建筑用防火涂料油漆的機理及應用研究

辛宇，杜泓翰

(1.哈爾濱工業大學 管理學院，黑龍江 哈爾濱 150006；2.內蒙古交通職業技術學院 建筑工程系，內蒙古 赤峰 024005；3.哈爾濱工業大學 化工與化學學院，黑龍江 哈爾濱 150006)

眾所周知，發生在美國紐約的911恐怖事件造成了極其嚴重的后果，世界貿易中心一號樓和二號樓遭受劇烈沖擊后燃燒數小時后轟然倒塌，數千人失去了生命。之后幾年中，世界各地的研究人員對世貿雙子塔進行了一系列的耐火性、力學結構特性性能模擬，得出了優異的防火涂料油漆是高層建筑在火災中最大程度減少損失的關鍵。防火涂料油漆是可以均勻覆蓋在建筑物表面的油漆材料，可明顯抵抗或消除設施基材在火災危害中的高溫損毀現象[1]。目前防火涂料油漆被利用于人類社會生活中的方方面面，比如高層建筑的鋼結構防護層，公路交通樞紐及海洋隧道，高用電量的大型工廠，以及人類信息生活基礎的電/光纜材質表面上等領域。并且伴隨人們對高質量生活的需求，小型物質的精細化標準也在逐步提升，室內家具以及各材質墻體都要在其表面覆蓋一層優異性能的防火涂料油漆，需要同時滿足裝飾美觀和火情低損失的要求。近20年來，我國科學家也對防火涂料油漆材料進行了深入的物化性能機理研究，主要包括其阻燃性和耐蝕性，根據不同需求品種與質量也在完善，其發展動力充盈[2-3]。

1 防火涂料油漆的機理研究

建筑物的燃燒過程是墻皮易燃物與氧化物或者氧氣產生大量熱的劇烈化學過程，伴隨有燃燒、產生濃煙、發光等現象，通常建筑物燃燒需要有以下幾個要素，包括易燃物、促燃劑和高能量熱源。因此，建筑物的防火目的可以通過抑制上述三要素之一來實現。防火涂料油漆的阻燃機理主要有相態轉變阻燃機理以及伸縮性阻燃機理。通常，阻燃機理可分為以下幾個過程[4]：①采用不可燃燒的防火涂料油漆，可直接覆蓋在基底層上，起到隔絕熱量并延緩內部的溫升的作用；②絕大多數的防火涂料油漆中的某些組分在熱量的作用下會發生分解作用，釋放出大量惰性不易燃氣體或者水蒸氣，可起到沖散空氣熱量、稀釋大氣含氧量，抑制易燃物燃燒的功能，其本質是防火涂料油漆中的含氮、磷元素物質分解產生超活性基團，這些活性基團聚集形成的細微粒子可抑制易燃物自由基的鏈式連鎖反應過程；③防火涂料油漆在高熱量環境中會發生膨脹現象，形成致密隔焰層，延緩熱傳遞過程，有效保護內部器件。分別對防火涂料油漆阻燃過程中的步驟2和步驟3中的機理問題進行表述。

1.1 相態轉變阻燃機理

相態轉變阻燃機理主要使用非膨脹型防火涂料。在20世紀末期，市面上主要的防火涂料油漆均為非膨脹型涂料材料[5]，該類型材料的阻燃過程主要分為固-氣相轉變阻燃機理和凝固態阻燃機理。

固-氣相轉變阻燃機理的原理是采用隔熱類的無機材料和增強類的無機纖維材料等在熱分解過程中釋放出大量的水蒸氣和細微粒子而起到吸收熱量并升高燃點的作用，其中涉及了無機固態無機材料向氣態水氣的相轉變現象；涂料中大部分物質之間也可以相互反應，產生二氧化碳等阻燃性氣體，可快速降低環境中的氧濃度，起到保護建筑物基材并隔絕氧氣的作用[6]，并且該固-氣反應可吸收大量的熱量，起到了十分優異的隔絕熱量的作用。目前市面上的非膨脹涂料油漆在燃燒后可形成一層由無機物構成的陶瓷熱屏蔽聚合物，其也可有效地抑制熱量的擴散。同時在一定范圍內，防火涂料油漆的厚度也和防火性之間呈現正比線性關系。

防火涂料油漆凝聚相阻燃機理是高聚物凝聚相能夠有效抑制材質的熱分解過程從而起到阻燃作用。其中使用最為廣泛的是含磷酸類的化合物，該類物質能提升高聚物材質的脫水-酯化-炭化反應，可有效改變熱分解路徑，從根源上降低了可燃性物質熱量的二次釋放量，起到阻燃的作用。

1.2 伸縮性阻燃機理

伸縮性阻燃機理主要包括膨脹性阻燃過程。其阻燃過程包括以下四個階段：①膨脹性阻燃劑在靠近熱源后吸熱熱量產生分解，有效降低了聚合物的升溫速率；②聚磷酸銨等膨脹物質以脫水的方式促進發生酯化-炭化反應，可抑制聚合物的熱分解過程，從而達到阻燃的目的；③無機材質可大幅度提升熱分解所需要的時間，起到延緩分解速率的作用；④膨脹作用產生的多孔層能夠有效隔絕氧氣等可燃性氣體的進入，起到隔離可燃性氣體的作用，從源頭上阻止了燃燒過程的發生。

絕大多數的建筑物采用的是鋼材質結構[7]，在建設建筑物的后期會在其基體上為其涂抹防火涂料油漆，涂抹的防火涂料油漆主要包括以下兩種。即超薄型鋼材質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顯著改善大多數鋼材質的表面物化特性，在建筑物發生燃燒后可在鋼材質表面產生疏水防火層，對鋼材質建筑起到了較好的隔熱防火作用。超薄型鋼材質的防火涂料油漆由基料、膨脹物、填料組成，其中基料是一種可將涂料中的所有組分黏合在一起的一類物質，同時起到防火碳源的作用；膨脹物質分為酸性膨脹源和氣體膨脹源，可適用于不同的防火場所與場景；填料助劑是整體膨脹反應的催化劑，起到促進碳源的分解炭化作用。目前防火涂料油漆體中，通?；衔镔|由混合樹脂組成，其防火性能顯著優于單一樹脂基料制備的防火涂料油漆。據相關研究報道，當選擇混合型丙烯酸樹脂為防火涂料油漆的基料時，所制備的防火涂料成膜性好，光滑性較高，而單一使用氨基樹脂為基料的涂料表面粗糙且成膜性較差，所以防火涂料油漆中使用混合型丙烯酸樹脂為基料有助于提升涂料的成膜性。但基料如果只添加丙烯酸樹脂，會導致涂層發泡效果較低且膜較薄。而氨基樹脂涂料發泡效果很好卻膜很厚且膨脹后的炭質層致密性非常差，由于黏結力低易導致從基材上脫落下來。綜上所述，結合丙烯酸樹脂和氨基樹脂的雙重優勢，使用丙烯酸樹脂和氨基樹脂的混合物作為涂料基料，既能有優異的涂料均一性又有出色的防火性能。

普通鋼材質建筑的防火涂料油漆具有較厚的防火層，其主要工作機理是防火涂料油漆可減緩熱傳遞、阻擋熱量向鋼結構的傳輸，而且防火涂料油漆中一些隔熱物質可隨著溫度的升高具有很好的吸熱作用。此外，防火涂料油漆的產物能附著于建筑物的鋼結構表面，從而隔絕易燃氣體，降低火災給鋼結構建筑物帶來的危害。但厚型鋼結構防火涂料油漆厚度范圍為5～50 mm，雖然具有優異的防火性能卻較為昂貴，不利于商業化發展。薄型鋼結構的防火涂料油漆具有高粘度和低成本的特點，目前被高層建筑物廣泛使用。

超薄型鋼材質的防火涂料油漆可滿足裝飾性的要求，具有顯著的社會經濟價值。膨脹炭化層是超薄型鋼材質的防火涂料油漆的核心材質，能夠達到有效保護建筑物的目的，其主要是通過以下幾種作用[8]：①隔斷熱傳導和熱輻射；②防火涂料油漆的軟化、膨脹等物化作用能夠吸收大量的熱量，從而顯著降低建筑基材的表面溫度。炭層的形成是由涂料中成膜物質組分與凝聚相組分共同作用完成。通常低溫下酸源可催化脫水的酸，與含碳的多元醇進行酯化反應，形成高粘度的酯化聚合物和高質量的蜂窩阻燃炭層，從而可高效減緩外界熱量的傳遞速率，提高基材的耐火時長；③隔絕建筑物基材和氧氣的接觸，減緩高溫對隔絕建筑物基材某些易燃物質的氧化降解速率；④特殊的防火涂料油漆可快速分解釋放出惰性氣體，可稀釋易燃氣體的濃度，從而抑制建筑物基材的燃燒。

近些年來，科研人員研發出新型的透明膨脹型阻燃防火涂料油漆[9]。該類油漆采用三聚氰胺改性脲醛樹脂和季戊四醇等物質作為成炭劑，磷酸作為水成炭催化劑，并添加了具有燃抑煙性效果的磷酸脒基脲，將其混合均勻后對該涂料進行了各方面性能的研究。研究結果表明該防火涂料貯存穩定性優良且具有良好的理化性能，相比于市場上其它的阻燃涂料板、成膜樹脂板等材料，該涂料板的熱、煙釋放量，火災性能指數，以及有害氣體的釋放率均處于最低水平，具有優秀的阻燃抑煙性能。經掃描表征分析，此類防火涂料油漆的表面結構均勻、組分排列規律、阻燃效果目前為市場最佳。

2 建筑防火涂料油漆的應用

2.1 鋼材質主架構類防火涂料油漆

用于厚型鋼結構的防火涂料油漆也可以被稱為H類鋼結構防火涂料油漆[10]。該類防火涂料油漆的厚度非常高，整體的密度低，且涂料的相對粘性較高，并具有優異的物理強度。在高溫熱源的情況下，H類鋼結構防火涂料油漆具有不容膨脹、難燃燒等特性，是一類十分優異的防火涂料油漆。其所擁有的吸熱優點可有效延緩建筑物的整體升溫速率，減少建筑物損傷，通常厚型鋼建筑物的表面涂覆有防火涂料油漆時，其耐火時間最久，可達3 h。但是厚型鋼結構防火涂料油漆在建造過程中，由于具較高的表面粗糙性，因此不適合進行裝飾性等外觀工作，僅適用于對承重鋼結構的鋼材進行保護。薄型鋼結構防火涂料油漆又稱為B型鋼結構，該類防火涂料油漆較薄，最低可達到3 mm，在熱源附近會通過膨脹發泡的方式形成具有高耐火性的隔熱層，并起到使建筑鋼結構材料的溫度上升速度得以大幅度降低的作用，其自身的耐火極限可達到0.5～2 h，薄型鋼結構防火涂料油漆通常以由聚合物與乳液的混合物為基料，通過與膨脹阻燃劑和顏料等進行配合，達到防火絕熱目的。在制備過程中，通過調整乳液劑含量，使其在薄鋼結構外表具有優異的附著力。通常，薄型涂料在應用過程中可分為面層裝飾用材料和底層材料，其綜合作用比起H型涂料更加優質。B型防火涂料油漆在應用過程中，能夠對建筑物的主體、樓板以及屋頂等重型鋼結構進行綜合性的火災隔熱保護，在應用過程中已經被應用于大型工廠、運動館等諸多鋼結構的火災防護工作中，并可進行有效的裝飾，H類與B類鋼結構防火涂料油漆的性能比較見表1。

表1 H類與B類鋼結構防火涂料油漆性能比較Table 1 Class H and Class B comparison fire-retardant-coating properties

2.2 預應力混凝土防火涂料油漆

在建筑物的建設過程中，大多數的高層建筑物的基礎材質通常為鋼筋混凝土[11]，所以預應力混凝土防火涂料油漆的應用在社會生活中十分廣泛。在一般情況下，該類涂料具有較好的抗裂性和穩定性，且成本相對較低，但是這種材料的耐火性并不十分優異，容易出現坍塌現象。所以需要按照國家要求的各項法律深入貫徹于實際施工的各個環節中。

2.3 飾面類防火涂料油漆

飾面類防火涂料油漆與其他防火涂料油漆相比，具有十分優異的防火功能和裝飾功能[12]。它在高檔建筑工程中得到了廣泛的應用，其在建筑材料表面兼具良好的防火效果和裝飾作用。據研究報道，過去飾面類防火涂料油漆通常都是由硅酸鹽水玻璃制備而成，近些年來，又推出了氯化橡膠等多種防火涂料油漆，但是這些防火涂料油漆的防火效果比起硅酸鹽水玻璃制備的油漆有一定的差距，仍需科研人員繼續深度研究其機理過程。表2將鋼材質主架構類防火涂料油漆預應力、混凝土防火涂料油漆、飾面類防火涂料油漆的性能做出對比，以詳細區分這三類防火涂料油漆的具體性能。

表2 三種防火涂料油漆性能對比Table 2 Three kinds of fire-retardant-coating performance comparison

水性飾面型的防火涂料油漆是飾面類防火涂料油漆使用最為廣泛的一種[13]，因為該類油漆適應環境強，具有可在高濕度和高溫環境下使用的優點。施工時使用水性飾面型的防火涂料油漆前，要注意不能出現空鼓、開裂等問題。使用前可加入適量清水進行一定倍數的稀釋，將粘度調整到最適合施工環境為宜。最佳的粘度應符合在施工環境中不產生流動的液滴和明顯的下墜現象。若對建筑表面進行噴涂等施工工藝時，涂料的整體黏度應比采用印刷工藝的粘度低。此類防火涂料油漆的施工順序應分次進行，并且每次涂刷作業必須待前一防火涂料油漆表面完全干燥或固化后再進行。目前大面積的防火涂料油漆在施工時以機具噴涂涂裝為主、手工為輔的施工工藝，其他情況下均采用刷涂或涂布等工藝進行施工。

3 結束語

防火涂料油漆在建筑物的建造過程中被廣泛使用，使用防火涂料油漆時不僅要考慮防火涂料油漆對建筑物結構構件的燃燒性能的影響，還要考慮其對于建筑物構建的耐火限度、承載力等力學性能的影響，所以其機理性問題研究就顯得尤為重要。防火涂料油漆的合理使用不僅可以大幅度地提高涂料油漆的防火效果，減少人員的傷亡率，又可降低成本帶來巨大的經濟收益，展現出眾多的應用前景。如前所述，這方面的研究工作機理已有開展，已處于深度研究階段，但還值得進行更全面和系統的研究。