成膜剂对超薄型钢结构防火涂料性能的影响

・消防科研・成膜剂对超薄型钢结构防火涂料性能的影响梁红林１，时虎２（１．淮南市消防支队，安徽淮南２３２００１Ｉ２．中国科学技术大学苏州研究院苏州市城市公共安全重点实验室，江苏苏州２１５１２３）摘要：采用不同的判断方法和手段，分析了不同成膜剂对超薄型钢结构防火涂料性能的影响，介绍了不同成膜剂的优缺点，指出选择合适的成膜物质，对提高超薄型钢结构防火涂料的性能是至关重要的环节。

关键词：超薄型，钢结构防火涂料；成膜剂，性能１前言２超薄型钢结构防火涂料成膜剂的选择分析钢结构是目前主要建筑结构之一，钢结构建筑具有自重轻，基础造价低，安装容易，施工快，周期短，投资回收快，施工环境污染少，抗震性能好等综合优势而在各种建筑中得到广泛使用。

钢结构构件虽然是不燃材料，但在火灾中随着温度变化，其强度也有很大变化，如钢结构无保护层，大约１５分钟后，当温度达到５００。

【２时，其强度下降一半，失去平衡稳定性，造成钢结构建筑物一部分或全部坍塌毁坏。

目前，钢结构的防火保护形式主要有：混凝土包覆、防火板包覆、轻质防火卷材包覆、喷涂耐火纤维、喷涂钢结构防火涂料等。

而钢结构防火涂料是目前最经济而且有效的保护手段。

钢结构防火涂料按照其防火原理，可分为膨胀型和非膨胀型两大类。

非膨胀型防火涂料主要是无机隔热型的，是通过涂层自身的难燃性或非燃性作用来防火的。

目前市场上销售的防火涂料，９０％左右都是膨胀型的。

膨胀型防火涂料成膜后，在常温下是普通的漆膜；在火焰或高温作用下，涂层发生膨胀炭化，形成一个比原来厚度大几十倍甚至上百倍的非易燃的海绵状的碳质层，它可以隔断外界火源对基材的加热，从而起到隔热防火的作用。

２．１不同成膜剂超薄型钢结构防火涂料配制超薄型钢结构防火涂料通常含有成膜剂、发泡剂、成炭剂、脱水成炭催化剂、防火添加剂、无机颜料和填料、辅助剂等。

成膜剂也称黏结剂或基料，它是涂料中的连续相，也是最主要的成分，没有成膜剂的表面涂覆物不能称之为涂料。

成膜剂的性质对于涂料的性能（如保护性能、机械性能等）起主要作用。

成膜剂一般为有机材料，在成膜前可以是聚合物也可以是低聚物，但涂布成膜后都形成聚合物膜。

成膜剂可分为两大类：一类是转换型或反应型，另一类是非转换型或挥发型。

前者在成膜过程中伴有化学反应，一般均形成网状交联结构，因此，成膜剂相当于热固型聚合物。

转换型又分为两类，一类是气干型的，在常温下可交联固化，如醇酸树脂等，另一类是烘烤型的，需在高温下完成反应，如氨基树脂等。

非转换型的成膜仅仅是溶剂挥发，成膜过程中聚合物未发生任何化学反应，成膜剂是热塑型聚合物，如氯化橡胶等。

成膜剂对膨胀型防火涂料的性能有重大影响，有时对于涂料体系膨胀与否起决定性作用。

它与其它组分相配合，既保证了涂层在正常工作条件下具有优异的附着性和正常的理化性能，又能全寿命、全费用的观念指导消防装备的市场准人管理、研发推广、质量监管、维修保障，大力推动消防装备科学发展。

参考文献：【ｌ】王宏济．军械维修工程【Ｍ】．军械工程学院出版社。

１９８３．【２】ＧＪＢ３６８Ａ．１９９４，装备维修性通用大纲ＩＳ］．【３】甘茂治．军用装备维修工程学【Ｍ】．军械工程学院出版社，１９９９．收稿日期：２００９—０８．２６；修回日期：２００９．１０．２３作者地址：北京市宣武区广安门南街７０号电话：（０１０）６６２６７６８０在火焰或高温下使涂层具有难燃性和优异的膨胀效果。

要得到高效的膨胀隔热炭化层，涂层中有机树脂的熔融温度、发泡剂的分解温度及泡沫炭化的温度必须配合恰当。

当涂层受热时，首先是成膜剂软化熔融，引起整个涂层的软化，塑化，这时发泡剂达到分解温度，释放出非燃性气体，并使涂层膨胀成泡沫层，同时成炭催化剂分解生成磷酸、聚磷酸呈熔融的黏稠体作用于泡沫层，使涂层中的含羟基有机物发生脱水成炭反应，当泡沫达到最大体积时，泡沫凝固炭化，使生成的多孔的海绵状炭化层定形，泡沫的发泡效率取决于组分之间反应速度的协调配合。

膨胀型防火涂料可以采用的成膜剂主要有：氨基树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂、醇酸树脂、聚氨酯、氯化聚乙烯、高氯化聚乙烯、过氯乙烯、氯化橡胶、酚醛树脂、氯化橡胶改性环氧树脂、苯丙乳液、纯丙乳液、硅丙乳液等。

但是这些树脂各有其不同的特点，为了选择更合适的钢结构防火涂料成膜剂，选择相同的阻燃体系、组分配比、工艺流程、测试方法，对燃烧前后的涂料进行综合评定（见表１）。

超薄型钢结构防火涂料可以采用小型测试方法来验证质量，该测试方法是通过测试发泡能力、质量损失、涂层的表观、发泡层的硬度、发泡层的致密性、附着力等来综合评定膨胀防火涂料的优劣。

防火阻燃体系中各组分：成膜剂约占总体系的２０％一３０％，催化剂聚磷酸铵（聚合度１０００以上）占总重量的２５％一３０％，成炭剂季戊四醇（单季醇含量≥９２％）约占１０％一１５％，发泡剂三聚氰胺（含量≥９９．８）约占１０％一１５％。

另外，钛白粉（ＢＡ０１—０１）占２％一７％，溶剂（或水）占１０％一２５％，有机膨润土，消泡剂和流平剂等少量。

表１各种成膜剂在超薄型钢结构防火涂料中的性能比较戚膜剂发泡能力质量损失柔软性致密性附着力价格氨基树脂５３２４３４丙烯酸树脂４４３５４４有机硅树脂４５ｌ５５２醇酸树脂２３２２３４聚氯酯３３３３４３氯化聚乙烯＋过氯乙烯４４４４３４高氯化聚已烯５３３４３４氯化橡胶５３４４３４酚醛树脂３４ｌ３４３环氧树脂３５２４５３氯化橡胶改性环氯树脂４５２４５３苯丙乳液３４３３３５纯丙乳液３４４３３４硅丙乳液３４２４３３注：表中数值１－５分别代表衡量防火涂料的发泡能力、质量损失、柔软性、致密性、附着力、价格的因子，５代表发泡能力最好、质量损失最少、柔软性最大、致密性最好、附着力最大．价格最低，ｌ则反之・依次类推。

２．２不同成膜剂超薄型钢结构防火涂料性能测试将以不同成膜剂为基料所配制的防火涂料用刷子均匀涂覆在尺寸为１５０ｍｌｎｘ１００ｍｌｎｘ３ｍｌｎ的钢板上，涂刷时应注意表面平整，尽量不使其表面凹凸不平。

涂刷好后将试件放在温度为２５℃左右，相对湿度为５０％左右的试刷架上，将涂有防火涂料的一面向上，使其自然风干，大概６ｈ以后，待涂料表面基本干燥后，取相同的防火涂料在其表面再次涂刷，反复３—５次，直到达到２．０ｍｍ左右。

最后，将涂有防火涂料的钢板置放于电热烘箱中，５０℃条件下烘至恒重。

超薄型钢结构防火涂料成膜后，在常温下是普通的漆膜；在火焰或高温作用下，涂层发生膨胀炭化，铜板＋防火涂层围１超薄型钢结构防火涂料的性能测试示意图形成一个比原来厚度大几十倍甚至几百倍的非燃的蜂窝泡沫状炭质层，它可以隔断外界火源对基材的加热，从而起到防火保护的作用，见图２。

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公式（１）中由于涂层膨胀后形成的蜂窝状泡沫炭化层厚度Ｌ要比未膨胀的厚度大几十倍，甚至可达２００倍。

此外，一般涂层的导热系数Ａ值约为１．１６３×１０＋４￣８．１４１×１０‘４Ｗ／（ｍ２・Ｋ），而泡沫炭化层的Ａ值比此值却要小得多（接近气体的Ａ值即２．３２６×１０巧Ｗ／（ｍ２・Ｋ））。

因此，通过泡沫炭化层传给底材的热量Ｑ只有未膨胀涂层的几十分之一，甚至几百分之一，从而有效地阻止了外部热源对基材的作用。

２．２．１不同成膜剂超薄型钢结构防火涂料性能测试项目（１）发泡能力。

取出待测试件选取至少５个不同的涂层部位，用磁性测厚仪分别测量其厚度，取其测点厚度的平均值，此数值即为涂层厚度。

测量厚度后，放置于铁架台上，用汽油喷灯点火在９００～１０００＊Ｃ进行条件下测试。

当涂料完全膨胀发泡、炭化，钢板背火面温度达到５００＂Ｃ时，停止试验。

取燃烧过的试件表面泡层的最高点到钢板表面的距离为发泡高度，发泡高度与涂层厚度的比值记为发泡倍数，来判断膨胀防火涂料的发泡能力。

见图２。

（２）涂层的质量损失百分比。

将燃烧过的试件放置冷却至室温，准确称量到０．１ｇ。

一组试件有两个，取其燃烧前后质量损失的平均值，保留一位小数，此数值即为防火涂料的质量损失，质量损失与燃烧前涂层质量的百分比定为质量损失百分比。

（３）涂层的表观。

包括涂层与钢结构的附着力、涂层的硬度、耐水性等理化性能，可参照相关国家标准进行测试。

（４）发泡层的硬度和致密性。

根据观察分别将燃烧后的涂层进行硬度和致密性的辨识，将其分为５个等级，硬度和致密性最大为５级。

２．３不同成膜剂超薄型钢结构防火涂料性能分析（１）氨基树脂、氯化聚乙烯、过氯乙烯、高氯化聚乙烯、氯化橡胶涂膜附着力较好，发泡很快，发泡不均匀，发泡持续时间较短，泡层松软较致密，炭化物较多，厚度最高，炭化层硬度差，在强火焰和气流下容易被烧穿或吹落，炭化较彻底，这几种成膜剂制成的防火涂料多为溶剂型涂料，主要适宜对炭化层强度要求不是很高但膨胀倍数要求高的饰面型防火涂料和电缆防火涂料，不适用在钢结构耐火极限大于３０ｍｉｎ的场合。

见图３、图４。

图３氨基树脂类防火涂料图４含氯烯烃类防火涂料灼烧后的泡层灼烧后的泡层（２）醇酸树脂、聚氨酯、酚醛树脂涂膜附着力较好，发泡较慢，发泡不均匀，发泡持续时间短，泡层不致密，炭化物较少，厚度最低，炭化层硬度好，炭化不彻底，这几种成膜剂制成的防火涂料由于发泡倍数不够，防火隔热效果较差，不太适合单独做超薄型钢结构防火涂料的成膜剂。

见图５、图６。

图５醇酸树脂类防火涂料图６酚醛树脂类防火涂料灼烧后的泡层灼烧后的泡层（３）苯丙乳液、纯丙乳液、硅丙乳液附着力较差，发泡较慢，发泡不均匀，发泡持续时间短，泡层不致密，炭化物较少，厚度较低，炭化层硬度好，炭化不彻底，这几种成膜剂制成的防火涂料由于发泡倍数不够，且孔洞较大，防火隔热效果不够理性，只适合做薄型钢结构防火涂料的成膜剂，不适合做超薄型钢结构防火涂料的成膜剂。