建筑結構防火涂料研究

陳娜，臧家偉，陳景陽，潘崇根，何靜姿，虞曉磊

（1.武漢大學水利水電學院，湖北 武漢430000；2.浙大寧波理工學院，浙江 寧波 315100；3.浙江亞廈裝飾股份有限公司，浙江 杭州 310008）

0 引言

在城市人口不斷增長和商品住宅高層化趨勢下，火災隱患與破壞性不斷增長，成為建筑工程重要災害之一。火災除了對人體的直接傷害外，還會導致建筑結構力學性能的快速劣化，由此產生的結構破壞甚至有可能導致更嚴重的次生災害。火災的產生與建筑空間設計、日常消防管理等因素有關，建筑材料的防火、阻燃效果也對其有重要影響。

1 防火涂料的防火原理

燃燒反應的進行必須滿足可燃物、氧氣和熱源這三個條件同時成立并且三者之間相互接觸[1]。因此，如果要中斷燃燒，就需要阻斷任意兩者之間的接觸。在實際應用中，隔絕可燃物與氧氣的接觸是最直接且簡便的方法，防火涂料就是利用這一原理而設計的，其阻燃原理總結如下：

（1）涂料本身不易燃，隔絕基材和助燃劑，延緩物體燃燒或因高溫性能劣化的速度。

（2）涂料的導熱系數較低，可以減緩熱量從熱源向基材的傳遞。

（3）涂料在高溫下分解出惰性氣體，稀釋助燃劑濃度。

（4）添加了防火阻燃化學元素的各種防火阻燃涂料，受熱后固體可迅速分解生成氮、氧、氨等基團，與有機基和游離基循環化合，使一系列的連鎖反應中斷。

（5）涂料通過一系列物理化學變化在基材表面生成保護層，隔絕氧氣以及減緩熱量傳遞。

2 防火涂料的分類

防火涂料可根據其防火原理、分散介質、基料種類、保護基材等多種角度進行分類，見圖1。

圖1 防火涂料的分類

2.1 非膨脹型防火涂料

非膨脹型防火涂料由不燃性基料、無機填料和阻燃劑組成，其中無機鹽體系[2]占主流。這種涂料的體積在一定程度上不會使基料產生明顯膨脹，基料在高溫條件下會隨之發生一系列的物理和化學反應，吸收大量的熱，分解產生的難燃型氣體能夠稀釋助燃氣體，同時未分解的材料熔融后會在基材的表面形成無機釉狀保護層，減緩熱量、氧氣和燃燒反應產生的煙塵從底層向大氣傳遞的速率，并且因為發生的化學反應較少，避免了大量的煙塵產生。非膨脹型涂料厚度約為25 mm，根據厚度分類屬于厚型防火涂料。厚型防火涂料的應用十分廣泛，其中包括水泥基厚型防火涂料，因其價格成本低廉而廣受歡迎。

非膨脹型涂料的耐火極限高、熱導率低，因此在防火要求較高的場所具有較大優勢和使用價值。但其涂層厚度較大，一般在25 mm左右，故涂層重量對建筑結構的負擔相對較大，易導致脫落等病害，對涂料與基材之間的粘結能力也提出了更高的要求，此外，定期維護也增加了施工成本，亟需降低涂層厚度，減輕自重。

2.2 膨脹型防火涂料

膨脹型防火涂料的主要結構成分有四種:成膜物、酸源、碳源、發泡劑和填充材料。常見的阻燃結構體系是由聚磷酸銨、三聚氰胺和季戊四醇共同組成的P-N-C的阻燃結構體系。膨脹型防火涂料在高溫作用下，酸源受熱分解成酸，酸性使得碳源經過脫水后炭化，發生一定程度上的酯化反應，形成殘炭物。殘炭是構成氣體泡沫層的重要組成部分，發泡劑經過分解后產生不可燃性氣體。氣體骨架一起上升，形成均勻致密的多孔氣體泡沫結構[3-4]，比膜層厚幾十倍。碳化過程中會吸收大量熱量，發泡劑分解后會產生不可燃性的氣體，泡沫層會隔絕氧氣和熱量，這些特點都有利于延緩火災蔓延。

膨脹炭層的形成對燃燒反應的阻礙分為以下幾步：首先，膨脹炭層本身難燃，炭層在基材表面形成了一道隔熱層，有效延緩了燃燒及熱量在結構層的傳遞；其次，膨脹炭層既阻擋了內部燃燒反應產生的煙塵向外部擴散，又隔絕了外界空氣與基材的接觸，從而使燃燒反應缺少氧氣而中斷；最后，碳源在成炭反應過程中生成少量水，水分蒸發吸收熱量，也能夠在一定程度上阻礙燃燒反應的進行。

膨脹型防火涂料的基層厚度小于3 mm，屬于超薄型防火涂料，具有流平性好、表干快、施工簡單、單位面積質量小、裝飾性好等優點，但普通溶劑型樹脂基材易揮發，造成環境污染。而且這種膨脹型防火涂料主要依賴于其生產配方中涂料所含的有機元素組成及其成分發生的一系列物理化學變化，任何一個環節被阻斷或是妨礙都會直接影響最終的防火涂料性能，所以膨脹型防火涂料必須具有優異的抗沖擊性能和抗裂性能，才能夠保證其防火阻燃性能的穩定發揮。而目前P-N-C體系膨脹型防火涂料耐高溫性、耐老化性及耐水性都不理想，容易在外界環境因素作用下發生性能劣化甚至失效，這對于防火涂料來說是致命的。現在廣泛應用的水性苯丙、純甲基乙烯涂料雖然其附著性強、耐寒性和防腐蝕保光性較好，但仍然具有耐熱差、難以產生膠結、低溫時易脆化、透氣差等許多不足之處。

3 膨脹型防火涂料的組成

3.1 成膜物

成膜物是涂料的基本組分。成膜材料常用易分解的高分子材料，通過其粘結性整合各組分，使各組分之間能夠協同作用。成膜物質需要具有較好的粘結作用、抗電解質性能、環保性、耐水性、耐酸堿腐蝕及與涂料阻燃體系的膨脹和碳化相匹配等性能。主要分類如下：

（1）水性高分子樹脂乳液。這類成膜樹脂常用于水性涂料，因其具有較好的拼合性能、相容性與親水性，且施工方便、綠色無毒，是未來發展方向。

（2）溶劑型涂層的成膜樹脂主要分為三類。第一類是含氮類的樹脂，這種成膜樹脂因其本身具有良好的耐化學、抗水和耐腐蝕等性能而被廣泛采用。第二類是含大量鹵素的樹脂，但是這類成膜物質含有鹵素元素，在高溫下分解產生的氫鹵酸有毒性，可能會污染周邊環境。第三類主要有酚醛樹脂、環氧樹脂、醇酸樹脂等，這類成膜物來源充足，價格低廉，應用廣泛。除此之外，這類成膜物易于在高溫下生成致密均勻的海綿狀或蜂窩炭層，具備較好的阻燃功能。

（3）除了使用上述單一基體樹脂以外，也可以混用兩種以上的基體樹脂，在一定配比下提高其阻燃性能。

3.2 防火助劑

（1）脫水成碳催化劑

脫水成碳催化劑能夠在碳源的分解溫度以下分解生成磷酸，磷酸使碳源脫水，形成不可燃的三維碳層，還能與發泡劑產生的惰性氣體協同組成泡沫層，同時脫水成碳催化劑本身也具有一定的阻燃效果。

（2）成碳劑

成碳劑的作用是提供碳來構成支撐骨架。成碳劑中的碳含量和羥值數目直接決定了成碳的效果，而且碳含量對成碳反應的速率有影響，而羥值則會影響成碳劑的脫水速率及發泡的效果。在實際應用中，通常采用聚磷酸銨脫水催化劑搭配季戊四醇等多元醇炭化劑。

（3）發泡劑

發泡劑在空氣中產生的不可燃性氣體，使涂層表面變成了海綿炭層，海綿炭層具有隔絕熱量和氣體的作用。發泡劑的分解溫度十分重要，如果發泡劑的分解溫度遠超過脫水催化劑的分解溫度，氣體可能會在碳骨架形成前迅速溢出，涂層因此無法進行膨脹或者發泡。

（4）填料和顏料

顏填料是防火涂料重要組成部分，除了讓防火涂料顯色外，還能夠增強涂料在防火、耐腐蝕、耐候性、抗氧化性等方面的性能。在防火涂料中添加少量顏填料能夠在燃燒后期使涂料膨脹量進一步增加，使泡沫炭化層更加致密，從而提高涂層的防火性能。但過高的添加量會降低涂層的發泡效果、減弱成膜物質的粘合作用。常見的填料主要有氫氧化鋁、氫氧化鎂、二氧化硅、空氣玻璃珠等。常用涂料有海泡石、膨脹鋯石、石棉、硅藻土等。常用的著色顏料有氧化鋅、鐵紅、鐵黃等。除了改善涂料的某些性能外，顏填料還需具有良好的覆蓋性、耐光性和耐高溫性。

4 防火涂料抑煙劑

一般來說，減少材料生煙量的有效途徑有兩種：一是添加先進抑煙劑，通過控制燃燒過程中的化學反應來降低材料的生煙量；二是采用自身不易生煙的材料。除了傳統抑煙劑外，多種新型的高性能抑煙劑也逐步得到研究與應用。

鉬系化合物已在防火涂料中得到廣泛應用，主要包括氧化鉬、鉬酸鈣、鉬酸銨。鉬化合物在應用中通常與其他抑煙劑復配，如硼酸鋅和三氧化二銻，以發揮更好的協同作用。鉬化合物主要是在一定程度上促進分子間的交聯和多孔碳層的快速形成，減少可燃物質的生成，從而達到抑煙目的。相關研究表明，氧化鉬的抑煙效果在燃燒過程中不受材料內部氧化介質的影響，大部分鉬會殘留在蜂窩炭層中。鉬化合物的具體抑煙機理有待進一步研究。二茂鐵作為最新的抑煙劑，具有優異的抑煙性能。二茂鐵不僅能在氣相中抑煙，在固相中也能抑煙，其效果主要取決于涂料中是否含有鹵素元素。二茂鐵可以將聚合物中的分解產物轉化為一氧化碳，從而抑制煙霧的產生。

硼酸鋅是一種應用較為普遍的抑煙劑，在涂料、塑料和電纜等多個領域發揮巨大作用。硼酸鋅的抑煙作用主要通過以下三個方面體現：首先，硼酸鋅在樹脂類體系中能夠與其他相適應性抑煙劑復配而獲得優良性能；其次，硼酸鋅在燃燒過程中會吸收熱量，發生脫水反應，若是使用于膨脹型防火涂料中，則會與酸性物質發生酯化反應，能夠促進多孔蜂窩狀炭層的快速成型；而且硼酸鋅能夠改善涂料中部分組分自身的熔滴現象，有效防止二次火災的發生。硼酚醛防火涂料的產煙量極少，一氧化碳的生成量及煙氣毒性均處于相對較低水平，在有機樹脂中摻雜硅組分還能改善材料自身的熱穩定性。

5 結論

（1）應大力開發水性涂料用基底樹脂乳液。

（2）防火涂料常用的鹵代物抑煙劑受熱后會產生有毒的氫鹵酸。鉬系化合物等無鹵抑煙劑的穩定性和吸附強度高，具有廣闊的應用前景。

（3）利用共混法和改性技術等可提高防火涂料的性能，使材料多元功能化。

（4）要繼續研究一種新型綠色無機膨脹型防火涂料。

（5）要向多功能一體化和功能持久性方面拓展，研制具有防火、防水、耐腐蝕、裝飾性等多種功能的新型防火涂料。