鋼結構防火涂料的研究進展

黎俊德 吳騰輝

（1 廣東省建筑材料研究院有限公司；2 廣州仲恒房屋安全鑒定有限公司）

0 引言

鋼結構作為一種常見的建筑結構，具有強度高、自重輕、材質均勻、加工方便、可循環使用、施工工期短等優點[1]，廣泛運用于現代生活中，如鋼結構停車場、工業廠房、體育館、車站、機場、橋梁等建筑物、構筑物。然而，鋼結構具有耐腐蝕性差、耐火能力弱等缺點，當溫度達到450℃時其力學性能開始發生劣化，隨溫度的上升其劣化效果愈加嚴重，當溫度達到580℃時其力學強度僅為室溫狀況下的一半，無法滿足對建筑物、構筑物的支撐作用[2]。因此，為提升鋼結構的耐火性能，減少結構損害，研究人員對鋼結構的防火涂料展開了大量的研究，且取得了豐富的研究成果。鋼結構防火涂料按防火原理劃分，可分為膨脹型防火涂料和非膨脹型防火涂料；按分散介質劃分，可分為水溶性防火涂料和溶劑性防火涂料；按基料種類劃分，可分為無機防火涂料和有機防火涂料；按涂覆的基材劃分，可分為鋼結構防火涂料、混凝土結構防火涂料和飾面型防火涂料[3]。

本文在文獻調研的基礎上，從鋼結構的防火原理、防火涂料種類、發展方向等方面展開敘述，以期為更多的研究人員提供參考。

1 防火涂料的防火原理

物體發生燃燒反應必須同時具備大量助燃氣體、火源、可燃物這三個因素，當其中某個因素不存在時，燃燒反應則不會發生。因此，中斷物體燃燒反應只需使以上三個因素不同時存在即可，而阻止助燃氣體與可燃物接觸則是最簡單也是最方便的方法，防火涂料正是利用此原理進行防火工作，其工作原理如下：

⑴膨脹型防火涂料受熱時發生膨脹在鋼結構表面形成泡沫層，一方面能夠隔絕助燃氣體，另一方面形成的泡沫層由于質地疏松有利于延緩熱量傳遞速度；

⑵膨脹型防火涂料泡沫層的形成過程是一個吸熱過程，可以減少燃燒時的熱量；

⑶非膨脹型防火涂料在受熱時不會發生體積變化，但其導熱系數很低，能夠有效延緩熱量傳遞到鋼材的速度；

⑷非膨脹型防火涂料本身具有不燃性，涂料在燃燒時會產生釉狀保護層能夠將鋼材與火源隔離開，減緩鋼材因溫度上升而發生性能劣化；

⑸防火涂料某些組分在燃燒過程中發生反應生成不燃氣體是一個吸熱過程，需要消耗一部分熱量，在一定程度上有助于降低溫度。

2 鋼結構防火涂料

2.1 膨脹型防火涂料

膨脹型防火涂料是指涂料在燃燒時發生體積膨脹形成致密的海綿狀或蜂窩狀的碳質泡沫層將鋼構件與火源隔離開，延緩鋼構件升溫速度，從而保護鋼結構穩定性，膨脹型防火涂料燃燒示意圖和膨脹過程示意圖分別如圖1、圖2 所示。其中，膨脹型防火涂料可分為有機膨脹型防火涂料與無機膨脹型防火涂料。

2.1.1 有機膨脹型防火涂料

涂料成膜劑采用有機物質，通過體積膨脹增加泡沫層厚度并依靠膨脹炭層起到防火作用的涂料稱為有機膨脹型防火涂料，常見的成膜物質有環氧樹脂、聚丙烯酸酯乳液、聚氨酯等。除此之外，有機膨脹型防火涂料還包括酸源、碳源、發泡劑、填料顏料等成分。

有機膨脹劑防火涂料的膨脹過程由酸源、碳源、氣源三部分組成，反應體系流程圖如圖3 所示。酸源是指無機酸或者在加熱時能夠形成酸的物質，如硼酸、無鹵雙磷酸酯、聚磷酸銨等，當溫度達到目標溫度后將受熱分解引發碳質化合物的碳化或脫水等化學反應；碳源是指具有豐富含碳量的多羥基化合物，能夠通過酯化反應進行脫水成碳，如季戊四醇、雙季戊四醇、淀粉等；氣源是指含氮的多碳化合物，在受熱條件下釋放不燃或難燃性氣體，如二氧化碳、氯化氫、氨氣等，然后在鋼結構表面形成具有碳材料孔壁的泡沫結構，如三聚氰胺、氯化石蠟等。酸源、碳源、氣源三者的不同組合形成了種類繁多的膨脹阻燃體系[2]。

對于酸源、碳源的探索研究有助于提升防火涂料的耐火能力。胡勝利等[5]研究了不同聚合度的聚磷酸銨對室外薄型鋼結構防火涂料理化性能（耐水、耐鹽、耐酸、耐堿、耐紫外線）和耐火性能的影響，結果表明利用高聚合度聚磷酸銨制備的防火涂料在理化性能、熱穩定性均優于低聚合度聚磷酸銨。吳潤澤等[6]研究了晶型、聚合度以及包覆改性聚磷酸銨對防火涂料耐火時間的影響，結果顯示高聚合度的Ⅱ型聚磷酸銨能夠更好地改善膨脹炭層的性能，耐火時間更久，經過包覆改性后可繼續提高耐火極限。季戊四醇作為一種常見的碳源，Tang 等[7]將季戊四醇與C9馬來酸酐共聚物進行酯化反應，結果顯示含有季戊四醇與C9馬來酸酐共聚物的涂層在水中或鹽水中浸泡之后仍表現出良好的耐火性能。

王朋等[8]探索了聚磷酸銨與季戊四醇的協同作用對防火涂料性能的影響，研究發現聚磷酸銨與季戊四醇混合物在熱解過程中存在3 個過程，分別為180～320℃時聚磷酸銨與季戊四醇形成磷酸酯，320～550℃時磷酸酯發生脫水環化，600～750℃時環狀結構炭化形成石墨化片段，聚磷酸銨與季戊四醇的質量比為3:1 時混合物生成的炭量最多，膨脹倍數最大，此時防火性能最佳。沈航[9]采用三聚氰胺聚磷酸鹽-雙季戊四醇發泡體系替換聚磷酸銨-三聚氰胺-季戊四醇發泡體系制備了水性防火涂料，結果顯示前者與聚合物具有較好的相容性、疏水性以及抗溶失性能，當質量占比為12.5:12.5 進行復配作為基料，可獲得低于10%的抗溶失涂層體系，這是后者無法比擬的。

2.1.2 無機膨脹型防火涂料

以無機物質作為主要成分并以膨脹發泡為防火機理的涂料稱為無機膨脹型防火涂料。有機膨脹型防火涂料在燃燒時涂層中有機物易分解，經燃燒后容易釋放有毒煙霧，而無機膨脹型防火涂料在燃燒時具有無煙、無毒的特點。

范春山等[10]以石棉粉、膨脹珍珠巖粉、高鋁土和膨脹蛭石為原料制備防火涂料，采用復合泡層結構，通過梯次發泡來延緩溫度上升，延長了鋼結構變形、結構失穩的時間，高溫層厚度與低溫層厚度比值在3.0:1.5～2.5:2.0 為宜。張仁忠等[11]以氫氧化鎂、碳酸鎂、膨脹石墨、苯丙乳液、磷酸鋁、硼酸鋅為原料以及添加低熔玻璃粉研制了新型無機阻燃劑體系，同時以苯丙乳液、聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇、二氧化鈦、膨脹石墨為原料制備了有機膨脹型防火涂料，進行對比試驗發現前者能夠大大降低火災中有毒煙霧的排放量，前者的強度、無機殘余率分別是后者的1.7 倍和2.1 倍，同時涂層結構更加致密、阻燃效果更加優異。張娜娜等[12,13]以堿性硅溶膠、甲基硅酸鉀、顏填料和助劑制備了水性無機膨脹型防火涂料，經試驗測試獲得了最佳配比且在最佳配比下涂料的膨脹層致密堅硬、耐火性能滿足規范要求，同時揭示了防火涂料在灼燒前期是由甲基硅酸鈉和可膨脹石墨共同發揮阻燃作用，在灼燒中期由白云石發揮阻燃作用，在灼燒后期溫度達到800～1000℃時，體系由固態變成液態、吸收熱量后變成玻璃態，整個灼燒過程表現出對環境的友好性。

2.2 非膨脹型防火涂料

非膨脹型防火涂料根據成膜物質的不同可分為有機非膨脹型防火涂料和無機非膨脹型防火涂料，前者是以有機物為基料的難燃性防火涂料，后者是以無機物為基料的不燃性防火涂料。祁學軍等[14]采用水玻璃激發偏高嶺土制備了以地聚合物為基料的非膨脹型防火涂料，測試結果顯示涂料的耐火時間達到2.8h（厚度為25mm），同時耐水性能、粘結強度、耐堿、耐冷熱循環等均表現良好，但存在干密度過大的問題；高輝等[15]以磷酸鹽為成膜物質，添加氫氧化鋁、硼酸鹽、膨脹蛭石等材料制備了防火涂料，性能良好且成本較低。

由于非膨脹型防火涂料的涂層厚度在高溫條件下不會發生變化，因此涂層厚度對于非膨脹型防火涂料的耐火性能具有決定性影響。韓君等[16]通過試驗測試了不同涂層厚度下非膨脹型防火涂料的等效熱傳導系數，并對結果進行線性擬合，如圖4 所示，結果顯示涂層厚度越厚，防火涂料的等效熱傳導系數越小即耐火性能越好。但是，較大的涂層厚度也限制了非膨脹型防火涂料的使用范圍，由于涂層厚度較大且用量多，對裝飾性、美觀性要求較高的鋼結構建筑中很少采用，其次，施工工藝較為復雜，在造型復雜的鋼結構中難以施工或全涂覆，當發生破損及脫落現象時將嚴重影響耐火性能。

2.3 生物型防火涂料

生物材料作為一種綠色環保、可再生的材料，廣泛運用于各個領域中，在防火涂料領域采用生物材料也有不錯的效果。利用高軟化點改性松香樹脂具有增黏、軟化等特點，馬騰飛等[17]研究了不同牌號、摻量松香樹脂對防火涂料防火性能的影響，結果顯示422 松香樹脂的摻量為0.7%時防火涂料的膨脹倍率達到45 倍且膨脹層外觀良好，測試鋼板的溫度最低。蛋殼、貝殼類產品作為最常見的生物材料，其主要成分為碳酸鈣及少量有機物，可作為防火涂料中的填料。邢君等[18]利用硅灰為粘結劑，蛋殼為填料制備了水基膨脹涂料，試驗發現硅灰、蛋殼以及阻燃添加劑的組合對鋼材的熱穩定性、炭層膨脹、表面結構等方面表現良好，蛋殼的加入能夠極大的提升防火性能；楊飛等[19]同樣利用蛋殼作為填料并制備了防火涂料，研究結果亦表明蛋殼作為填料有助于提升防火涂料的性能；李耀莊等[20]將蛤蜊殼作為填料并制備了防火涂料，結果顯示填料中添加蛤蜊殼后阻燃體系在燃燒過程中形成了豐富的交聯結構使得炭層更加致密，隔熱性能更好，涂層表現出良好的熱穩定性和成炭率，添加2wt%蛤蜊殼填料時防火涂料具有最佳的協效阻燃和抑煙性能，在800℃下涂層的殘炭量為33.7%。

3 鋼結構防火涂料的未來發展方向

鋼結構防火涂料分為無機型防火涂料和有機型防火涂料，前者多為厚型即非膨脹型，具有耐火時間長、防腐性能好等優點，同時具有涂層厚、用量多、裝飾性差、施工繁瑣等缺點；后者多為薄型或超薄型即膨脹型，具有粘結強度高、流平好、美觀、施工方便等優點，但在高溫下會釋放有毒煙霧，影響環境及人員健康。目前，超薄型防火涂料的市場份額最大，從發展趨勢來看，超薄型防火涂料必將會代替薄型和厚型防火涂料。

鋼結構防火涂料的未來發展方向必然是對超薄型防火涂料的進一步研究開發，可分為以下幾個方面：

⑴擴大防火涂料的使用范圍，簡化施工工藝；

⑵研發綠色環保型防火材料，減少對環境的污染以及減少對人員健康傷害；

⑶探索新型防火涂料配比設計，添加新型材料研制高性能產品，或研究添加其他行業的廢棄物，進行二次利用；

⑷加強對復合型防火涂料的研發，在提升耐火性能的同時提升耐水、耐腐蝕、隔熱等性能。

4 結語

⑴防火涂料的防火原理是將可燃物與助燃氣體隔離開，可分為膨脹型防火涂料和非膨脹型防火涂料。

⑵膨脹型防火涂料雖然在高溫條件下容易釋放有毒煙霧，但其具有施工方便、使用范圍廣而得到廣泛使用，市場份額占比高，超薄型防火涂料將是研究的重點，對酸源、碳源、氣源的研究有利于提升防火涂料的性能。

⑶非膨脹型防火涂料具有良好的耐火性能且無毒、無煙、造價便宜，但由于涂層較厚、用量多、施工工藝復雜，因此使用范圍受到限制。

⑷生物型防火涂料采用環保、可再生的材料，以及將蛋殼、貝殼類廢棄物進行二次利用，具有良好的環境效益。