要形成高效防火隔熱炭化層，鋼結(jié)構(gòu)膨脹型防火涂料中有機樹脂的熔融溫度、發(fā)泡劑的分解溫度及泡沫炭化的溫度必須配合恰當(dāng)。當(dāng)涂層受熱時，首先是成膜物軟化熔融，引起整個涂層軟化、塑化，此時發(fā)泡劑達到分解溫度，釋放出非燃性氣體，使涂層膨脹成泡沫層，同時成炭催化劑分解生成磷酸、聚磷酸，呈熔融的黏稠體作用于泡沫層，使涂層中的含羥基有機物發(fā)生脫水成炭反應(yīng)。當(dāng)泡沫達到最大體積時，泡沫凝固炭化，使生成的多孔海綿狀炭化層定形，泡沫的發(fā)泡效率取決于組分之間反應(yīng)速度的協(xié)調(diào)配合。
1•鋼結(jié)構(gòu)膨脹型防火涂料組分的選擇
1.1成膜物的選擇
成膜物對膨脹型防火涂料的性能有重大影響，有時對涂料體系膨脹與否起決定性作用。它與其它組分配用，既保證了涂層在正常工作條件下具有普通涂料的各種性能，又能在火焰或高溫下使涂層具有難燃性和優(yōu)異的膨脹效果。
（1）氨基樹脂、氯化聚乙烯、過氯乙烯、高氯化聚乙烯、氯化橡膠涂膜附著力較好，發(fā)泡快但不均勻，發(fā)泡持續(xù)時間較短，泡沫層松軟較致密，炭化較徹底，炭化物較多，炭化層厚度最高而炭化層硬度差，在強火焰和氣流下容易被燒穿或吹落。這幾種成膜物制成的防火涂料不適用鋼結(jié)構(gòu)耐火極限大于30 min的場合，適用于飾面型防火涂料。
（2）醇酸樹脂、聚氨酯樹脂、酚醛樹脂涂膜附著力較好，發(fā)泡較慢也不均勻，發(fā)泡持續(xù)時間短，泡沫層不致密，炭化不徹底，炭化物較少，炭化層厚度最低但硬度好。這幾種成膜物制成的防火涂料發(fā)泡倍數(shù)不夠，防火隔熱效果較差，也不適合做超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的成膜物。
（3）苯丙乳液、純丙乳液、硅丙乳液與鋼結(jié)構(gòu)的附著力較差，與鋼結(jié)構(gòu)表面的防銹漆附著力較好，發(fā)泡較慢且不均勻，發(fā)泡持續(xù)時間短，泡沫層不致密，炭化不徹底，炭化物較少，炭化層厚度較低但硬度好。這幾種成膜物制成的防火涂料發(fā)泡倍數(shù)不夠，防火隔熱效果不理想，也不適合做薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的成膜物。
（4）丙烯酸樹脂、有機硅樹脂、氯化橡膠改性環(huán)氧樹脂，尤其是氯化橡膠改性環(huán)氧樹脂與鋼結(jié)構(gòu)的附著力好，且與鋼結(jié)構(gòu)表面的防銹漆附著力較好，發(fā)泡較慢而均勻，發(fā)泡持續(xù)時間長且能夠持續(xù)發(fā)泡，泡沫層較致密，炭化不徹底，有較多底層物，炭化層厚度較高且硬度好。這幾種成膜物制成的防火涂料發(fā)泡倍數(shù)高，防火隔熱效果理想，適合做薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的成膜物。丙烯酸樹脂適用于耐候性要求高的場合；有機硅樹脂適用于耐高溫的場合；氯化橡膠改性環(huán)氧樹脂適用于耐腐蝕的場合，但不適用于室外場合。
1.2成炭催化劑的選擇
成炭催化劑的作用是促進和改變涂層的熱分解進程，如促進涂層內(nèi)含羥基有機物脫水炭化成非易燃的三維空間結(jié)構(gòu)的炭質(zhì)層，減少熱分解產(chǎn)生的焦油、醛、酮含量，阻止放熱量大的炭氧化反應(yīng)發(fā)生，在脫水反應(yīng)中可以再生并重新使用。成炭催化劑主要有聚磷酸銨、磷酸氫銨、磷酸二氫銨等磷酸銨類，但磷酸氫銨、磷酸二氫銨在水中的溶解度較大，影響涂層的耐水性和耐候性，一般不作防火涂料的成炭催化劑。聚磷酸銨（APP）具有催化和發(fā)泡的雙重作用，選用聚合度大于1 000的聚磷酸銨作為成炭催化劑。聚磷酸銨配比不同，涂層的膨脹效果不同，只有選擇適宜的聚磷酸銨用量，炭化層才能具有較好的膨脹效果。若APP用量太小，燃燒時不能使基料樹脂很好成膜，影響成炭劑脫水；其用量過大時，則會使涂膜干燥變慢且發(fā)黏。聚磷酸銨用量以23%（質(zhì)量分數(shù)）左右為宜。
1.3成炭劑的選擇
成炭劑是膨脹型防火涂料形成不易燃三維空間結(jié)構(gòu)泡沫炭化層的物質(zhì)基礎(chǔ)，對泡沫炭化層起骨架的作用。它們是含高碳的多羥基化合物，在脫水成炭的作用下生成具有多孔海綿結(jié)構(gòu)的炭化層。一般選用含炭量高的多元醇有機物，如淀粉、季戊四醇、二季戊四醇、三季戊四醇、含羥基樹脂等。淀粉在水中的溶解度較大，且在潮濕條件下易發(fā)霉而影響涂層的質(zhì)量；季戊四醇是應(yīng)用最多的成炭劑；二季戊四醇、三季戊四醇也是合適的成炭劑，但是由于這兩種產(chǎn)品合成工藝復(fù)雜，其價格約是季戊四醇的5~6倍。在一定范圍內(nèi)，成炭劑的用量越大，涂料的防火性能越好，但發(fā)現(xiàn)隨著成炭劑用量的增大，涂膜固化速度變慢。另外，成炭劑是可燃材料，其用量太大也會降低防火性能。實驗中發(fā)現(xiàn)：由于季戊四醇的分解溫度低于熔融層的炭化溫度，若其用量過大，會導(dǎo)致膨脹涂層的流動；用量較小，又會影響涂層的膨脹高度和膨脹層的質(zhì)量。因此，必須嚴格控制季戊四醇的用量，一般其用量約占總體系的14%左右。
1.4發(fā)泡劑的選擇
膨脹型防火涂料的特點是涂層遇熱時，釋放出不燃性氣體，如氨、二氧化碳、水蒸汽、鹵化氫等，使涂層膨脹，并在涂層內(nèi)形成蜂窩狀泡沫結(jié)構(gòu)，這些靠發(fā)泡劑來實現(xiàn)。發(fā)泡劑是否適用，其分解溫度是關(guān)鍵。分解溫度過低，釋放氣體在成炭前逸出起不到作用；分解溫度過高，產(chǎn)生的氣體會把炭層頂起或吹掉，不能形成良好的炭質(zhì)泡沫層。一般選擇胺類化合物發(fā)泡劑，包括三聚氰胺、雙氰胺、聚磷酸銨、氯化石蠟、磷酸銨鹽、硼酸銨、雙氰胺甲醛樹脂、氨基樹脂等。體系中聚磷酸銨、氯化石蠟、氨基樹脂已起到大部分發(fā)泡劑的作用，用三聚氰胺補充不足部分。實驗結(jié)果表明：三聚氰胺用量增大，膨脹速度加快，膨脹倍數(shù)增加，但膨脹層太高將影響炭層的質(zhì)量及在火場中的牢固性。為了控制膨脹速度和膨脹高度，保證涂層質(zhì)量，三聚氰胺的用量應(yīng)控制在適宜的范圍，一般為總體系的8%左右。
1.5顏料的選擇
顏料的加入可改善涂料的許多理化性能，但其用量太大，會影響涂層的發(fā)泡效果，從而影響涂層的防火性能；用量太小，涂層易脫落，耐火時間短。選用鈦白粉為顏料，它的遮蓋力強且化學(xué)性能穩(wěn)定。銳鈦型鈦白粉對防火涂料的防火性能具有協(xié)同作用，其用量以12.0%~13.5%為宜。
1.6填料的選擇
一般選擇耐熱、能增加膨脹層致密性、提高膨脹層硬度的無機物作為填料。適量的膨脹石墨能延長耐火時間；無機鹽晶須可提高涂層及炭化層的強度，避免泡沫氣體造成涂層破裂，同時提高涂層的耐水性和耐凍融性，也可提高涂料的施工厚度和防流掛性。
1.7溶劑的選擇
溶劑對涂料成膜質(zhì)量的影響不容忽視。溶劑用于溶解或分散成膜物，調(diào)節(jié)成膜物和顏填料組成的復(fù)合體系的黏度和流變性，使其成為易于施工的流體。選用溶劑的標(biāo)準主要是溶劑的溶解能力、揮發(fā)性、閃點、毒性及價格等�；谶@些要求的考慮，選擇了不含“三苯”的無毒芳烴作為溶劑，用量約占總體系的15%~20%。
2•超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的膨脹過程分析
通過對超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的分析，我們可將涂料的膨脹過程分為4個階段：第一，平穩(wěn)階段（20~230℃）。這期間熱失重僅2%左右，主要是涂料中尚未揮發(fā)的溶劑和其它易揮發(fā)小分子化合物揮發(fā)所致。在耐火實驗時看到涂層表層起火燃燒，這主要是涂料內(nèi)的揮發(fā)分著火所致。此時，涂層中的成膜物質(zhì)開始熔融軟化，可以看出：在180℃有一小的吸熱峰，約47 J/g，這主要是成膜物質(zhì)熔融軟化吸收了外部能量所致。
第二，發(fā)泡炭化階段（230~420℃）。這期間熱失重為43%左右。該階段是涂料揮發(fā)的過程，防火阻燃體系中的三聚氰胺發(fā)泡劑首先熱分解，釋放出非燃性氣體NH3，同時成膜物質(zhì)中部分組分分解產(chǎn)生NH3、HCl和水蒸汽等，促使第一階段已熔融軟化的成膜物質(zhì)持續(xù)地膨脹發(fā)泡，形成泡沫層。此時脫水催化劑聚磷酸銨分解，釋放出能酯化多元醇和作為脫水劑的無機聚偏磷酸，與多元醇成炭劑季戊四醇、成膜物質(zhì)等含羥基有機化合物發(fā)生酯化反應(yīng)，生成強吸水性物質(zhì)，在空氣中的吸水率達到原物質(zhì)量的55%左右。體系中的胺則作為酯化反應(yīng)的催化劑，使酯化反應(yīng)加速進行。與此同時，多元酸和酯脫水炭化，形成無機物及炭化殘余物，使體系進一步膨脹發(fā)泡。反應(yīng)接近完成時，體系膠化和固化，脫水成炭，生成的不飽和主鏈再進行環(huán)化架橋反應(yīng)，最后生成致密堅硬的黑色蜂窩狀炭化層。蜂窩狀炭化層的厚度比原有涂層厚度大幾十倍，其導(dǎo)熱系數(shù)接近于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，可以有效地隔絕外部熱源，保護鋼結(jié)構(gòu)基材。成膜物質(zhì)、發(fā)泡劑、脫水催化劑、成炭劑必須具有良好的匹配性，否則就不能形成理想的炭化層。由DTA曲線可以看出：在330℃左右，有一強吸熱峰，約為350 J/g，主要為這階段的發(fā)泡炭化過程吸收的外部能量，以使反應(yīng)得以順利進行。
第三，失炭階段（420~770℃）。這期間熱失重為18%左右，主要是炭化層中的碳逐漸被氧化成CO2而逸出體系，同時有一部分炭化層由于附著力欠佳而被氣流帶走。從DTA曲線可以看出：在560℃、670℃左右分別有一強放熱峰，約為830 J/g、250 J/g，主要是炭化層中的碳逐漸被氧化而釋放出能量。
第四，無機層階段（770~1 000℃以后）。這期間熱失重為0.24%左右，主要是炭化層中碳被氧化逸出后，剩余的約37%無機材料形成白色無機骨架。超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火后期，主要是這些無機骨架組成的無機隔熱層在起防火隔熱作用。其主要成分是焦磷酸鈦形成的多孔物質(zhì)，它由聚磷酸銨和TiO2反應(yīng)所生成。
3•結(jié)語
針對目前市場迫切需求的高性能、裝飾性好、施工方便、涂覆量少、附著力強、耐候性好的超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，通過分析，得出如下結(jié)論：
（1）丙烯酸樹脂具有良好的耐候性，氨基樹脂具有良好的發(fā)泡性，氯化石蠟70為成膜物提供氯元素，三者適量的配用可以制得耐候、阻燃、附著力強的室外型防火涂料。
（2）在超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料組分中，起膨脹作用的組分（包括顏填料）一般占總質(zhì)量的45%~60%，成膜物和其它添加劑約占20%~40%，溶劑占15%~20%。另外，起膨脹作用的組分中，成炭催化劑占40%~60%，成炭劑占20%~30%，發(fā)泡劑占20%~30%。
（3）適量的膨脹石墨能延長耐火時間，無機鹽晶須可提高涂層及炭化層的強度，同時提高涂層的耐水性和耐凍融性，也可提高涂料的施工厚度和防流掛性。 |
