用納米技術，開發超細阻燃體系，縮短涂料的研磨和分散時間，提高涂膜的物理機械性能；采用阻燃劑微膠囊化技術，研究具有高裝飾效果的鋼結構防火涂料清漆；采用分子裁剪和組裝的方法，設計兼有膨脹、阻燃和成膜性能好的多功能樹脂，配制透明鋼結構防火涂料等；采用在防火涂料體系中添加特種磷化劑，研制“就地”磷化的鋼結構防火涂料，可不需對鋼結構進行磷化處理和涂刷防銹底漆，不僅節約施工成本，而且可以避免出現防火涂料與防銹底漆的涂層間附著力差而影響防火性能等問題。④尋找統一衡量防火涂料耐候性能的方法，鋼結構防火涂料耐候性問題直接影響整個建筑結構的使用壽命，這是鋼結構涂裝行業迫切需解決的課題。目前，最活躍的領域是含氟樹脂和有機硅改性樹脂的研究，有機硅改性丙烯酸樹脂能大大提高防火涂料的耐候性、耐腐蝕性，是今后超薄型防火涂料室外應用、超耐候性涂料的重要方向。

（5）在古建筑、文物保護以及高檔家具等方面，為保持裝飾物的原貌，又起到防火與裝飾作用，膨脹型透明防火涂料獨樹一幟，今后將越來越受到青睞。透明防火涂料研制的難點在于成膜樹脂的理化性能和使用壽命，以及高效、用量少、性能穩定的阻燃體系，將阻燃體系與成膜樹脂結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體系的脫水催化劑；含發泡劑組分的改性氨基樹脂用做成膜樹脂可減少阻燃劑用量；將阻燃劑接枝在成膜樹脂上可提高防火涂料的使用壽命。此外，隨著環境保護要求越來越高，水性透明防火涂料的研制將成為未來的發展方向。

（6）多功能性防火涂料。隨著人類文化和生活水準的提高，對于鋼結構防火涂料除了要求具有防火保護作用和精美的裝飾性外，還需具有某些特殊功能，形成了涂料多功能化的新概念。同時，作為涂料研究基礎的高分子科學、化學、生物學等的交叉進步，進一步推動了涂料科學的發展，兼具絕熱性、隔熱性、消(吸)音性、防輻射、防紫外照射、防腐蝕性、防水性、絕緣性等的防火涂料越來越受重視。研究開發出功能復合化的鋼結構防火涂料以及能賦予涂料特殊功能的樹脂和添加劑的研究是當今一大課題。

（7）色彩防火涂料、粉末涂料、彈性防火涂料。涂料的裝飾性、功能性、耐久性以及個性化成為近年來建筑涂料研究的熱點。色彩防火涂料能夠豐富防火涂料外觀裝飾性能，增大選擇顏色品種，尤其是室內鋼結構防火涂料對涂料色彩的要求越來越高，精美的裝飾外觀已成為室內鋼結構涂裝的新課題；粉末涂料作為一種新型的建筑涂料發展迅速，由于無溶劑污染，100%成膜，能耗較水性涂料和固體分涂料低，涂膜具有優良機械性能和耐腐蝕性能，成為建筑涂料發展的方向之一，兼具有防腐蝕性和耐候性的室內外鋼結構粉末防火涂料的研究已得到國外人士的重視；彈性防火涂料具有一定柔軟性或伸縮性，對于防撞擊，防彎曲等具有決定性作用，可廣泛應用于高層建筑、震動較強的地帶建筑物中。在實際應用中，可有效延長其使用壽命，增強涂層抵抗震擊能力。如開發具有良好防火性能復層彈性涂料，雙組分聚氨酯彈性涂料，彈性氯乙烯樹脂涂料等迫在眉睫。

（8）在研究開發防火涂料時，既要重視防火性能、理化性能和使用性能的研究，還要改進提高生產工藝技術水平，保證產品質量，做到安全高效。如鋼結構防火涂料生產工藝國內長期以來加工生產設備簡單，隨著科技進步，采用高自動化水平的涂料生產工藝，電腦現代化控制生產流程，實現液體輸送管道化和固體物料自動輸送及自動控制計量等，可從一定程度上改善產品質量及提高生產率。

（9）要對各類防火涂料的施工應用性能做深入研究，包括防火涂料對基材的黏結性能、對防銹漆的選擇與配套性和涂層的使用壽命等，特別是對膨脹型防火涂料的使用壽命，要給予足夠重視，進行科學研究和評價，為用戶提出使用年限的技術依據。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.04.019

梁清泉，男，1969出生，河南商丘市人，學士學位，商丘市公安消防支隊高級工程師，主要從事消防監督管理、火災調查等工作。