鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究進(jìn)展

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究進(jìn)展[摘要]本文在多方收集資料和研究的基礎(chǔ)上，論述了綱結(jié)構(gòu)放火涂料的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀,分析了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的分類和特點(diǎn)，指出了目前存在的一些問題，并展望了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的發(fā)展前景及趨勢。[關(guān)鍵詞]鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料防火涂料 0前言經(jīng)濟(jì)和社會的迅速發(fā)展拖動了建筑用材的不斷升級和換代，使得大型建筑不斷增多。而這些大型建筑的主要承重構(gòu)件大多依賴于堅(jiān)固而又輕便的鋼材，這些鋼材賦予了建筑物以寬闊、輕盈而又不失穩(wěn)固的風(fēng)格。就目前的發(fā)展趨勢來看，鋼結(jié)構(gòu)將是未來大型建筑的主要形式。但是，鋼結(jié)構(gòu)建筑的耐火性能遠(yuǎn)比磚石結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土要差。一般說來，鋼材的機(jī)械強(qiáng)度是溫度的函數(shù)，可以認(rèn)為鋼材的機(jī)械強(qiáng)度隨溫度的升高而降低。當(dāng)溫度達(dá)到某一值時(shí)，鋼材便失去承載能力，這一溫度被定義為鋼材的臨界溫度，一般常用的建筑鋼材的臨界溫度在540℃左右。對于建筑火災(zāi)，火場的溫度大多在800—1200℃左右，在火災(zāi)發(fā)生的10min內(nèi)，火場的溫度即可達(dá)到700℃以上。對于裸露的鋼材，在這樣的火災(zāi)力場下，只要幾分鐘就可上升到500℃而達(dá)到臨界值，使得承載能力失效并導(dǎo)致建筑物垮塌。2001年9月11日發(fā)生在美國紐約的恐怖襲擊事件，就是由于載油飛機(jī)襲擊世貿(mào)大廈時(shí)產(chǎn)生爆炸起火后劇烈燃燒，溫度快速上升使鋼結(jié)構(gòu)軟化并在較短的時(shí)間內(nèi)使鋼結(jié)構(gòu)的世貿(mào)大廈坍塌。因此，進(jìn)行防火處理對于鋼結(jié)構(gòu)的大型建筑物具有十分重要的作用。對鋼結(jié)構(gòu)建筑物進(jìn)行防火保護(hù)，國內(nèi)外使用最多的是防火涂料。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的作用在于涂在鋼材表面的涂料在遇到火災(zāi)時(shí)起防火隔熱保護(hù)作用，防止鋼材在火災(zāi)中迅速升溫而降低強(qiáng)度，避免鋼結(jié)構(gòu)失去支撐能力而導(dǎo)致建筑物垮塌。自從有鋼結(jié)構(gòu)建筑以來，人們就開始總是鋼結(jié)構(gòu)防火問題的研究。其中，防火涂料的研究應(yīng)用與開發(fā)十分迅速，并獲得了較大的進(jìn)展，“9.11”事件后，鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火問題更加引起了人們特別是各國政府的高度重視。這必將在建筑物，特別是大中型建筑物的防火保護(hù)方面投入更多的財(cái)力與物力。1鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的發(fā)展歷史八十年代中期,隨著我國鋼結(jié)構(gòu)建筑物的迅速發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)技術(shù)問題更加突出。為了提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能,貫徹建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范,減少火災(zāi)損失,公安部四川消防科研所根據(jù)公安部的計(jì)劃安排和市場急需,率先開展了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究。1987年推出第一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料厚涂型LG隔熱防火涂料,稍后又推出了薄涂型LB膨脹防火涂料,用于亞運(yùn)會工程及一些工業(yè)企業(yè)設(shè)施,為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展和保障國家、人民的生命財(cái)產(chǎn)安全做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。九十年代初,隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,大量的露天建筑物和構(gòu)筑物,如化工廠、煉油廠、石油鉆井平臺和油(汽)罐支撐、電線電纜棧橋等,廣泛采用了鋼結(jié)構(gòu)。為了提高此類鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限,滿足《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》等國家現(xiàn)行防火規(guī)范的要求,公安部四川消防科研所開發(fā)新一代鋼結(jié)構(gòu)防火涂料薄涂型室內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)膨脹防火涂料和厚涂型室內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)防火隔熱涂料,該產(chǎn)品較之LG、LB在粘結(jié)強(qiáng)度、耐水、耐凍融和耐化學(xué)腐蝕性等性能上有重大突破,基本上解決了石化企業(yè)等露天鋼結(jié)構(gòu)防火難題。九十年代中期,國際市場又涌現(xiàn)出了新的品種超薄膨脹型防火涂料。該類防火涂料較之上述品種粒度更細(xì)、涂層更薄,施工方便,裝飾性更好,在滿足鋼結(jié)構(gòu)防火要求的同時(shí),也能滿足人們高裝飾性要求,特別適合于室內(nèi)裸露鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)。該類涂料目前在國內(nèi)外市場上都是倍受青睞的產(chǎn)品。我國也陸續(xù)推出了超薄膨脹型防火涂料,至今耐火極限已達(dá)到了2小時(shí)以上。由于該產(chǎn)品涂層薄,綜合造價(jià)低,外觀裝飾又較好,對于耐火極限要求≤2小時(shí)的鋼結(jié)構(gòu)最好選擇該產(chǎn)品進(jìn)行保護(hù),由此掀起了國內(nèi)超薄膨脹型防火涂料研制、開發(fā)的高潮。2鋼結(jié)構(gòu)防火的意義一是可以延長鋼結(jié)構(gòu)到達(dá)臨界溫度的過程,減輕鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的破壞,避免鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中局部或者整體倒塌造成滅火和人員疏散的困難以及人員傷亡;二是可以減少火災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)的修復(fù)費(fèi)用,縮短災(zāi)后結(jié)構(gòu)功能恢復(fù)周期,減少間接經(jīng)濟(jì)損失。目前,鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)有多種方法,這些方法主要有:鋼結(jié)構(gòu)防火涂料保護(hù)、防火板保護(hù)、混凝土防火保護(hù)、柔性卷材防火保護(hù)、耐火鋼、結(jié)構(gòu)內(nèi)通水冷卻等。選擇鋼結(jié)構(gòu)的防火措施時(shí),應(yīng)考慮下列因素:鋼結(jié)構(gòu)所處部位,需防護(hù)的構(gòu)件性質(zhì);鋼結(jié)構(gòu)采取防護(hù)措施后結(jié)構(gòu)增加的重量及占用的空間;防護(hù)材料的可靠性;施工難易程度和經(jīng)濟(jì)性。其中以鋼結(jié)構(gòu)防火涂料保護(hù)方法應(yīng)用范圍最為廣闊,效率最高;包括超薄型、薄型、厚型,而這其中超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的用量幾乎占全部防火涂料的90%,使用數(shù)量達(dá)到15000噸/年以上。3鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的分類和特點(diǎn)3.1厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料厚涂型防火涂料又稱隔熱防火涂料,其涂層厚度一般為8-50mm,這種涂料涂層在火災(zāi)中不膨脹,利用涂層固有的良好的絕熱性以及高溫下部分成分的蒸發(fā)和分解等燒蝕反應(yīng)產(chǎn)生的吸熱作用來阻隔和消耗火災(zāi)熱量向基材的傳遞,從而延緩鋼構(gòu)件達(dá)到臨界溫度的時(shí)間,屬于非膨脹型防火涂料,其耐火極限可達(dá)到0.5—3.0h,適用于建筑物竣工以后被隱蔽或外觀要求不高,耐火極限在1.5h以上的鋼結(jié)構(gòu)。厚涂型防火涂料一般由無機(jī)絕熱骨料、無機(jī)膠結(jié)劑、防火添加劑、化學(xué)助劑及填料等混合配制而成。(1)絕熱骨料:是涂料的主體,質(zhì)量占總質(zhì)量的35%左右,一般是多孔絕熱材料如蛭石、珍珠巖、礦物纖維等,其孔隙率大,導(dǎo)熱系數(shù)小,降低構(gòu)件溫升的速度,提高構(gòu)件的的耐火能力。以蛭石、珍珠巖等顆粒材料為主的骨料,采用濕法噴涂施工;以礦物纖維為骨料采用干法噴涂施工。(2)粘結(jié)劑:是涂料的重要組成部分,質(zhì)量占總質(zhì)量的40%左右,將各組分牢固粘結(jié)在一起,同時(shí)牢固粘解于基材上,形成一定的強(qiáng)度。膠結(jié)劑大多采用水泥硅酸鹽等以水為分散介質(zhì)。(3)添加劑:在高溫下產(chǎn)生熱分解并釋放出不燃?xì)怏w,從而降低環(huán)境溫度。(4)化學(xué)助劑:使涂料硬化后在涂層內(nèi)部形成密閉氣孔,提高絕熱性能,同時(shí)改善施工條件。(5)填料:為降低涂料成本摻加的活性混合材料。厚涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料具有耐火極限高,耐久相對較好,原材料來源廣,價(jià)格低,遇火后不釋放出有損人體健康的有毒氣體和煙氣等優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)又具有涂層厚、自重大、粘結(jié)力不好易脫落、表面粗糙裝飾性差等缺點(diǎn)。國內(nèi)此類產(chǎn)品有“SD-2”鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、“TN-LG”鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,當(dāng)其涂層厚度分別為27.6mm和39.5mm時(shí),耐火極限可達(dá)2.28h和2.53h;國外此類產(chǎn)品有英國的GraceConstructionProducts的“MonoketeFireproofingUK-6”鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,其涂層厚度為47.7mm時(shí),耐火極限為2.5h;可護(hù)固歐洲有限公司的“CAFCO300”鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,其涂層厚度分別為35mm和41mm時(shí),耐火極限可達(dá)4.5h和5h以上。3.2薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料薄涂型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料又稱膨脹型防火涂料,其涂層厚度一般為2—7mm,這種涂料對鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用不是靠涂層本身的隔熱作用實(shí)現(xiàn)的,而是靠涂層在高溫下的物理化學(xué)反應(yīng)過程所形成的膨脹隔熱泡沫保護(hù)層所實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)涂料遇火時(shí),涂層中的基材首先熔融引起涂層軟化,同時(shí)催化劑分解出酸,是涂層中碳化劑脫水形成碳骨架,發(fā)泡劑在熱的作用下不斷釋放出不燃性氣體,使涂層形成泡沫層,當(dāng)泡沫層達(dá)到最大體積時(shí),泡沫凝固碳化形成一個(gè)多孔的碳化泡沫層以有效的阻止熱的傳導(dǎo)。屬于膨脹型防火涂料,其耐火極限一般在2h左右。特別適用于體育館、工業(yè)廠房裸露的有裝飾要求的鋼結(jié)構(gòu)或輕型鋼結(jié)構(gòu)。薄涂型防火涂料由粘合劑、催化劑、發(fā)泡劑、碳化劑、填料及改性劑等組成。(1)粘合劑:使涂料各組成部分粘結(jié)在基材上,使涂料具有良好的理化性能。(2)催化劑:屬于酸源部分,通?？刹捎镁哿姿徜@,遇火時(shí)分解出酸,是碳化劑脫水,碳化形成牢固碳骨架。(3)發(fā)泡劑:屬于氣源部分,質(zhì)量占總質(zhì)量15%左右,通?？刹捎萌蹥浒?雙氫胺、氯化石蠟等,具有遇火分解出大量惰性氣體,將碳架軟化“吹塑”成蜂窩狀的阻火泡沫層,并有稀釋氧氣的作用。(4)碳化劑:屬于碳源部分,通常可采用季戊四醇、雙季戊四醇等。(5)填料層:提高涂料耐火性能,使涂料的常溫理化性能達(dá)到要求,同時(shí)火災(zāi)條件下膨脹發(fā)泡,避免發(fā)泡層被熱流沖掉。(6)改性劑:有利于涂料的涂刷性、成模性、耐凍性、儲存穩(wěn)定性。薄涂型防火涂料具有涂層薄、質(zhì)輕、粘結(jié)力好、表面光滑裝飾性好、單位面積用量少、施工簡單方便、抗震動、抗翹曲性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又具有主要組分為有機(jī)材料遇火時(shí)可能釋放出有害氣體及煙霧,耐老化、耐久性較差等缺點(diǎn),其室外的產(chǎn)品不多,這幾方面有待于研究開發(fā)。國內(nèi)此類產(chǎn)品有“SD-1”鋼結(jié)構(gòu)防火涂料和“LB”鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,涂層厚度分別為5.3mm和7.4mm時(shí),耐火極限分別1.62h和2.05h。3.3超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料該類鋼結(jié)構(gòu)防火涂料受火時(shí)膨脹發(fā)泡形成致密的防火隔熱層,該防火隔熱層延緩了鋼材的溫升,提高了鋼構(gòu)件的耐火極限。一般使用在耐火極限要求在2小時(shí)以內(nèi)的建筑鋼結(jié)構(gòu)上。由于該類防火涂料涂層超薄,工程中使用量較厚型、薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料大大減少,從而降低了工程總費(fèi)用,又使鋼結(jié)構(gòu)得到了有效的防火保護(hù),是目前消防部門大力推廣的品種。但迄今為止,該類產(chǎn)品不管是國內(nèi),還是國外,都只開發(fā)出室內(nèi)型產(chǎn)品,開發(fā)性能優(yōu)異的室外超薄型防火涂料是目前國內(nèi)外業(yè)內(nèi)人士的共同目標(biāo)。4鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究現(xiàn)狀在這里我們主要介紹一下關(guān)于超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究。4.1超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料概述超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料為膨脹型防火涂料,該類鋼結(jié)構(gòu)防火涂料涂層超薄(小于3mm),一般為溶劑型體系,具有優(yōu)越的黏結(jié)強(qiáng)度、耐候耐水性好、流平性好、裝飾性好等特點(diǎn);在受火時(shí)緩慢膨脹發(fā)泡形成致密堅(jiān)硬的防火隔熱層,該防火層具有很強(qiáng)的耐火沖擊性,延緩了鋼材的溫升,有效保護(hù)鋼構(gòu)件。超薄膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料施工可采用噴涂、刷涂或輥涂,一般使用在耐火極限要求在2小時(shí)以內(nèi)的建筑鋼結(jié)構(gòu)上。目前國內(nèi)外,已出現(xiàn)了耐火性能達(dá)到或超過2小時(shí)的超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料新品種。目前各種輕鋼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架等多采用該類型防火涂料進(jìn)行防火保護(hù)。由于該類防火涂料涂層超薄,工程中使用量較厚型、薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料大大減少,從而降低了工程總費(fèi)用,又使鋼結(jié)構(gòu)得到了有效的防火保護(hù),是目前市場上大力推廣的品種。作為膨脹型防火涂料,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。4.2超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的阻燃機(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、熱源)中的任何一個(gè)要素隔絕開來。因此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):(1)防火涂料本身具有難燃或不燃性,使之防火保護(hù)體系在火災(zāi)條件下不易自身燃燒。(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)基材周圍的易燃?xì)怏w和空氣中的氧氣,抑制火焰燃燒。(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。(4)膨脹防火涂料遇火膨脹發(fā)泡,生成一層致密泡沫隔熱層,封閉被保護(hù)的鋼基材,阻止鋼基材溫度升高。4.3超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的基本組成：(1)成膜劑成膜劑對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。考慮到涂層需要較好的耐候性及防火強(qiáng)度,本實(shí)驗(yàn)采用了丙烯酸樹脂,約占總體系的20%～30%。(2)催化劑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、磷酸氫銨等。本實(shí)驗(yàn)考慮涂層的耐水性和后期發(fā)泡性,故采用了聚合度達(dá)到600的高聚合聚磷酸銨,約占總體系的25%～30%。(3)成炭劑成炭劑是形成三維空間結(jié)構(gòu)不易燃的泡沫炭化層的物質(zhì)基礎(chǔ),對泡沫炭化層起著骨架的作用,它們是一些含高碳的多羥基化合物,如淀粉、季戊四醇、雙季戊四醇、含羥基的樹脂等。這些多羥基的化合物和脫水催化劑反應(yīng)生成多孔結(jié)構(gòu)的炭化層。本實(shí)驗(yàn)采用了質(zhì)量份10%～15%的雙季戊四醇。(4)發(fā)泡劑膨脹型防火涂料的特點(diǎn)是涂層遇熱時(shí),能放出不燃性的氣體,如氨、二氧化碳、水蒸汽、鹵化氫等,使涂層膨脹起來,并在涂層內(nèi)形成蜂窩狀泡沫結(jié)構(gòu)。這些是靠發(fā)泡劑來實(shí)現(xiàn)的。發(fā)泡劑的分解溫度是決定它是否適用的關(guān)鍵,分解溫度過低,氣體在成炭前逸出起不到作用;分解溫度過高,產(chǎn)生的氣體會把炭層頂起或吹掉,不能形成良好的碳質(zhì)泡沫層。因此不同的多元醇和脫水成碳催化劑,采用的發(fā)泡劑也應(yīng)該有所區(qū)別。常用的發(fā)泡劑有三聚氰胺、雙氰胺、聚磷酸銨、氯化石蠟、磷酸銨鹽、氨基樹脂等。本實(shí)驗(yàn)采用了質(zhì)量份2%～5%的氯化石蠟70和5%～10%的三聚氰銨。(5)無機(jī)顏填料對膨脹型防火涂料來說,含無機(jī)填料的比例較少,因其含量過高,會影響涂層的發(fā)泡高度,從而達(dá)不到隔熱的目的,但少量顏填料確不可少,因其可使泡沫層更致密,強(qiáng)度更好,從而提高其防火性能。防火涂層一般施工厚度大,較低的顏料組分已能滿足遮蓋力的要求,故不需采用較多的無機(jī)顏填料,常用的著色顏料有鈦白粉、氧化鋅、鐵黃、鐵紅等。本實(shí)驗(yàn)采用了質(zhì)量份2%～7%的鈦白粉、3%～8%的高嶺土和1%～4%的硼酸鋅。(6)其它成分10%～15%的溶劑、少量的有機(jī)膨潤土、消泡劑和流平劑等。圖1超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的TG曲線圖2超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的DTA曲線4.4超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的分析通過對超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的熱失重(TG)曲線(圖1)分析,我們可以將涂料的作用分為四個(gè)階段:(1)平穩(wěn)階段:這一階段為室溫20℃～230℃,這期間失重僅為2%左右,主要是涂料中未揮發(fā)的溶劑和其它易揮發(fā)份,這可以在其耐火實(shí)驗(yàn)時(shí)看到,涂料的表層起火,這主要是涂料內(nèi)的揮發(fā)份著火所致。此時(shí),涂料中的成膜物質(zhì)開始熔融軟化,由差熱分析(DTA)曲線(圖2)可以看出在180℃溫度左右,有一小的吸熱峰,約為47J/g,這主要是成膜物質(zhì)熔融軟化吸收了外部能量。(2)發(fā)泡炭化階段:這一階段為230℃～420℃,這期間失重為43%左右,這階段是涂料發(fā)揮作用的過程,主要是涂料中防火阻燃體系中的發(fā)泡劑三聚氰胺首先熱分解,釋放出不燃性氣體NH3,同時(shí)成膜物質(zhì)中部分成分分解產(chǎn)生NH3、HCl和水蒸氣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成聚偏磷酸,與成炭劑雙季戊四醇、成膜物質(zhì)等含羥基有機(jī)化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),脫水成炭,在泡沫層中形成炭骨架,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要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),因此可以有效的隔絕外部熱源,保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)基材。這其中要求成膜物質(zhì)、發(fā)泡劑、脫水催化劑、成炭劑必須有良好的匹配性,否則就不能夠形成理想的炭化層。由差熱分析(DTA)曲線可以看出在330℃溫度左右,有一強(qiáng)的吸熱峰,約為350J/g,主要是為這階段復(fù)雜的發(fā)泡炭化過程吸收了外部能量,可使反應(yīng)得以順利的進(jìn)行。(3)失炭階段:這一階段為420℃～770℃,這期間失重為18%左右,這主要是炭化層中的炭逐漸被氧化成二氧化碳而逸出體系,同時(shí)有一部分碳化層由于附著力不夠而被氣流帶走。從差熱分析(DTA)曲線可以看出在560℃、670℃溫度左右,分別有一強(qiáng)的放熱峰,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。(4)無機(jī)層階段:這一階段為770℃～1000℃以后,這期間失重為0.24%左右,這主要是炭化層中碳被氧化逸出后,剩余的約37%的無機(jī)材料形成了白色無機(jī)骨架,防火涂料在火場后期(大約45分鐘以后),主要是這些無機(jī)骨架在起到防火隔熱的作用。通過對這些白色物質(zhì)進(jìn)行X射線衍射分析得知,其主要成分是焦磷酸鈦形成的多孔物質(zhì),它是由聚磷酸銨和顏填料反應(yīng)生成的。其結(jié)構(gòu)譜圖(圖3)如下：圖3無機(jī)層X射線衍射(XRD)圖4.5超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的發(fā)展方向:(1)開發(fā)復(fù)合高效低水溶性的催化劑、成炭劑和發(fā)泡劑。(2)通過樹脂的復(fù)配或接支改性來改善防火涂料的防火性能和各種理化性能。(3)將膨脹型和非膨脹型進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合,使涂層在高溫下形成低膨脹率的高強(qiáng)度炭化層。(4)將新技術(shù)應(yīng)用到防火涂料中去,例如,將納米阻燃材料加入防火涂料體系中將會達(dá)到意想不到的效果。(5)將廢物利用與防火涂料的開發(fā)有機(jī)的結(jié)合起來。5鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用中存在的問題5.1安全性問題薄型和超薄型防火涂料的膨脹阻燃體系大多為P2N體系,即其膨脹阻燃體系包括三大部分:酸源、碳源和氣源。酸源即各種磷酸鹽類,目前用得最多的為多聚磷酸銨(簡稱APP)、磷酸三聚氰胺等;碳源即各種含碳豐富的有機(jī)物,如多元醇、氯化(或溴化)石蠟、淀粉等,目前用得最多的是季戊四醇或又季戊四醇,輔以少量氯化石蠟;氣源是遇火后能放出不燃性氣體,從而將碳源吹制成蜂窩狀碳質(zhì)層的物質(zhì),通常是各種胺類,如尿素、雙氯胺、胍等,目前用量最多的是三聚氰胺,其成膜基料為各種有機(jī)樹脂或乳液,如氯偏乳液等。從以上常見組份可以看出,防火涂料遇火產(chǎn)生膨脹從而對基材起到保護(hù)作用的同時(shí),其阻燃成分有可能釋放出諸如NH3、HCN、鹵化氫、NOX、CO、Cl2、Br2等有毒氣體。如果這些氣體的濃度超過了人體的耐受極限,便會對未逃離火場人員以及消防滅火人員產(chǎn)生危害,這是應(yīng)引起重視的問題。而目前有關(guān)防火涂料的國家標(biāo)準(zhǔn)中未考慮防火涂料遇火后產(chǎn)生有毒氣體的種類、限量以及對人體的危害程度。鑒于此,建議:(1)對現(xiàn)有以有機(jī)成分為主的防火涂料在不同的環(huán)境下遇火燃燒時(shí)所產(chǎn)生的氣體的種類、濃度進(jìn)行檢測分析。(2)對可能產(chǎn)生的有毒氣體對人體健康的危害進(jìn)行研究,提出其限量和防護(hù)措施。(3)從事防火涂料研究開發(fā)的技術(shù)人員應(yīng)積極尋找新的防火阻燃組份,使制成的防火涂料不但能對基材起到防火保護(hù)作用,而且燃燒后的產(chǎn)物符合人體健康的要求。(4)在現(xiàn)有體系中加入有效吸收有毒氣體的組份,它既不影響涂料的防火性能,又能起到抑毒、抑煙或消毒、消煙的作用。5.2耐久性問題目前,無論何種防火涂料,其檢測報(bào)告中給出的耐火極限均是其使用前的檢測結(jié)果,而火災(zāi)的發(fā)生是不可預(yù)料的,火災(zāi)發(fā)生可能是在防火涂料涂覆后的1年,也可能是在涂覆后的10年或更長的時(shí)間,經(jīng)過不同的年限后,防火涂料的防火性能是否依舊值得考慮。如果火災(zāi)發(fā)生時(shí),防火涂料已因老化或其它原因而失去其應(yīng)有的防火性能,后果是不堪設(shè)想的。前述的美國“9·11”事件就是一例,火災(zāi)發(fā)生時(shí),如果防火涂料起到了應(yīng)用的作用,至少它可以延緩世貿(mào)大樓的倒塌。防火涂料的耐久性包括兩個(gè)方面的含義:一是涂層與基材的粘結(jié)力,即防火涂料是否容易隨時(shí)間的延長而出現(xiàn)剝落、粉化等現(xiàn)象;二是涂層的防火性能是否持久,即經(jīng)過若干年后,其耐火極限是否明顯降低,這一點(diǎn)的危害較之前者更具有隱蔽性,更應(yīng)引起重視。因此,建議開展以下幾方面工作:(1)研究影響防火涂料耐久性的內(nèi)在原因和外在因素。(2)研究有關(guān)快速評定鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐久性的方法,以便能在短期內(nèi)預(yù)測防火涂料的實(shí)際使用壽命,從而可根據(jù)使用環(huán)境的不同要求及其基材或主體結(jié)構(gòu)的使用壽命來決定是否需更換或及時(shí)維修防火涂料。(3)制定有關(guān)防火涂料耐久性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)方法。(4)防火涂料廠商應(yīng)在產(chǎn)品說明書中推薦給出該涂料在不同的使用環(huán)境下可使用的年限或更換周期,以便用戶選擇或使用后注意更換。5.3測試方法存在的問題鋼結(jié)構(gòu)防火涂料作為一類功能性涂料,其性能主要包括兩大方面:一是理化機(jī)械性能,它反映涂料抵抗水、冷熱變化、干濕變化、振動、荷載等各種環(huán)境因素的能力,以及其與基材的粘結(jié)牢固程度;二是其耐火性能,它表示涂料抵抗火災(zāi)侵襲的能力,以耐火極限表示,即將規(guī)定的構(gòu)件,涂以規(guī)定厚度的防火涂料,按時(shí)間—溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行耐火試驗(yàn),以構(gòu)件受火作用起至失去支持能力或完整性被破壞所用的時(shí)間,它是防火涂料的主要指標(biāo)。耐火試驗(yàn)中,構(gòu)件所加荷載和升溫曲線是試驗(yàn)的兩個(gè)重要條件。相同的構(gòu)件,施加同樣的荷載若采用不同的升溫曲線所測得的耐火極限是不同的。我國防火涂料產(chǎn)品的耐火極限試驗(yàn)的升溫曲線是按ISO834時(shí)間溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行升溫的,試驗(yàn)中是以木質(zhì)纖維為燃燒介質(zhì),通常稱為標(biāo)準(zhǔn)火;而在石化過程中是以油、氣等為燃燒介質(zhì),通常稱為烴類火。英、美、荷蘭等許多國家,已分別制定了不同的烴類火升溫曲線。經(jīng)比較,烴類火的溫升要比標(biāo)準(zhǔn)火快得多。因此,同樣耐火極限的防火涂料因其應(yīng)用環(huán)境不同、受火類型不同,對基材的保護(hù)作用也就不同。如石化企業(yè)的火災(zāi)往往是由于設(shè)備和管道內(nèi)的可燃介質(zhì)發(fā)生漏、滴等,在遇火時(shí)而引發(fā),屬烴類火,因而其支承設(shè)備、管道的框架、支架和管架等鋼結(jié)構(gòu)材料所用的防火涂料的耐火極限應(yīng)以烴類火的升溫曲線來測試,才更接近實(shí)際。為此建議:根據(jù)防火涂料的應(yīng)用環(huán)境及受火類型,補(bǔ)充、完善或細(xì)化現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火極限的測試方法,以使測得的耐火極限值更符合實(shí)際。鋼結(jié)構(gòu)防火涂料