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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(jī)樹(shù)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(shí)，首先是成膜物軟化熔融，引起整個(gè)涂層軟化、塑化，此時(shí)發(fā)泡劑達(dá)到分解溫度，釋放出非燃性氣體，使涂層膨脹成泡沫層，同時(shí)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(jī)物發(fā)生脫水成炭反應(yīng)。當(dāng)泡沫達(dá)到最大體積時(shí)，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(duì)膨脹型防火涂料的性能有重大影響，有時(shí)對(duì)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(shù)脂、氯化聚乙烯、過(guò)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(shí)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(qiáng)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30min的場(chǎng)合，適用于飾面型防火涂料。
　　
　　（2）醇酸樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂涂膜附著力較好，發(fā)泡較慢也不均勻，發(fā)泡持續(xù)時(shí)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(shí)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(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂、氯化橡膠改性環(huán)氧樹(shù)脂，尤其是氯化橡膠改性環(huán)氧樹(shù)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(shí)間長(zhǎng)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(shù)脂適用于耐候性要求高的場(chǎng)合；有機(jī)硅樹(shù)脂適用于耐高溫的場(chǎng)合；氯化橡膠改性環(huán)氧樹(shù)脂適用于耐腐蝕的場(chǎng)合，但不適用于室外場(chǎng)合。
　　
　　1.2成膜物實(shí)驗(yàn)
　　
　　選用丙烯酸樹(shù)脂Sh1作主成膜物，以發(fā)泡效果好的氨基樹(shù)脂Sh2和具有增塑作用的氯化石蠟70作次成膜物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用德國(guó)Netzsch公司STA409C熱分析儀進(jìn)行熱分析測(cè)試。熱分析條件是：空氣氣氛，空氣流量為60mL/min，升溫速率為10℃/min。由丙烯酸樹(shù)脂Sh1的熱失重（TG）曲線和差熱分析（DTA）曲線可知：其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為65.8℃，在134℃時(shí)熱失重幾乎為零；134~357.3℃熱失重達(dá)38.67%；在314.2℃有一熔融吸收峰，這主要是由于樹(shù)脂中的溶劑和小分子化合物在體系熔融時(shí)揮發(fā)所致；357.3~406.0℃熱失重達(dá)33.18%；在394.5℃有一分解吸收峰，丙烯酸樹(shù)脂被氧化分解成炭質(zhì)層；406.0~750.8℃熱失重達(dá)27.31%，炭質(zhì)層逐漸氧化成CO2而逸出體系；750.8~1000℃熱失重幾乎為零，此時(shí)丙烯酸樹(shù)脂已分解完畢。Sh2氨基樹(shù)脂是由氨基化合物和甲醛縮聚而成的熱固性樹(shù)脂。其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為65.8℃，由其DTA曲線可知：127.8℃時(shí)Sh2樹(shù)脂熱失重幾乎為零；127.8~306.6℃熱失重達(dá)27.93%，主要是由于樹(shù)脂中的溶劑和小分子化合物在體系熔融時(shí)揮發(fā)；306.6~401.8℃熱失重達(dá)43.47%；在349.9℃有一分解吸收峰，氨基樹(shù)脂逐漸分解釋放出NH3，剩余物形成炭層骨架，氨基樹(shù)脂在這一過(guò)程中起到發(fā)泡劑和成膜物的雙重作用；401.8~699.1℃熱失重達(dá)26.35%，炭層骨架逐漸氧化成為CO2；699.1~1000℃熱失重幾乎為零，此時(shí)氨基樹(shù)脂已分解完畢。由氯化石蠟70的TG曲線和DTA曲線可知：269.4℃之前，熱失重達(dá)5.20%；269.4~369.6℃熱失重達(dá)63.75%；在314.2℃有一熔融吸收峰，這主要由于樹(shù)脂中的溶劑和小分子化合物在體系熔融時(shí)揮發(fā)所致；369.6~599.3℃熱失重達(dá)26.11%；在349.9℃有一分解吸收峰，氯化石蠟70氧化分解釋放出HCl小分子，起到阻燃作用，剩余物生成炭層，炭層再逐漸氧化生成CO2；599.3~1000℃沒(méi)有相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。氨基樹(shù)脂在常溫下所形成的涂膜硬而脆，附著力差，易開(kāi)裂，耐水性差，增大氨基樹(shù)脂用量會(huì)嚴(yán)重影響涂層的理化性能，但可以提高涂層的膨脹倍數(shù)。然而由于氨基樹(shù)脂形成的泡沫層疏松，泡沫層硬度較小，在汽油噴燈的強(qiáng)烈火焰沖擊下，泡沫層逐漸脫落或被火焰燒穿，隔熱性能下降，最終導(dǎo)致涂層的耐火時(shí)間較短，無(wú)法達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨丙烯酸樹(shù)脂用量的增加，涂層的耐水性、炭層的致密性及硬度均有較明顯的改善，但其用量過(guò)大將嚴(yán)重影響涂層的防火性，主要因?yàn)檫^(guò)量的丙烯酸樹(shù)脂會(huì)導(dǎo)致炭化層厚度不夠，涂層在受火過(guò)程中出現(xiàn)向下塌陷脫落的現(xiàn)象，從而使隔熱性能下降。丙烯酸樹(shù)脂具有良好的耐候性，對(duì)于配制室外防火涂料或延長(zhǎng)防火涂料的壽命都必不可少。氯化石蠟70主要為成膜物提供氯元素，在受熱分解的過(guò)程中釋放出氯化氫，達(dá)到阻燃的目的，但氯化石蠟70用量不宜過(guò)多，否則會(huì)造成涂層開(kāi)裂和黃變。在適宜的成膜物配比條件下，可以得到最佳的涂層膨脹高度及耐火時(shí)間。一般丙烯酸樹(shù)脂、氨基樹(shù)脂、氯化石蠟70的質(zhì)量比約4∶2∶1，成膜物在整個(gè)涂料體系中的用量約20%~40%。

1.3成炭催化劑的選擇
　　
　　成炭催化劑的作用是促進(jìn)和改變涂層的熱分解進(jìn)程，如促進(jìn)涂層內(nèi)含羥基有機(jī)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(lèi)，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1000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(shí)不能使基料樹(shù)脂很好成膜，影響成炭劑脫水；其用量過(guò)大時(shí)，則會(huì)使涂膜干燥變慢且發(fā)黏。聚磷酸銨用量以23%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右為宜。
　　
　　1.4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(duì)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(jī)物，如淀粉、季戊四醇、二季戊四醇、三季戊四醇、含羥基樹(shù)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(jià)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(huì)降低防火性能。實(shí)驗(yàn)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(guò)大，會(huì)導(dǎo)致膨脹涂層的流動(dòng)；用量較小，又會(huì)影響涂層的膨脹高度和膨脹層的質(zhì)量。因此，必須嚴(yán)格控制季戊四醇的用量，一般其用量約占總體系的14%左右。
　　
　　1.5發(fā)泡劑的選擇
　　
　　膨脹型防火涂料的特點(diǎn)是涂層遇熱時(shí)，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(lái)實(shí)現(xiàn)。發(fā)泡劑是否適用，其分解溫度是關(guān)鍵。分解溫度過(guò)低，釋放氣體在成炭前逸出起不到作用；分解溫度過(guò)高，產(chǎn)生的氣體會(huì)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(lèi)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(shù)脂、氨基樹(shù)脂等。體系中聚磷酸銨、氯化石蠟、氨基樹(shù)脂已起到大部分發(fā)泡劑的作用，用三聚氰胺補(bǔ)充不足部分。實(shí)驗(yàn)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(chǎng)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。　　
　　1.6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(huì)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(shí)間短。選用鈦白粉為顏料，它的遮蓋力強(qiáng)且化學(xué)性能穩(wěn)定。銳鈦型鈦白粉對(duì)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。
　　
　　1.7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(wú)機(jī)物作為填料。適量的膨脹石墨能延長(zhǎng)耐火時(shí)間；無(wú)機(jī)鹽晶須可提高涂層及炭化層的強(qiáng)度，避免泡沫氣體造成涂層破裂，同時(shí)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。
　　
　　1.8溶劑的選擇
　　
　　溶劑對(duì)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(zhǔn)主要是溶劑的溶解能力、揮發(fā)性、閃點(diǎn)、毒性及價(jià)格等。基于這些要求的考慮，選擇了不含“三苯”的無(wú)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(guò)程分析
　　
　　超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的TG曲線和DTA曲線分別見(jiàn)圖1和圖2。||

　通過(guò)對(duì)超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料TG曲線（圖1）的分析，我們可將涂料的膨脹過(guò)程分為4個(gè)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(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)，涂層中的成膜物質(zhì)開(kāi)始熔融軟化，由DTA曲線（圖2）可以看出：在180℃有一小的吸熱峰，約47J/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(guò)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(shí)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(shí)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(wú)機(jī)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(jī)化合物發(fā)生酯化反應(yīng)，生成強(qiáng)吸水性物質(zhì)，在空氣中的吸水率達(dá)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(jìn)行。與此同時(shí)，多元酸和酯脫水炭化，形成無(wú)機(jī)物及炭化殘余物，使體系進(jìn)一步膨脹發(fā)泡。反應(yīng)接近完成時(shí)，體系膠化和固化，脫水成炭，生成的不飽和主鏈再進(jìn)行環(huán)化架橋反應(yīng)，最后生成致密堅(jiān)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(hù)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(qiáng)吸熱峰，約為350J/g，主要為這階段的發(fā)泡炭化過(guò)程吸收的外部能量，以使反應(yīng)得以順利進(jìn)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(shí)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(qiáng)放熱峰，約為830J/g、250J/g，主要是炭化層中的碳逐漸被氧化而釋放出能量。
　　
　　第四，無(wú)機(jī)層階段（770~1000℃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(wú)機(jī)材料形成白色無(wú)機(jī)骨架。超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火后期，主要是這些無(wú)機(jī)骨架組成的無(wú)機(jī)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(yǔ)
　　
　　針對(duì)目前市場(chǎng)迫切需求的高性能、裝飾性好、施工方便、涂覆量少、附著力強(qiáng)、耐候性好的超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，通過(guò)分析，得出如下結(jié)論：（1）丙烯酸樹(shù)脂具有良好的耐候性，氨基樹(shù)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(qiáng)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(zhǎng)耐火時(shí)間，無(wú)機(jī)鹽晶須可提高涂層及炭化層的強(qiáng)度，同時(shí)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。