文章來自《涂料工業(yè)》2024年第3期
陳永明1，付振平1，郭必泛1，羅偉昂1，2，3，許一婷1，2，3，戴李宗*1，2，3
（1.廈門大學(xué)材料學(xué)院，福建廈門361000；2.福建省防火阻燃材料重點實驗室，福建廈門361000；3.廈門市防火阻燃材料重點實驗室，福建廈門361000）
摘要
防火涂料是近年來關(guān)注度較高、發(fā)展迅猛的特種功能涂料，被廣泛應(yīng)用在城市高樓、隧道和古建筑的保護等眾多領(lǐng)域。從防火涂料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能改進以及標(biāo)準(zhǔn)化更新等角度出發(fā)，綜述了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、飾面型防火涂料和隧道防火涂料近年來國內(nèi)外的研究進展。簡述了防火涂料的未來發(fā)展趨勢，并對新一輪的技術(shù)革新提出構(gòu)想。
關(guān)鍵詞
防火機理；鋼結(jié)構(gòu)防火涂料；飾面防火涂料；隧道防火涂料
作為參考文獻時的標(biāo)準(zhǔn)著錄格式
陳永明，付振平，郭必泛，等.防火涂料的研究進展[J].涂料工業(yè)，2024，54（3）：54-58，65.
CHENYM，F(xiàn)UZP，GUOBF，etal.Researchprogressoffireretardantcoatings[J].Paint&CoatingsIndustry，2024，54（3）：54-58，65.
DOI
10.12020/j.issn.0253-4312.2023-350
第 一作者
陳永明（1997—），男，在讀博士，主要研究方向為環(huán)氧樹脂的阻燃改性。
通信作者
戴李宗（1959—），男，博士，教授，主要研究方向是防火阻燃材料、固體表面涂層材料、黏合劑等。
防火涂料是一種特種功能涂料，在保護人民的生命財產(chǎn)安全方面具有重要意義。防火涂料由成膜物、膨脹體系、填料和功能助劑等組成。根據(jù)防火涂料對物體起防火作用的原因可以歸納為：（1）本身具有難燃或不燃性，使被保護的可燃基材不直接與空氣接觸而延遲基材著火燃燒；（2）遇火受熱可分解出不燃性的惰性氣體，沖淡被保護基材受熱分解出的易燃氣體或空氣中的氧，從而抑制燃燒；（3）遇熱能生成減緩及終止燃燒連鎖反應(yīng)的自由基，有效防止火焰的擴散蔓延；（4）遇熱膨脹，形成隔熱、隔氧的膨脹炭層，阻止基材升溫或燃燒。
我國防火涂料的發(fā)展起步較晚，但得益于社會關(guān)注度的提高和后發(fā)的技術(shù)優(yōu)勢，整體發(fā)展速度較快，尤其是鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的品種、技術(shù)、性能、應(yīng)用效果和標(biāo)準(zhǔn)化程度等已經(jīng)迎頭趕上。本文主要介紹鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、飾面型防火涂料和隧道防火涂料近年來的研究進展。
1鋼結(jié)構(gòu)防火涂料
鋼材是應(yīng)用較廣的建筑材料，但其耐火性低，高溫下鋼材的剛度和強度快速降低，在外力協(xié)同作用下會迅速發(fā)生破壞，對建筑物結(jié)構(gòu)的安全性造成嚴重威脅。根據(jù)BSEN-1993-1-2：2007《歐洲規(guī)范3：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計——第1-2部分：總則——結(jié)構(gòu)防火設(shè)計》，鋼材在550～600℃時的剛性強度較常態(tài)下降低50%，而在750℃時減小90％，使得建筑坍塌毀壞，造成重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。在鋼結(jié)構(gòu)建筑表面涂裝防火涂料，能夠有效隔絕火場的高溫，極大地延長鋼結(jié)構(gòu)達到臨界溫度（540℃）的時間，是國際上鋼結(jié)構(gòu)建筑有效而通用的防護措施。GB14907—2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》的發(fā)布，修改了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火性能的要求和試驗方法，普通鋼結(jié)構(gòu)防火涂料和特種鋼結(jié)構(gòu)防火涂料采用不同的火災(zāi)升溫試驗條件進行試驗，并分別進行耐火性能分級；還增加了耐紫外線輻照性和隔熱效率偏差方面的要求，使我國鋼結(jié)構(gòu)防火涂料標(biāo)準(zhǔn)更接近國際標(biāo)準(zhǔn)要求，進一步引導(dǎo)了我國鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的發(fā)展。按照防火原理，可分為非膨脹型和膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料兩類。
1.1非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料
非膨脹型防火涂料，也稱為厚涂型防火涂料，通常應(yīng)用于普通工業(yè)與民用建（構(gòu)）筑物的鋼結(jié)構(gòu)表面或石油化工設(shè)施、變電站、海上鉆井平臺等特殊建（構(gòu)）筑物的鋼結(jié)構(gòu)表面。非膨脹型防火涂料一般由水泥基或石膏基等無機類成膜物或聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯等有機類成膜物，防火填料（氧化鋁、石棉粉、高嶺土、碳酸鈣、硅藻土、石棉纖維、二氧化硅纖維等），及適量助劑組成。通過涂層自身的難燃性和低導(dǎo)熱系數(shù)在基材與火源之間形成阻隔層，達到防火的效果。以無機類成膜物的非膨脹型防火涂料存在黏結(jié)強度較差、抗開裂性不足及養(yǎng)護時間長等問題，這將導(dǎo)致高溫下涂層難以阻擋熱量向基材的傳播，造成脆性破壞等問題。通常改善黏結(jié)強度的方式有調(diào)控砂漿水灰比，改善施工技術(shù)，使用無機/有機成膜物復(fù)配等。研究發(fā)現(xiàn)，向磷酸銨鎂水泥防火涂料中分別引入0.5%的玄武巖和0.5%的聚丙烯纖維，并調(diào)整合適的水灰比，可以明顯改善涂料的黏結(jié)強度和抗開裂性，耐火性能相比改性前分別提高了22.09%和11.63%。此外，在防火涂層表面貼防火隔層也能提升防火效果。例如，在改性磷酸鎂水泥上粘貼碳纖維布能夠增強防火涂料的黏結(jié)耐久性、耐火性及高溫剝落性能。
厚涂型防火涂料的涂層較厚，質(zhì)量大，這增大了鋼結(jié)構(gòu)建筑的承質(zhì)量負擔(dān)，如何降低防火涂料的干密度和導(dǎo)熱系數(shù)成為研究人員關(guān)注的熱點，采用蛭石、珍珠巖、粉煤灰空心微珠、氣凝膠、發(fā)泡聚苯乙烯、微囊相變材料和復(fù)合相變材料等多種輕質(zhì)填料來替代傳統(tǒng)的隔熱填料，可為降低厚涂型防火涂料的質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。幾種常見輕質(zhì)填料的特征如圖1和表1所示。
表1常見輕質(zhì)填料的優(yōu)缺點
Table1Advantagesanddisadvantagesofconventionallightweightfillers
整體而言，非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料近年來的研究主要集中在開發(fā)輕質(zhì)化填料、提高涂層抗高溫開裂和脫落性能、簡化施工工藝等方向。
1.2膨脹型防火涂料
相對于非膨脹型防火涂料，膨脹型防火涂料具有輕?。ê穸葢?yīng)≥1.5mm）、裝飾性好、施工快，且耐火時間與非膨脹型防火涂料相當(dāng)?shù)葍?yōu)點，是大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的熱門選擇，其中超薄型防火涂料備受青睞。膨脹型防火涂層在常溫下為普通涂膜，而在高溫作用下涂層可膨脹幾倍甚至幾十倍，形成不易燃的海綿狀炭質(zhì)層，起到阻隔外部熱源的作用。膨脹型防火涂料常見的成膜物有環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、丙烯酸樹脂等。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的密封性和裝飾性，被廣泛應(yīng)用于室外防火涂料；聚氨酯樹脂具有成膜溫度低、附著力強、耐化學(xué)品性優(yōu)良等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)防護用防火涂料；丙烯酸樹脂干燥速度快、耐候性好、單組分等特點，被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)防火涂料。但這些成膜材料都極易燃燒，且燃燒后的炭層非常疏松，不利于基材在高溫下的保護。為了使膨脹型防火涂料受火時產(chǎn)生膨脹致密的炭層，使基材獲得更長的耐火時間，研究人員往往需要向樹脂中加入膨脹體系。根據(jù)各組分在膨脹體系中的作用，它可以歸類為炭化劑（炭源）、炭化催化劑（酸源）、膨脹劑（氣源）等。膨脹致密炭層的形成往往需要多種填料的協(xié)同作用。例如，以納米二氧化硅（SiO2）改性聚磷酸銨（APP）合成了微納結(jié)構(gòu)磷/氮/硅填料（APP@Si），并采用無溶劑法制備了高性能膨脹型環(huán)氧防火涂料，添加量為10%時，涂層達到UL-94V-0等級。背溫測試中，在加熱1200s的情況下，涂有該膨脹型防火涂料的背板溫度低至126.4℃，比涂覆純EP涂層的低221.5℃。Sun等以4-氨基苯硫酚、4-甲?；脚鹚?、苯基三氯硅烷為原料合成出一種含P/Si/B的星型填料，在6%的添加量下，涂層符合UL-94V-0等級。國外研究人員將硅灰石和膨潤土作為消耗性石墨的增強材料，并搭配三聚氰胺、聚磷酸銨、可膨脹石墨鱗片和硼酸等，在硅灰石/膨潤土（質(zhì)量比為1∶1）添加量為4%時可實現(xiàn)防火實驗199min后基板**高溫度只有166℃，有效地降低了熱滲透性。填料的添加是實現(xiàn)高 效防火的便捷方法，但往往也需要高添加量才能達到理想的防火效果，然而高添加量可能會造成涂層分相，犧牲涂層的力學(xué)等性能。因此，制備低成本、添加量少，并且與樹脂體系相容性好的填料是這一體系的**終目標(biāo)。
此外，向涂層中添加石墨烯、氮化硼（BN）、MXene、氧化鋅和可膨脹石墨（EG）等填料也可以提高燃燒后炭層致密性和涂層的隔熱效果，但填料在樹脂體系中分散不均勻，會造成涂層表面不平整或出現(xiàn)相分離，從而導(dǎo)致涂層的系列問題。修飾填料表面，增強其與樹脂體系的相容性是解決相分離問題的關(guān)鍵。多糖因其表面富含羥基，常被用于填料的表面改性，不僅可以增加填料與樹脂的相容性，也可以作為炭源提高涂層的成炭性。Chen等采用葡萄糖對碳微球（CMS）進行包裹，并在修飾的微球上負載硫化鉬納米片（MoS2），所制備的CMS@MoS2核殼雜化物用于改性環(huán)氧樹脂，當(dāng)負載為3%時，涂層的膨脹高度為16.87mm（膨脹率13%），殘?zhí)柯蔬_30.6%，展現(xiàn)出優(yōu)異的防火性能。此外，在填料表面進行有機酸（磷酸、硼酸等）包覆，有利于催化涂層受熱后形成致密炭層。Wang等采用苯基硼酸修飾的磷酸鋯（ZrP-M）納米片提高了膨脹型防火涂料的耐火性、抑煙性、熱穩(wěn)定性和耐水/酸/堿性，在3%ZrP-M的添加量下，峰值熱釋放速率（pHRR）、總釋放熱（THR）和總煙釋放速率（TSR）分別降低了74.3%、74.5%和41.9%，并且成炭率和水接觸角分別達到70.9%和116.9°，優(yōu)異的防火性和炭化能力使其優(yōu)于商用防火涂料。
燃燒過程中，膨脹炭層通常會出現(xiàn)開裂或脫落的缺陷。為了解決這一問題，研究人員設(shè)計出多功能插層可膨脹石墨-羥丙基甲基纖維素-脲嘧啶酮體系，用其制備的防火涂料在耐火實驗中可使鋼板的正面和背面溫度分別保持在400℃和85℃。隨著人們環(huán)境保護意識的增強，生物質(zhì)材料也逐漸被應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中。將生物質(zhì)腐植酸作為酸源之一，與聚磷酸銨、三聚氰胺和硼酸鋅組成的新型環(huán)保生物質(zhì)膨脹涂料也能夠賦予鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)異的耐火性。提高膨脹型防火涂料性能還可以通過設(shè)計雙膨脹結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。Geoffroy等設(shè)計了由2種不同的膨脹涂料和金屬層壓組成的雙層膨脹結(jié)構(gòu)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，外層率先膨脹隔熱，附著在涂層中間的鋁箔起到防火作用，當(dāng)鋁箔升高至一定的溫度才能引發(fā)**內(nèi)層防火涂料的膨脹，這種設(shè)計使涂層在火災(zāi)中暴露30min后仍能保持對基材的良好附著。近年來，膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料在配方的調(diào)控、膨脹體系的開發(fā)、無機填料的表面修飾、二維材料和生物質(zhì)材料的應(yīng)用等方面都取得了不錯的成績。
2飾面型防火涂料
飾面型防火涂料與人們的生活息息相關(guān)，通常涂覆在可燃基材（如木質(zhì)結(jié)構(gòu)、古建筑、纖維板、紙板及制品）表面，具有一定裝飾作用。根據(jù)GB12441—2018《飾面防火涂料》規(guī)定，飾面型防火涂料需要具有一定裝飾作用，附著力≤3級，細度≤90μm，受火后能膨脹發(fā)泡形成隔熱保護層，炭化體積≤25cm3。
木質(zhì)結(jié)構(gòu)具有多孔結(jié)構(gòu)，且極易燃燒，當(dāng)暴露在水、氧氣和太陽直射等環(huán)境下會經(jīng)歷一個緩慢的老化過程。因此，在木質(zhì)結(jié)構(gòu)上涂裝防火涂料不僅要兼顧防火性能，還需要具有表面抗菌、疏水、耐候、紫外線屏蔽等性能。涂層在木材上的良好涂裝是獲得優(yōu)異性能的前提，為了使涂層更好地涂覆在木材表面，通常采用基材表面處理和特殊涂裝技術(shù)等方式提高涂料與基材的黏合。增強涂層在木材上的附著，還可以向樹脂基材中加入與木材成分相似的碳水化合物，比如將殼聚糖用次磷酸改性，再進行離子絡(luò)合，與商用環(huán)氧樹脂復(fù)配后所涂覆的木材在對比實驗下展現(xiàn)出優(yōu)異的耐火性能。其次，木制品使用過程中造成的表面劃痕不可避免，開發(fā)自修復(fù)涂層可以更好地保護木材的美觀，通過設(shè)計具有逐層結(jié)構(gòu)的聚（丙烯酸）-金剛烷胺/聚磷酸銨-聚（亞乙基亞胺）-β-環(huán)糊精涂層，在主客體的相互作用下可以實現(xiàn)表面自修復(fù)，且聚磷酸銨的存在使涂層在燃燒下具有較好的成炭性，起到很好的防火效果。此外，在古建筑的保護中往往需要保留建筑物本身的美學(xué)價值，因此，兼具裝飾和防火功能的透明涂層極 具應(yīng)用前景。納米ZnO因具有光催化活性、紫外線屏蔽效果、抗菌、耐候等特性，在這類涂料中被廣為應(yīng)用。將磷酸酯化學(xué)接枝到納米ZnO表面，從而改善納米ZnO與樹脂的相容性，其與樹脂混合后制備出了兼具阻燃、抗菌、紫外線屏蔽等多功能透明防火涂料。磷酸酯不僅可以改性納米粒子的表面，還可以與環(huán)氧樹脂反應(yīng)合成磷酸樹脂酸，并用氨基樹脂固化，得到水性透明防火涂料；也可以和聚乙二醇硼酸酯進行酯化反應(yīng)，合成出含磷硼的填料，并在季戊四醇和三聚氰胺甲醛樹脂的搭配下實現(xiàn)熱穩(wěn)定性更好、炭層膨脹性更好、致密程度更高的透明防火涂層。此外，也可以將磷酸酯接枝到氧化石墨烯表面，由于其均勻分散和完全剝落的狀態(tài)，摻入到氨基樹脂后能夠制成透明防火涂料，減少木材的火災(zāi)隱患。
納米技術(shù)的發(fā)展也為飾面型防火涂料的發(fā)展提供了有效的解決方案。例如，將木材與黏土、Mg-Al層狀雙氫氧化物和碳酸鈣制成的雜化無機納米顆粒被證明可以形成具有良好耐熱性和難燃性的功能性無機/有機材料。CaAlCO3 層狀雙氫氧化物也被認為是制備木材用膨脹防火涂層的有效方案之一。
3隧道防火涂料
隧道防火涂料與鋼結(jié)構(gòu)防火涂料類似，但隧道防火涂料面臨的氣候環(huán)境和地形地貌更為復(fù)雜多變，還需考慮汽車尾氣的腐蝕和干濕反復(fù)作用等。JT/T1308—2020《公路工程隧道防火涂料》對隧道防火涂料的技術(shù)提出了要求，黏結(jié)強度在凍融前≥0.30MPa；凍融后≥0.20MPa；干密度≤700kg/m3；耐水性在≥720h試驗后涂層不出現(xiàn)開裂、起層和脫落等問題，耐火性能升溫時達到1.5h以上，降溫時達到1.83h以上。
改善涂層的耐水性可以有效阻止水分滲透，保護墻體結(jié)構(gòu)，通常選用硅酸鹽類水泥可以改善涂層疏水性。有專利報道，將硅酸鹽類水泥/高鋁水泥與丙烯酸乳膠組合，并加入填料[膨脹珍珠巖、膨脹蛭石和超細粉（0.01~0.1μm）]和助劑，被證明可以形成疏水表面，又能滲透到底材內(nèi)部形成結(jié)晶體遏制水的通過，達到雙重防水效果，并兼具涂層薄、黏結(jié)強度高、綠色環(huán)保的優(yōu)點。利用可膨脹石墨粉的耐高溫、膨脹倍數(shù)高、隔熱效果強的特點替換涂料配方中的季戊四醇，并與速溶膠粉、三聚氰胺和三聚磷酸銨復(fù)配，從而改善了隧道防火涂料的耐水性。隧道防火涂料作為國防和民用工程中的重要保障，它在我國的發(fā)展較為緩慢，未來，突破隧道涂層的抗干濕穩(wěn)定性、抗開裂性和耐候性等是迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。
隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生時，產(chǎn)生的大量煙氣往往難以排除，將對受災(zāi)人群產(chǎn)生致命威脅，涂料配方設(shè)計時需要考慮低煙釋放總量和更高等級的耐火性能。此外，如何在信息化時代中將防火涂層與實時信息相結(jié)合，實現(xiàn)災(zāi)情的精準(zhǔn)定位或許會是新一輪涂層技術(shù)的改革。
4結(jié)語
科技的進步讓人們意識到了防范火災(zāi)發(fā)生的重要性，并促進了防火科學(xué)技術(shù)的進步，我國系列防火涂料標(biāo)準(zhǔn)的修訂對防火涂料提出了更高的要求。在近些年的研究中，涂料配方的設(shè)計、膨脹體系、新型填料以及二維材料和生物質(zhì)材料在防火涂料中的應(yīng)用不僅有效提高了涂層的耐火性能，也豐富了涂層的功能。其中，膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料取得的進展尤為明顯。飾面型防火涂料近年來提出的納米技術(shù)和仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計為工程材料（尤其是木材）防火性能的改善提供了更環(huán)保的解決方案，也為古建筑的防火提供了新思路。當(dāng)前對隧道防火涂料的研究依舊較少，主要集在改善涂層耐候性、提高耐火時間和低煙、抗開裂的研究上?？傮w而言，防火涂料依舊以有機類為主，防火涂料實現(xiàn)水性化轉(zhuǎn)型和生物材料替代化工材料依然是防火涂料的發(fā)展方向。未來，如何實現(xiàn)防火涂層作用后的便捷清理和重新涂裝便于災(zāi)后重建以及將信息技術(shù)與智能防火涂層相結(jié)合，使其融入到大數(shù)據(jù)中，為火災(zāi)救援提供及時的精準(zhǔn)定位可能是一種新的變革。
專注防火涂料
產(chǎn)品中心 公司主營鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,防火漆,防火涂料生產(chǎn)廠家,防火涂料廠家,國內(nèi)知名防火涂料廠家,防火封堵材料、膠粘劑的技術(shù)引進、推廣與研發(fā)。
企業(yè)實力 公司成立于2002年，注冊資金10000萬元，是一家專注從事防火涂料技術(shù)引進、技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品銷售和咨詢服務(wù)的中外合資企業(yè)。
