随着钢材在建筑业中的广泛应用, 其防火保护问题也日益受到关注。钢材是热的良导体, 升温或遇火时热导率更高, 传热迅速。温度上升一方面导致钢结构膨胀, 引起构件伸长, 或两侧受热不均引起构件弯曲, 产生位移或约束力; 另一方面钢材的机械强度随温度升高而降低, 当温度上升到钢材的临界温度时, 钢材将失去承载能力。一般建筑钢材的临界温度为540而火灾火场的温度多在800~ 1 200之间, 裸露的钢结构在火灾发生的几分钟内, 自身温度就上升到500以上, 使其强度和荷载能力急剧下降, 在纵向和横向压力下发生变形并导致建筑物垮塌。因此, 对钢结构进行防火保护意义重大。目前, 钢结构件的防火方法主要有涂料保护、防火板保护、混凝土保护、柔性卷材保护、无机纤维保护、结构内通水冷却保护等。其中, 涂刷防火涂料施工方便、重量轻、成本低、不受构件几何形状限制, 应用范围最广, 效率最高。

1防火涂料的种类、特点及其研究现状

钢结构防火涂料从所用溶剂来分, 可分为溶剂型和水性型; 从防火机理来分, 可分为膨胀型和非膨胀型; 从使用范围来分,可分为室内和室外; 根据涂层厚度,可分为厚涂型(H 型)、薄型( B 型)和超薄型( CB型)。GB 14907 2002将钢结构防火涂料分为室内用、室外用及H 型、B 型和CB 型。

1. 1种类及特点

1. 1. 1厚涂型( H 型)

厚涂型钢结构件防火涂料涂层厚度在8~ 50mm, 一般由无机绝热骨料、无机胶结剂、防火添加剂、化学助剂及填料等混合配制而成, 依靠材料的不燃性、低导热性和涂层材料的吸热性, 延缓钢材的升温, 保护钢件。这类防火涂料采用喷涂施工,多应用于要求耐火极限2 h以上的钢结构件。高层民用建筑的柱、一般工业与民用建筑中支承多层的柱的耐火极限均应达到3 h, 需采用该厚型防火涂料保护。厚涂型钢结构件防火涂料存在涂层厚、自重大、黏结力小, 易脱落、表面粗糙、装饰性差、施工麻烦等缺点, 但其耐火极限高, 耐久性相对较好, 主要

组分为无机材料, 原材料来源广, 价格低, 遇火后不释放有毒气体和烟尘, 故仍得到广泛应用[ 3] 。采用不同级的膨胀蛭石和珍珠岩作保温隔热材料, 以水泥、石膏为胶结料, 加入防火添加剂、硅酸铝纤维等研制了BT 型钢结构住宅防火涂料,涂层厚度为24. 3 mm 时耐火极限超过3 h。上海长安防火阻燃材料有限公司选用新型复合黏结材料、性能较好的耐火隔热材料和增强材料, 成功研制了GFT H 厚型钢结构防火隔热涂料, 当涂层厚度为27 mm时其耐火极限超过3. 5 h, 且保证热导率低至0. 073W / ( m. K )时仍有较高的抗压强度。嵊州市防火涂料厂研制的GT隔热防火涂料涂度为22 mm时耐火极限为190 m in。

1. 1. 2 薄涂型( B型)与超薄型( CB 型)

( 1)薄涂型 通常, 薄涂型钢结构件防火涂料涂层厚度为3~ 7 mm。薄涂型防火涂料由黏合剂、催化剂、发泡剂、碳化剂、填料及改性剂等组成, 遇火时能膨胀发泡, 形成耐火隔热层, 延缓钢材升温,保护钢构件。该类涂料一般分为底层(隔热层)和面层(装饰层), 其装饰性比厚涂型好, 采用喷涂施工, 一般用于要求耐火极限不超过2 h 的建筑钢结构。对高层民用建筑中的梁、一般工业与民用建筑中支承单层的柱、梁、楼板以及屋顶承重构件中的钢结构可采用B型进行防护。薄涂型防火涂料具有涂层薄、质轻、黏结力好、表面光滑、装饰性好、单位面积用量少、施工简单方便、抗震动、抗翘曲性强等优点, 但主要组分为有机材料, 遇火时可释放出有害气体及烟雾, 长期暴露在空气中, 有机成分易溶出、分解、降解, 耐老化、耐久性较差, 施工时气味大, 若处于吸湿受潮状态会失去膨胀性。 ( 2)超薄型􀀁 超薄型钢结构件防火涂料涂层

厚度不超过3mm, 其对钢材的保护原理和薄涂型完全一致, 只是涂层在受热时膨胀高度更大, 泡沫层的强度更高。因此, 它对原材料的质量要求更高, 配方的合理化要求更强, 加工难度更高, 防火助剂的细度成为其制备的关键[ 5] 。超薄型防火涂料可采用喷涂、刷涂或辊涂施工, 一般使用于要求耐火极限2 h以内的建筑钢结构件, 可对一类建筑物的梁、楼板与屋顶承重构件, 二类建筑的柱、梁、楼板及各种轻钢梁、网架等进行有效的防火保护。与厚涂型和薄涂型防火涂料相比, 超薄型防火涂料__

1. 2 薄型和超薄型研究现状

目前对薄型、超薄型防火涂料的研究主要集中在原材料改进及开发新型的膨胀体系方面。

对基料的改进多用有机物􀀁无机物复合、膨胀非膨胀复合、功能互补的树脂拼合或树脂改性来改善防火性能和各种理化性能。对丙烯酸􀀁磷酸铝膨胀型防火涂料进行了研究, 有效地解决了有机物易燃、防火等级较低、无机材料作为主要成膜物质耐水性等物理性能较差的问题, 得到了性能优异的有机无机复合型防火涂料。在氨基树脂中加入丙烯酸树脂作拼合基料,成功地解决了氨基树脂涂层开裂的问题。

1膨胀型防火涂料通过对高氯化聚乙烯(HCPE )的改性, 明显降低了发烟量, 提高了发泡效果。E rrifai等运用低压微波等离子技术将氟化丙烯酸酯接枝聚合到聚己酰胺上, 锥形量热仪测定表明, 放热速率显著降低, 提高了防火阻燃性能。传统的化学膨胀体系中催化剂一般是中、低聚合度的聚磷酸铵, 成炭剂多为季戊四醇, 发泡剂则为三聚氰胺, 它们均有一定的吸湿性, 且与聚合物体系相容性差。针对这类情况, 研究了低聚合度的聚磷酸铵体系, 发现湿热条件下会有聚磷酸铵的白色晶体析出, 因此采用了高聚合度的聚磷酸铵或聚磷酸三聚氰胺。张泽江等[ 11] 研制的改性丙烯酸树脂防火涂料采用蜜胺磷酸盐作膨胀催化剂, 其阻燃性能、热稳定性能在一些应用中优于三聚氰胺、聚磷酸铵等的混合使用, 制成的防火涂料具有优良的耐水性、耐火性。采用聚磷酸铵、聚己酰胺膨胀体系避免了多元醇易渗出、水溶的问题, 取得了很好的防火性能。通过合理搭配, 借助协同效应提高阻燃效果方面研究得较多的是Sb2O3和卤素类阻燃剂的增效、PN、P C l的协同增效。探讨了微胶囊化红磷(MRP) 对氢氧化镁(MH )的阻燃增效作用;研究发现, Zn [ Sn ( OH ) 6 ] 对A l( OH ) 3、Mg ( OH ) 2有协同增效作用。通过在聚合物􀀁黏土纳米复合材料中加入磷系阻燃剂, 发现黏土对传统的阻燃剂有很好的协同增效作用。为了解决阻燃剂与聚合物相容性差的。

颜填料及其他一些助剂主要通过超细粉化、表面处理等技术提高分散性, 增加与体系的相容性,以提高涂料的阻燃消烟效果, 改善填料沉降性。采用经硅烷偶联剂改性的纳米T iO2作为钢结构件防火涂料的颜填料, 有效地提高了钢结构防火涂料的耐火极限。

P N C 膨胀复合体系的不足之处是: 用量较大, 影响涂料的理化性能; 热稳定性较差; 水溶性好, 耐老化性能差等。为此, 又开发了氨基苯磺酸盐、氨磺酰对苯胺、P, P氯化二苯磺酰肼、5􀀁氨基􀀁2硝基苯甲酸等集催化、成炭、发泡于一身的自身能膨胀的膨胀源, 由此极大地改善了防火涂料的理化性能[ 18 ] 。Duquesne等[ 19] 及张龙等[ 20] 都对石墨膨胀体系进行了研究, 表明可膨胀石墨防火涂料在热降解、阻燃性、耐老化性、耐候性能等方面较传统膨体系具有更突出的优点。

1. 3室外钢结构防火涂料

该防火涂料主要用于建筑物室外和石化企业露天钢结构等, 主要由耐候性好的合成树脂或有机高分子聚合乳液与无机黏结剂作基料, 配以阻燃剂、轻质材料、增强材料组成。这类涂料应具有优良的耐候性、耐水性、耐老化性、抗冷裂性等, 特殊环境下还要求具有耐化学大气腐蚀的性能。北京市建筑材料科学研究院研制的ST i􀀁B 露天钢结构防火涂料, 涂层厚度30 mm 时耐火极限超过190m in。

2存在的问题

2. 1安全性

薄型和超薄型防火涂料的膨胀阻燃体系大多为P C N 体系, 遇火时其阻燃成分可能释放出NH3、HCN、HX、NOx、CO、C l2、Br2等毒气。这些气体超过一定浓度, 便会对火场人员产生危害[ 21] 。溶剂型防火涂料是生产和是施工中都有大量的可挥发性有机溶剂挥发, 往往有毒。另外, 防火涂料中常加入重金属化合物填料如锑的氧化物、偏硼酸钡盐等, 会给生产及施工人员带来危害[
2. 2 耐久性

防火涂料的耐久性一般包括两方面的含义: 一是涂层与基材的黏结力, 二是涂层的防火性能是否持久, 即若干年后耐火极限是否明显降低[ 23, 24] 。薄型和超薄型防火涂料, 其组成物绝大部分都是有机物, 在使用中可能受日光、紫外线照射, 炭化、振动、挠曲、酸雨等作用, 引起有机组分溶出、分解、降解、老化等, 使涂层剥落粉化或失去防火性能。以无机组分为主的厚涂型涂料在长期使用中,由于水和CO2等的作用, 易引起孔隙从封闭变成为贯通, 从而使导热系数加大, 隔热性降低。

3 发展趋势

3. 1 开发水性环保型涂料

开发无毒、低污染、高性能的防火涂料日益受到重视。目前, 已开发出的低污染涂料主要有

种: 粉末涂料、辐射固化涂料、高固体分涂料和水性涂料。因粉末涂料施工时需要复杂的专用涂装设备, 辐射固化涂料不能用于厚涂层, 涂布设备昂贵且涂布费用高, 而高固体分涂料在使用时又多数需要烘烤, 因此这3种防火涂料均不能用作大型设备及建筑钢结构防火涂料。而水性涂料用水作为分散介质, 代替有机溶剂, 不但降低了涂料成本而且保护了环境, 是极佳的环保型涂料。因此, 要特别坚持发展水性防火涂料, 尽量减少或避免因生

产、施工或燃烧造成的环境污染和人身危害。

3. 2 研发单组分薄型钢结构防火涂料

目前, 我国市售的薄层钢结构防火涂料大都是双组分涂料, 使用时需将两组分按规定混合, 调和后涂布。一旦两组分混合在一起, 必须在一定的时间内涂完, 否则会因固化而无法涂布, 使剩余涂料报废。而单组分涂料使用前无需调配, 且保存期内无失效问题。