防火涂料的研究及其應(yīng)用

1、防火涂料的研究及其應(yīng)用1 防火涂料概述 防火涂料又稱阻燃涂料， 它具有普通涂料的裝飾性， 并有防腐、 防銹、 耐酸堿、鹽霧等性能，除具有延長(zhǎng)物體使用壽命的保護(hù)功能外，更重 要的是涂料本身具有不燃性或難燃性，即防止被火焰點(diǎn)燃，因此在火 災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠阻止燃燒或?qū)θ紵耐卣褂醒訙饔?，即在一定的時(shí)間 內(nèi)阻止燃燒和抑制燃燒的擴(kuò)展，從而使人們有充分的時(shí)間進(jìn)行滅火工 作，達(dá)到保護(hù)人們生命財(cái)產(chǎn)的目的。 早在古羅馬時(shí)代，就有人開始用木材涂醋和黏土漿來進(jìn)行難燃處理。 發(fā)展到近代 1873 年，發(fā)明了在水性漆和油性漆中加入石灰、 氫氧化鉀、 硫酸鋁和普通鹽來保護(hù)建筑。 1900 年，人們就開始采用各種無機(jī)材料 作

2、為阻燃填充劑，以硅酸鹽水玻璃為粘結(jié)劑的無機(jī)防火涂料，此類涂 料的主要特點(diǎn)是自身不燃燒，遇火時(shí)能形成空芯泡層，對(duì)可燃基材有 一定的保護(hù)作用；缺點(diǎn)是隔熱性能和耐候性能較差，易產(chǎn)生泛白、龜 裂和脫落。 1940 年代末期，有人曾觀察蛇被燒的變化情況，受啟發(fā)而 發(fā)明了以汽油、 二甲苯之類的有機(jī)溶劑為分散介質(zhì)的膨脹型防火涂料。 此后，人們開始著手研制有機(jī)膨脹型防火涂料，此類涂料的主要特點(diǎn) 是防火性能和理化性能均優(yōu)于無機(jī)防火涂料，涂層遇火時(shí)能形成具有 良好隔熱性能的致密和海綿狀泡沫層，能更有效地保護(hù)可燃性基材。 與無機(jī)防火涂料相比， 有機(jī)防火涂料是更有發(fā)展前途的防火涂料類型， 所以在以后的幾十年間得以迅猛

3、的發(fā)展。至U1950I960年代，由于石 油危機(jī)的沖擊，以水為分散介質(zhì)的水溶性和水乳膠型防火涂料得以長(zhǎng) 足發(fā)展。我國(guó)在 1950 年代后期出現(xiàn)了以水玻璃為粘結(jié)劑的無機(jī)防火涂 料。 1970 年代初期，一些專業(yè)油漆廠生產(chǎn)了過氯乙烯，氯化橡膠防火 漆。由于以上兩種防火涂料防火效果并不理想，所以并未在我國(guó)形成 市場(chǎng)。直至 1970 年代后期，我國(guó)才開始進(jìn)行有機(jī)膨脹型防火涂料的研 究工作。在此之后，我國(guó)的有機(jī)膨脹型防火涂料得以迅速的發(fā)展。到 目前為止，我國(guó)的防火涂料生產(chǎn)企業(yè)已超過 200 家，年銷售量在 30kt 以上，已形成了跨行業(yè)，跨部門的生產(chǎn)體系。防火涂料按照其防火原理，可分為膨脹型和非膨脹型兩

4、大類。若以溶 劑類型來分，可分為溶劑型和水溶型兩大類，兩類涂料所選用的防火 組分基本相同，其選用的溶劑以采用的成膜物質(zhì)而定。溶劑型防火涂 料的成膜物質(zhì)一般選用氯化聚烯烴、丙烯酸樹脂、氨基樹脂、環(huán)氧樹 脂、酚醛樹脂等，采用的溶劑為溶劑汽油、醋酸丁酯等。水劑型防火 涂料的成膜物質(zhì)一般選用氯偏乳液、丙烯酸乳液、苯丙乳液、聚醋酸 乙烯酯等，這些材料均以水為溶劑。在涂料的防火性能、理化性能以 及耐候性能等方面，溶劑型防火涂料都優(yōu)于水劑型防火涂料，但是由 于成本、環(huán)境污染等原因，水溶型防火涂料也發(fā)展得較快。 防火涂料按其應(yīng)用場(chǎng)合可分為：（1）飾面型防火涂料，施涂于可燃基材（如木材、塑料、紙板、纖維 板等）

5、表面，能形成具有防火阻燃保護(hù)和裝飾作用涂膜的防火涂料。（2）鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，施涂于建筑物及鋼結(jié)構(gòu)建筑物表面，能形成耐火隔熱保護(hù)層，以提高鋼結(jié)構(gòu)耐火極限的防火涂料。（3）電纜防火涂料，施涂于電線電纜表面， 能形成具有防火阻燃涂層， 以防止電線電纜延續(xù)燃燒的防火涂料。這類防火涂料的構(gòu)成，理化性 能等特點(diǎn)與飾面型防火涂料相似，但防火性能與試驗(yàn)方法不同。 防火涂料的應(yīng)用很廣，例如在建筑、運(yùn)輸、飛機(jī)、宇航、軍工、船舶、 古代建筑和文物保護(hù)、電器、電纜、包裝等方面，使之越來越多地發(fā) 揮作用。2 防火涂料的研究2.1 防火涂料的基本機(jī)理從燃燒的條件知道，要使燃燒不能進(jìn)行，必須將燃燒的三個(gè)要素（可 燃物、氧氣

6、、熱源）中的任何一個(gè)要素隔絕開來。防火涂料之所以可 以防火（阻燃），大致可以歸納為以下幾點(diǎn)：2.1.1 防火涂料本身具有難燃或不燃性，這使被保護(hù)的可燃性基材不直 接與空氣接觸而延緩基材著火燃燒。2.1.2 防火涂料遇火受熱分解放出不燃性的惰性氣體，沖淡被保護(hù)基材 受熱分解放出的易燃?xì)怏w和空氣中的氧氣，抑制燃燒。2.1.3 燃燒被認(rèn)為是游離基引起的連鎖反應(yīng)。而含氮、磷的防火涂料受 熱分解放出一些活性自由基團(tuán)，與有機(jī)自由基結(jié)合，中斷連鎖反應(yīng)， 降低燃燒速度。2.1.4 膨脹防火涂料遇火膨脹發(fā)泡，生成一層泡沫隔熱層，封閉被保護(hù) 基材，阻止基材燃燒。2.2 非膨脹型無機(jī)防火涂料無機(jī)防火涂料有較高的耐熱

7、性和完全不燃、不發(fā)煙的特點(diǎn)，且有原料 易得、價(jià)格低廉、制備簡(jiǎn)單、著色自由、施工方便、無毒無火災(zāi)危險(xiǎn) 等優(yōu)點(diǎn)。早期的無機(jī)防火涂料主要是灰泥狀的，涂刮于被保護(hù)物體表 面。目前品種已經(jīng)很多，仍在不斷發(fā)展。作為無機(jī)涂料的粘合劑主要有水玻璃（硅酸鈉、硅酸鉀、硅酸鋰等） 硅溶膠、磷酸鹽、水泥等。其填料是一些耐火的礦物，如氧化鋁、高 嶺土、滑石粉、碳酸鈣、氧化鋅、硅藻土、珍珠巖、耐火土、細(xì)砂子、 鈦白粉、火山灰及巖棉纖維、硅酸鋁纖維等。無機(jī)涂層的防火保護(hù)作用是有賴于涂層自身耐火不燃性和高溫下形成 似釉膜封閉保護(hù)基材，與空氣隔絕，使之不能燃燒。無機(jī)涂層也具有 一定的隔熱作用，但不足之處是附著力及物理機(jī)械性能較

8、差，耐潮性 差，易龜裂、粉化、剝落，且涂層裝飾性不好等。采用粒度不同的無 機(jī)填料配合使用能提高涂層燃燒后的致密性，減少龜裂現(xiàn)象。適當(dāng)加 入高熔點(diǎn)的無機(jī)纖維，能增加涂層的整體性及涂層在高溫下驟冷不開 裂等性能。采用有機(jī)成膜物， 如乳液型有機(jī)樹脂等和無機(jī)成膜物拼用， 也能改善上述的涂層缺點(diǎn)。有機(jī)樹脂系和鈦酸系樹脂與無機(jī)涂料組分拼用也有較好的性能， 此外， 在水玻璃中添加氟硅酸鈉、氟硅酸鋅等也可改善其耐水性。在無機(jī)涂 層的基礎(chǔ)上，配套有機(jī)的防水涂層，進(jìn)行封閉保護(hù)，對(duì)提高無機(jī)防火 涂料的耐潮性和使用壽命是很有效的。2.3 膨脹型防火涂料2.3.1 膨脹型防火涂料的防火原理膨脹型防火涂料成膜后，在常溫下

9、是普通的漆膜。在火焰或高溫作用下，涂層發(fā)生膨脹炭化，形成一個(gè)比原來厚度大幾十倍甚至幾百倍的不燃的蜂窩泡沫狀炭質(zhì)層，它可以割斷外界火源對(duì)基材的加熱，從而 起到阻燃作用。以傳熱公式表示如下：Q=A 入t/L式中A傳熱面積；入一我熱介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)； t 介質(zhì)(涂層)兩側(cè)的溫度差；L傳熱距離(即涂層厚度)；Q傳導(dǎo)的熱量。上式中由于涂層膨脹后形成的泡沫炭化層厚度 L 要比未膨脹的厚度大 幾十倍，甚至可達(dá) 200倍。此外，一般涂層的導(dǎo)熱系數(shù) 入值約為1.163 X 10-48.141 x 10-4W/(mK)，而泡沫炭化層的 入值卻要小得多接近氣體的入值即2.326 x 10-5W/(m2K)。因此，通過

10、泡沫炭化層傳給底 材的熱量Q只有未膨脹涂層的幾十分之一，甚至幾百分之一了，從而 起到有效阻止外部熱源的作用。另一方面，在火焰或高溫作用下，涂層發(fā)生軟化、熔融、蒸發(fā)、膨脹等物理變化以及高聚物、填料等組分所發(fā)生的分解、解聚、化合等化學(xué)變化，涂料通過這些物理和化學(xué)的變化，吸收大量的熱能，抵消一部分外界作用于物體的熱能，從而對(duì)被保護(hù)物體的受熱升溫過程起延滯作用。涂層在高溫下發(fā)生脫水成炭反應(yīng)和熔融覆蓋作用，隔絕了空氣，使有機(jī)物轉(zhuǎn)化為炭化層，從而避免了氧化放熱反應(yīng)發(fā)生。另外由于涂層在高溫下分解出不燃性氣體，如氨、水等，稀釋了空氣中可燃 性氣體及氧的濃度，從而抑制有焰燃燒的進(jìn)行。2.3.2 膨脹型防火涂料的基本組成及作用膨脹型防火涂料通常含有成膜劑、成炭劑、成炭催化劑、發(fā)泡劑、無 機(jī)顏填料等。2.3.2.1成膜劑成膜劑對(duì)膨脹型防火涂料的性能有重大的影響。它與其它組分匹配，既保證涂層在正常工作條件下具有各種使用性能，又能在火焰或高溫 作用下使涂層具有難燃性和優(yōu)異的膨脹效果。2.3.2.2成炭催化劑成炭催化劑的主要作用是促進(jìn)和改變涂層的熱分解進(jìn)程，如促進(jìn)涂層內(nèi)含羥基的有機(jī)物脫水炭化，形成不易燃的三維空間結(jié)構(gòu)的炭質(zhì)層，減少熱分解產(chǎn)生的焦油、醛、酮的量，阻止放熱量大的炭氧化反應(yīng)發(fā) 生等，如：聚磷酸銨、多聚磷酸銨、磷酸氫銨、