（化工过程机械专业论文）水性超薄型钢结构防火涂料耐火性能的研究.pdf

摘要 进入2 1 世纪以后，随着经济建设的迅速发展，钢结构建筑物也越来越多，然而钢 结构在应用的过程中出现了很大的隐患，比如火灾、腐蚀、强度不足等问题。钢的低耐 火性能和易蚀性是导致人员伤亡和财产损失的两大主要问题。 随着人们对钢结构建筑物防火意识的不断增强，对钢结构防火涂料的使用性能要求 也越来越高，急切需要使用一种既符合环保要求、装饰性能好、施工方便又是超薄型的 新型防火涂料。目前，防火涂料的生产已具有一定的规模，但是在众多的防火涂料生产 企业中，防火涂料产品还普遍存在很多问题，比如防火性能不足、容易发生脱落、装饰 性差以及质量不稳定，从而使其应用受到了一定的限制。 本文针对超薄型钢结构防火涂料进行了研究分析，自行研制了一种新型超薄型钢结 构防火涂料，还具有一定的环保性和很好的装饰性能。通过对防火机理的分析，大量的 试验研究，确定以丙烯酸乳液和偏氯乳液为基体树脂，聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇 构成的膨胀型阻燃剂和阻燃协效剂为阻燃体系，并加入适量的颜填料、流平剂、增塑剂、 固化剂等助剂，以水为溶剂混合制备而成。系统考察了防火涂料的耐火性能、炭化层质 量和发泡倍率，并通过正交设计试验对各组分之间的配比进行了优化。 研究结果表明：聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺按百分比5 ：2 ：3 进行混合时，得 到的水性超薄型钢结构防火涂料的阻燃效果最佳，当涂层厚度小于2 n - d n 时，耐火时间高 达9 0 m i n ，明显高于国标规定的大于6 0 m i n 的标准。同时还得出阻燃体系对涂料的耐火性 能影响最为显著。 关键词：水性，钢结构，超薄型，防火涂料，膨胀阻燃体系，协同效应 s t u d yo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew a t e r b a s e du l t r at h i n f i l m e df i r e r e s i s t i v ec o a t i n g sf o rs t e e ls t r u c t u r e a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i cc o n s t r u c t i o n ，m o r ea n dm o r es t e e lb u i l d i n g s h a v eb e e nb u i l ts i n c et h e21s tc e n t u r y , h o w e v e r , al o to fd a n g e r s1 1 i d ei nt h ep r o c e s so fs t e e li n t h ea p p l i c a t i o n , s u c ha sf i r e ，c o r r o s i o n , s t r e n g t ha n ds oo n l o wf i r er e s i s t a n c ea n de a s eo f c o r r o s i o ni st h ec a u s eo fc a s u a l t i e sa n dp r o p e r t yl o s s e s ，t h et w om a j o rp r o b l e m s w i t hp e o p l e sg r o w i n ga w a r e n e s so ff i r ep r e v e n t i o no ns t e e lb u i l d i n g s ，h i g hp e r f o r m a n c e f i r er e t a r d a n tc o a t i n g sw a sr e q u i r e do nt h es t e e ls t r u c t u r e ：b o t l le n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y , d e c o r a t i v ep e r f o r m a n c e ，c o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o na n du l t r a - t h i nn e wf i r er e s i s t a n tc o a t i n g si s u r g e n tn e e d e d c u r r e n t l y , t h ep r o d u c t i o no ff i r er e t a r d a n tc o a t i n gh a sac e r t a i ns c a l e ，b u ti n m a n yp a i n tm a n u f a c t u r e s ，a l s oh a v em a n yc o m m o ni s s u e si nt h ef i r er e t a r d a n tc o a t i n g p r o d u c t s ，s u c ha si n a d e q u a t ef i r er e s i s t a n c e ，e a s i l yf a l lo f f , p o o ra n di n c o n s i s t e n tq u a l i t y d e c o r a t i v e ，m a k i n gi ta p p l i c a t i o nb yc e r t a i nr e s t r i c t i o n s t h i st h e s i si sb a s e do ns t u d y i n ga n da n a l y z i n gu l t r a - t h i nf i r e p r o o fc o a t i n g sf o rs t e e l s t r u c t u r e ，a n dan e w f i r er e t a r d a n tc o a t i n g si sd e v e l o p e d , w h i c hh a ss o m eg o o de n v i r o n m e n t a l a n dd e c o r a t i v ep r o p e r t i e s b ya n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo ft h ef i r e p r o o fc o a t i n g sa n dal a r g e n u m b e ro fe x p e r i m e n t a ls t u d i e s ，d e t e r m i n e dt h ep a r t i a lc h l o r i d el a t e xa n da c r y l i cl a t e x - b a s e d r e s i n s ，a m m o n i u mp o l y p h o s p h a t e ，m e l a m i n ea n dp e n t a e r y t h r i t o li n t u m e s c e n tf l a m er e t a r d a n t c o m p o s i t i o na n df l a m er e t a r d a n ts y n e r g i s tf o rt h ef l a m er e t a r d a n ts y s t e m ，a n da d dt h er i g h t a m o u n to fp i g m e n ta n df i l l e r , l e v e l i n ga g e n t , p l a s t i c i z e r , c u r i n ga g e n t ，a d d i t i v e s ，m i x e d 、) l ，i t h w a t e ra ss o l v e n tt om a k et h ef i r ec o a t i n g t h es y s t e mi n v e s t i g a t e dt h ef i r ep e r f o r m a n c e ， q u a l i t yo fc a r b o n i z a t i o nl a y e ra n de x p a n s i o nr a t i o a l s ot h er a t i o b e t w e e nt h ev a r i o u s c o m p o n e n t sw e r eo p t i m i z e db yo r t h o g o n a l t h er e s u l t ss h o wt h a t ：a m m o n i u m p o l y p h o s p h a t e ，p e n t a e r y t h r i o la n dm e l a m i n e c o n d u c t e db yt h ep e r c e n t a g eo f5 ：2 ：3m i x ，t h er e s u l to fw a t e r - b a s e du l t r a t h i nc o a t i n go f f l a m e r e t a r d a n tf i r e p r o o fw a sb e s t ，w h e nt h ec o a t i n gt h i c k n e s sl e s st h a n2 m m ，t h ef i r e r e s i s t a n tu pt o9 0 m i n ，s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h en a t i o n a ls t a n d a r d6 0 m i n a l s od r a w nf i r e r e t a r d a n tc o a t i n gs y s t e mo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h em o s ts i g n i f i c a n t k e y w o r d s ：s t e e ls t r u c t u r e ，s u p e r - t h i n , 矗r e r e s i s t a n tc o a t i n g , i n t u m e s c e n tr e t a r d a n ts y s t e m ， s y n e r g i s t i ce f f e c t 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：掘呈 指导教师签名： 沁年b 只t f 日 砷l 年毛只心e l 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特另l j j h 以标注和致谢的地方外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：哆听忍 列d 年6 月c f 日 西北大学硕士论文 第一章钢结构防火及其概述 1 1 钢结构防火的必要性 进入2 1 世纪后，我国的建筑行业迅速发展，钢结构的应用更加广泛，从而对钢结 构的要求也更加严格，尤其是对防火性做了进一步的要求。 与传统的木质结构、砖石结构和钢筋混凝土结构相比，钢结构具有强度高、负载能 力强、自身质量轻、空间体积小、力学性能好、制造与安装方便、抗震性和变形性好、 施工周期短、易于维护等许多优点，在建筑中得到了广泛的应用。随着我国经济建设和 社会生活的发展，极大地推动了建筑事业的发展，大型和超大型建筑，如展览场馆、机 场车站、大型商场和高级宾馆及工业厂房等不断增多，采用钢结构的建筑也随之不断增 加。钢结构已经成为建筑行业中发展最快最好的一种形式。 由于钢结构本身为不燃烧材料，所以钢结构的防火保护问题一直被人们忽视，但其 极差的耐火性能确实导致事故的致命弱点。在通常情况下，钢材的机械强度对温度的依 赖性很大。在火灾高温作用下，其力学性能如屈服强度、弹性模量、负载能力等都会随 温度的升高而降低。当钢结构温度达到3 0 0 4 0 0 时，其强度就会下降5 0 ，温度达 到6 0 0 时，钢结构基本丧失全部强度刚度。而一般火场的温度或达到8 0 0 - - 1 0 0 0 0 c ， 在这样高的温度下，裸露的钢结构会很快出现塑性变形；产生局部破坏，造成钢结构建 筑的整体在1 5 m i n 左右就会丧失承重能力而垮塌【l 】。根据国内外大量的试验结果和统计 数字表明，钢结构建筑的耐火性能远较砖石结构和钢筋混凝土结构差【2 】。 在大量的实践经验中发现，钢材的机械强度和温度有着一定的函数关系，其强度随 着温度的升高而降低。因此对钢结构做防火保护的研究正日益到受到人们的重视【3 羽。 对普通的建筑物火灾，国际上采用的标准火灾升温曲线公式如式1 1 所示。 z = 瓦+ 3 4 5 l g ( s t + 1 ) ( ) 式中卜火场温度，； 而一火灾前室温，； 卜一燃烧时间，m i n 。 由上式可得出，当建筑物发生火灾时，只需5 r n i n ，火场温度即可达到5 4 0 * ( 2 。实际 上火场温度大多在8 0 0 - 1 2 0 0 之间。因此钢结构建筑在遭遇火灾时，在很短时间内即 可发生变形，导致整体垮塌。 第一章钢结构防火及其概述 2 0 世纪末以来，国内外由于钢结构建筑失火垮塌造成的事故案例很多。比如1 9 9 8 年5 月5 号，北京市丰台区玉泉营环岛家具城因电缆线圈过热，引燃裹在线圈外部的牛 皮纸等可燃物发生火灾，烧毁钢结构建筑二万多平方米以及三百多家参展单位的摊位， 造成直接的经济损失2 0 8 7 8 万元。2 0 0 1 年1 月1 6 号，山东省威高集团医用高分子股份 有限公司输液车间内的电热鼓风干燥箱配电线路短路导致火灾，仅一小时左右，烧毁厂 房一万多平方米，直接财产损失7 6 6 9 万元。2 0 0 2 年3 月1 8 号，位于宁波镇海庄市的 一家泡沫塑料厂发生重大火灾，3 0 0 0 多平方米的钢结构厂房全部倒塌，烧毁大量成品、 半成品和机器设备等，直接经济损失达8 0 余万元。2 0 0 3 年8 月3 日，巴拿马籍集装箱“意 实”轮在深圳港盐田4 号抛锚地起火，并引起周围集装箱内可燃物燃烧，导致集装箱损 坏以及周边很多钢结构建筑物变形，造成直接的经济损失约合人民币1 0 0 0 万元，属重 大事故。2 0 0 5 年3 月2 5 日，加纳南部第一大港口特码港由于输油管道出现泄露，船上 的工人在进行焊接时溅出的火花引燃了流入港口的石油，发生火灾，造成钢结构船坞变 形坍塌，至少9 人死亡。同年3 月2 6 日，俄罗斯首都莫斯科东区的伊兹麦伊洛沃工艺 品市场发生火灾，垮塌的钢结构建筑面积达l o o o o m 2 ，并造成2 人丧生。最使人刻骨铭 心的是2 0 0 1 年9 月1 1 号，位于美国纽约市的世贸中心双子星大厦在遭受恐怖分子的两 架飞机袭击后，5 0 多吨汽油造成钢结构建筑燃起熊熊大火，l h 以后，两幢大厦轰然倒 下，造成了3 0 0 0 多人死亡【6 j 。 由此可见，对钢结构采取保护措施是十分有必要的。 1 2 钢结构的耐火性能 1 2 1 高温下钢材的力学性能 当钢材受到高温时，其比热容、导热系数等热学特性将迅速的影响其塑性、强度、 变形等力学特征。这些力学特性是反映钢材在高温下的安全特性的主要指标。 图1 1 为普通钢材在不同温度下的应力一应变曲线。由图中可以看出，当钢材的受热 温度不高于5 0 0 4 c 时，若应力相对较低，其应变也相对较低。而当受热温度在5 0 0 。c 以 上时，即使在较低应力下，钢材的形变也可能发生很大的变化。所以，在某些发达国家 的钢结构防火试验标准中规定，钢构件抗火性能破坏的温度为5 3 8 。 2 西北大学硕士论文 已a 1 q 1 叠工口 一x 图1 - 1 普通结构钢在不同温度下的应力一应变曲线l j f i g l 一1 t h es t r e s s s t r a i nc u r v eo fg e n e r a ls t r u c t u r a ls t e e la td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 事实上，钢结构在火灾条件下抗火性能的破坏与钢构件的截面积、截面形状、试验 时间及荷载量等都有着密切的关系。 在以前的很多研究中，许多学者都这样认为，钢材的强度损失在3 0 0 至8 0 0 之 间其降低速率较为平缓，直到1 5 0 0 c 左右时降低速率才会出现较为明显的升高。一般说 来，普通的热轧钢或热轧钢筋，其弹性模量在温度上升至5 0 0 之前基本上是线性变化 的，在此之后的温度范围内，其降低速率则较快。而对于冷轧钢来说，其弹性模量在2 0 - 7 0 0 之间要比热轧钢的弹性模量低2 0 左右。因此冷轧钢较热轧钢在受热条件下的力 学性能差。图1 2 给出了普通结构钢、高强度合金钢及冷拔钢丝或钢绞线在不同温度下 的极限强度或屈服强度的降低系数。由图可见，普通结构钢受热时的强度下降速率最小。 蔓 鬟 图1 - 2 不同钢材在受火条件下的强度变化 f i 9 1 。2 t h ei n t e n s i t yo fd i f f e r e n ts t e e lb yf i r ec o n d i t i o n s 3 第一章钢结构防火及其概述 1 2 2 钢构件的截面系数 未加保护的钢构件一旦遭遇火灾，其截面的温升十分迅速。研究表明，在未加保护 的钢构件的温升中起着决定作用的控制参数是钢构件的受热周长( 场) 与构件截面积 ( 彳) 的比，这一比值称为钢构件的截面系数，单位为m 1 。钢构件的截面系数越小，其 温升变化越慢，而钢构件截面系数相对越大，其受火后的温升越快。因此，就裸露钢而 言，截面系数较小的钢构件可获得相对较高的耐火极限。 对于完全暴露于火中的工字型钢构件，其界面系数为【8 】： h d a = ( 4 b + 2 d 一2 h ) a ( 1 2 ) 式中卜工字钢截面的宽，m ； d 一工字钢截面的高，i n ； i 卜工字钢腹板的厚度，m ； 彳工字钢的截面积，m 2 。 对于梁上铺有混凝土楼板的工字型钢梁，可认为梁的上翼缘上表面被低导热材料保 护，热量不会通过楼板面传给梁的上翼缘。因此，在这种情况下构件的截面积系数应为： h p | a = ( 3 b + 2 d 一2 h ) a ( 1 - 3 ) 但对于木质或其他可燃材料的楼板或墙体来说，其截面系数应为构件的全部周长。 未受保护的钢构件在4 0 0 , - - , 6 0 0 c 这一温度范围内，温度与时间的关系可近似看作为 线性相关的。而若以5 3 8 作为判断钢构件耐火极限标准的话，这一温度恰在这一范围 内。 1 2 3 受保护钢截面受火后的特性 由于钢结构构件在高温下的力学性能存在不可避免的弱点，因此若想达到预期的耐 火等级，必须采取有效的保护措施。常用的保护措旅有注水冷却、水喷淋、包覆防火板、 喷涂防火涂料、涂覆混凝土砂浆及缠绕无机纤维等方法。其中注水冷却是以散热方式来 消耗钢构件的热量，使其温度降低至钢材的破坏温度以下来保护钢结构的；而后五项是 以隔热方式对钢结构进行保护，以隔绝来自火焰的热辐射。 以隔热方式进行的防火保护，可以视其为一维导热问题1 9 1 ，受保护钢材的温升可由 公式1 4 给出。 4 西北大学硕士论文 2 去专( 弓一逾 ( 1 4 ) 式中卜防护材料的导热系数，w ( m ) ； 井一防护材料的厚度，m 。 由公式可以看出，受保护钢构件截面的温升形式与裸露钢构件的温升形式基本相 同，只是其温升速率较低。而在实际的应用中，多数的防火材料在升温过程中总会出现 一个可被称为“平台区”或“迟滞区”的过程，如图1 3 。这一阶段的出现与材料的含湿量 有一定的关系，含湿量不同其持续时间也略有不同。另外，某些具有一定热容的较为厚 重的防火涂料，可贮存定的热量，也会出现平台区。这一区域维持的时间越长，对钢 结构的保护越有利。近年来发展起来的膨胀型钢结构防火涂料，涂层在受热后迅速发泡 膨胀，形成导热系数很低的发泡层，使得钢材温升过程中的平台区维持时间很长，因此 可有效保护钢材在较长时间内不会被破坏。 6 0 0 量4 0 0 霸 1 0 0 、，)6 u 时同m l n 图1 - 3 裸露的和受保护的钢构件在标准耐火试验时的升温情况 f i 9 1 。3 t h et e m p e r a t u r ec o n d i t i o n so fe x p o s e da n dp r o t e c t e ds t e e lm e m b e r si nt h es t a n d a r d f i r et e s t 1 2 4 钢结构的失稳形式 钢结构本身不会燃烧，然而在火场的高温作用下，未保护的钢结构只需1 5 n 曲【1 0 1 ， 其强度和荷载能力就会失去，从而导致整个建筑物的整体垮塌。其在发生火灾时的主要 损失有以下三个方面： ( 1 ) 坍塌快，难补救 钢结构建筑物发生火灾后，裸露的钢结构在受到大火的侵袭时，一般只需要1 5 m i n 便可失去承重能力，随即变形而整体垮塌。由于钢结构建筑的垮塌速度快，给抢救带来 第一章钢结构防火及其概述 不便，抢救工作很难实施。 ( 2 ) 影响大，损失重 采用钢结构建造的建筑物往往是大跨度的厂房、仓库、礼堂、影剧院、体育馆、高 层建筑物及公共场馆等，一旦发生火灾，都将造成重大的经济损失和人员伤亡，社会影 响很大。 ( 3 ) 易损坏、难修复 由于建筑物是以钢结构作为梁、柱或屋架，在火灾中因钢结构构件变形失去支撑能 力，而导致建筑物部分或全部坍塌毁坏，钢结构严重变形。而变形后的钢结构是无法修 复使用的。 1 3 钢结构的防火保护措施 钢结构建筑的火灾事故的惨痛教训使人们对钢结构防火保护重要性的认识得到了 进一步的提高，近年来国内外许多科研机构和高等院校根据钢结构火灾的特点积极的开 展了对钢结构进行防火保护技术的研究和应用，并取得了一定的成果。 为了减轻钢结构因火灾造成的损失，提高钢结构的耐火极限，避免钢结构建筑在火 灾中局部或整体倒塌造成人员伤亡以及疏散和灭火的困难，对钢结构或混凝土结构建筑 进行防火保护是非常重要的。因此，国内外对高层、超高层建筑以及受高温作用或受高 温威胁的钢结构的建筑物都要求进行严格的防火处理。目前，国内外通常是采取对钢结 构表面涂刷或喷涂防火材料以及包裹耐火材料等办法保护钢结构不被火焰直接烧烤而 提高其防火能力。钢结构构件与其他材料组成的构件一样，必须具备国标要求的耐火能 力。未加保护的钢构件的耐火极限一般都在0 2 5 h 左右，为了提升其耐火时间，必须对 其采取一定的防火保护措施，才能达到建筑防火规范中规定的各类建筑物承重结构耐火 极限的具体要求【1 1 l 瑚的耐火极限为2 0 - - 3 o h ；梁的耐火极限为1 5 2 0 h ；楼板的 耐火极限为1 5 2 0 h 。根据大量的文献报道及国内外的情况看1 2 1 ，对钢结构进行防火 保护有多种方式和措施，在2 0 世纪6 0 年代，受材料工业发展技术的限制，钢结构的防 火保护主要采用隔热保护法，如砌砖、混凝土和石膏板等材料包覆钢结构构件。到了2 0 世纪7 0 年代，随着新材料的研究开发和高科技技术的应用、材料技术的不断提升、喷 涂技术的快速发展以及材料表面技术的不断成熟，各种轻质防火板、防火涂料等新材料 不断问世，传统的钢结构防火保护材料逐渐的被新材料所取代。进入2 l 世纪后，钢结 构的防火保护技术研究领域在保护材料的开发和研究应用方面都取得了诸多的成效，以 6 西北大学硕士论文 下介绍几种不同钢结构的防火保护技术和措施【1 3 1 。 ( 1 ) 外包层：就是在钢结构外表添加外包层，即在钢结构表面砌砖，或喷敷一层混凝 土沙浆作为钢结构的防火保护层。可以现成浇注成型，也可以采用喷涂。现成浇注的实 体混凝土外包层通常用钢丝网或钢筋来加强，以限制收缩裂缝，并保证外壳的强度。而 喷涂法可以在施工现场对钢结构表面涂抹砂浆以形成保护层，砂浆可以是石灰水或者石 膏砂浆，还可以掺入珍珠岩或者石棉等无机材料。由于此种方法保护层过厚，增加了建 筑物荷载。减少了建筑使用面积，目前已很少使用。 ( 2 ) 充水( 水套) ：空心型钢结构内充水是抵御火灾最有效的防护措施，这种方法能使 钢结构在火灾中保持较低的温度、水在钢结构内循环、吸收材料本身受热的热量。受热 的水经过冷却后可以进行再循环或由管道引入凉水来取代受热的水。以此保护钢构件， 达到提高耐火极限的目的。但此方法要考虑水对钢结构的腐蚀、水的静压及水的循环控 制系统等问题，采用也较少。 ( 3 ) 安装自动喷水系统：在火灾发生时，水喷淋系统的洒水喷头自动喷水，直接降低 火场温度，可以避免结构达到临界温度，并且洒水能将火直接扑灭，更能减少整个火灾 的损失。然而安装水喷淋装置系统的费用较高，对裸露的钢结构而言，水喷淋系统的管 网还会影响整个结构的美观，所以其应用也受到了一定的限制。 ( 4 ) 屏蔽：钢结构设置在耐火材料组成的墙体或顶棚内，或将构件包藏在两片墙之间 的空隙力，只要增加少许耐火材料就可以阻隔火焰和热量，减缓钢结构的升温速率，进 而提高钢结构的耐火极限以达到防火的目的。并且其施工方便、装饰性强，因而得到人 们的广泛认可。 ( 5 ) 膨胀材料：采用钢结构防火涂料保护构件，即在钢结构建筑表面喷涂各种防火涂 料或防火喷射纤维等隔热材料，在构件表面形成耐火隔热保护层，隔绝热量的传递，以 提高钢结构耐火极限。此方法具有施工方便、成本、低装饰性好、低环境污染、维护工 作量小等优点，因此得到人们的广泛认可，近年来一直被大量采用1 1 4 】。 近年来，随着工业化的步伐加快。钢结构建筑也日趋增多，尤其是一些超高层建筑， 采用钢结构材料更为广泛。对高层建筑而言，一旦发生火灾，在短时间内很难将或扑灭， 这就要求我们在建筑设计时，一定要加大对建筑材料的防火保护，以增强其耐火极限， 并在建筑内部制定必要的应急方案，从而减少人员伤亡和财产损失。 7 第一章钢结构防火及其概述 1 4 钢结构防火保护的目的和意义 ： 1 4 1 钢结构防火保护的目的 进入2 1 世纪以后，随着城市人口密度的不断增大、高层住宅建筑的增加和新型建 筑材料的广泛使用，引起火灾的可能性在不断增加，火灾事故对人民生命财产的危害已 成为当今城市灾害的主要威胁之一【1 5 1 。近些年来全国各地频频发生的火灾事故，造成大 量人员伤亡和财产损失，令人触目惊心。据不完全统计【1 6 1 ，我国国内在2 0 0 9 年因钢结 构建筑发生火灾而造成的经济损失是非常的巨大的。因此，研制难燃、不燃和防火的建 筑材料已迫在眉睫。而防火保护的目的就是为了提高钢结构的耐火极限，减少人员伤亡 和经济损失。 。 1 4 2 钢结构防火保护的意义 钢结构防火保护的意义可归结为一下几点： ( 1 ) 发生火灾时，延迟火焰的传递速率，阻止热量传向钢材，防止钢结构因过热而变 形，甚至整体垮塌； ( 2 ) 防止火势的蔓延，为营救被困在火灾中的人员以及疏散人员赢得宝贵的时间； ( 3 ) 尽量减少因火灾而发生变形甚至损坏的钢结构修复费用，缩短恢复周期，间接减 少经济损失【1 7 - 1 引。 1 5 本文的主要研究内容 本文是在查阅了大量的国内外文献资料的基础上，根据本课题小组和实验室的具体 情况，利用现有的技术，分析了目前国内外防火涂料的发展方向【1 9 】，确定了一些试验方 案，经过大量的试验对比，最终尝试研制出环保型钢结防火涂料，即水性超薄型钢结构 防火涂料。 目前，由于受到环境保护、能源短缺、原料涨价等问题的制约，环境友好型防火涂 料受到了广泛的关注，朝向“五e ”原贝, l l t 2 0 】迈进：提高涂抹质量( e x c e l l e n c e ) 、方便施- - _ ( e a s y o f a p p l i c a t i o n ) 、节省资源( e c o n o m i c s ) 、节省能源( e n e r g ys a v i n g ) 、生态平衡( e c o l o g y ) 。 从经济性、环保性方面考虑将在以下方面开展工作： ( 1 ) 开发高效、多效、低水溶性的防火助剂 开发研究高效低水溶性的防火助剂，是进入2 1 世纪后膨胀型钢结构防火涂料研究的重 8 西北大学硕士论文 要领域。聚磷酸铵的成功研制，已成为现代防火涂料中必用的重要组分之一。目前李陶 琦，刘建利【2 ”等人将脱水成炭催化剂与发泡剂结合使用，开发出了同时具有发泡和脱水 催化功能的磷酸三聚氰胺，其水溶性比聚磷酸铵更低，效果更好。 在发泡剂方面，一种本身具有发泡功能的无机发泡材料已经开始应用于建筑防火涂 料的制备。这种无机发泡材料本身不会燃烧，遇高温时迅速膨胀发泡，其膨胀率可高达 本身体积的2 3 倍。 ( 2 ) 阻燃消烟剂的选择 从近年来钢结构防火涂料的发展历程来看，防火涂料的消烟问题可能是制约其质量 和品位的关键问题。近年来人们对阻燃消烟剂协同效果开展了大量的研究，在含卤聚 合物中加入一定量的硼酸锌和三氧化二锑，可以使防火涂料的发烟量减少2 5 以上，而 阻燃效果不降低。若将硼酸锌与水合氧化铝并用，则可以全部代替氧化锑，并且价格大 大降低。 ( 3 ) 研制新型钢结构防火涂料品种，扩大建筑防火涂料的应用范围 水性钢结构防火涂料在进入市场的初期，虽替代了溶剂型防火涂料，然而在总体质 量上还不能与溶剂型抗衡。对水性钢结构防火涂料而言，重要的问题是提高其耐水性、 耐沾污性和装饰性。针对以上问题，目前以水性环氧树脂乳液、水性聚氨酯乳液、水性 硅丙乳液和水性氟碳乳液为基料的防火涂料都在研制中。 总之，借鉴国外先进技术，不断更新防火涂料组分和生产工艺。研究耐火时间长， 有良好的力学性能和装饰性及较长的使用寿命的防火涂料是当务之急。 9 第二章钢结构防火涂料 2 1 防火涂料的概述 第二章钢结构防火涂料 防火涂料又叫阻燃涂料【2 2 之3 1 ，是指涂覆于物体表面上，能降低物体表面的可燃性， 阻隔热量向物体的传播，从而防止物体快速升温，阻滞火势的蔓延，提高物体耐火极限 的物质。防火涂料用作建筑材料的防火保护，对防止初期火灾和减缓火势的蔓延扩大， 保障国家和人民生命财产的安全，推动消防事业，具有特别重要的意义洲。 防火涂料在我国的研究、开发和应用已有4 0 多年的历史。我国从2 0 世纪6 0 年代 末开始防火涂料的研制。7 0 年代中期，公安部四川消防科学研究所研制成功膨胀型聚丙 烯酸酯乳液防火涂料，此后又相继成功研制出膨胀型改性氨基防火涂料、膨胀型过氯乙 烯防火涂料( 1 9 8 3 年) 以及硅酸盐钢结构防火涂料( 1 9 8 5 年) 。9 0 年代以来，饰面型防 火涂料和钢结构防火涂料的品种都不断增多，至今为止，我国已发展形成钢结构防火涂 料、饰面型防火涂料、电缆防火涂料和预应力混凝土制品防火涂料等多个类型、数十种 品种的防火涂料产品体系。 防火涂料主要由基料及防火助剂两部分组成。除了应具有普通涂料的装饰作用和对 基材提供的物理保护作用外，还需要具有隔热、阻燃和耐火的特殊功能，要求它们在一 定温度和一定时间内形成防火隔热层。因此防火涂料是一种集装饰和防火为一体的特种 涂料。例如主要用作建筑物的钢结构防火涂料，当涂覆于钢材构件表面后，应具有良好 的装饰作用，又能使物体有一定的耐火能力，同时还具有防腐、防锈、防水、耐酸碱、 耐候、耐水、耐盐雾等功能。一旦发生火灾，防火涂料具有显著的防火隔热效果，能有 效地阻止火焰的传播，阻止火势的蔓延扩大。而对于饰面型防火涂料，除了优异的隔热 防火性f 毙j b ，涂层的色泽、光泽、硬度和附着力等性能也是重要的考察指标。此外，混 凝土防火涂料、电缆防火涂料也都有各自的特点和要求。 2 2 防火涂料的类型 防火涂料的类型可用不同的方法来定义f 2 5 2 6 】。 2 2 1 按所用基料的性质分类 根据防火涂料所用基料的性质，可分为有机型防火涂料、无机型防火涂料和有机无 机复合型三类。有机型防火涂料是以天然的或合成的高分子树脂、高分子乳液为基料； 1 0 西北大学硕士论文 无机型防火涂料是以无机粘结剂为基料；有机无机复合型防火涂料的基料则是以高分子 树脂和无机粘结剂复合而成的。 有机型防火涂料和无机型防火涂料所采用的防火助剂和阻燃剂的品种有较大差别， 涂层形式、涂层燃烧后的性状及防火机理都不同。 2 2 2 按所用的分散介质分类 ( 1 ) 溶剂型防火涂料【2 7 之8 】 溶剂型防火涂料的分散介质和稀释剂采用有机溶剂，常用的如烃类化合物( 环己烷、 汽油等) 、芳香烃类化合物( 甲苯、二甲苯等) 、酯、酮、醚类化合物( 醋酸丁酯、环己 酮、乙二醇乙醚等) 。溶剂型防火涂料存在易燃、易爆、污染环境等缺点，其应用日益 受到限制。 ( 2 ) 水性防火涂料 水性防火涂料以水为分散介质，其基料为水溶性高分子树脂和聚合物乳液等。生产 和使用过程中安全、无毒，不污染环境，因此是今后防火涂料发展的方向。其中乳液型 防火涂料更为人所关注。但就目前的技术水平看，水性防火涂料的总体质量不如溶剂型 防火涂料，因此在国内的使用目前尚不如溶剂型防火涂料广泛。 2 2 3 按涂层的燃烧特性和受热后状态变化分类 按图层受热后的燃烧特性和状态变化，可将防火涂料分为非膨胀型防火涂料和膨胀 型防火涂料两类。 ( 1 ) 非膨胀型防火涂料 非膨胀型防火涂料又称隔热涂料。这类涂料在遇火时涂层基本上不发生体积变化， 而是形成一层釉状保护层，起到隔绝氧气的作用，从而避免延缓或中止燃烧反应。这类 涂料所生成的釉状保护层热导率往往较大，隔热效果差。因此为了取得较好的防火效果， 涂层厚度一般较大。即使如此，与膨胀型防火涂料相比，非膨胀型防火涂料的防火隔热 作用也很有限。 ( 2 ) 膨胀型防火涂料 膨胀型防火涂料涂层在遇火时迅速膨胀发泡，形成泡沫层。泡沫层不仅隔绝了氧气， 而且因为其质地疏松而具有良好的隔热性能，可有效延缓热量向被保护基材传递的速 率。同时涂层膨胀发泡过程中因为体积膨胀等各种物理变化和脱水、碳化等各种化学反 应也消耗了大量的热量，因此有利于降低体系的温度，故其防火隔热效果显著。 l l 第二章钢结构防火涂料 早期研制的防火涂料主要是非膨胀型的。1 9 4 8 年美国a l b i 化学公司首先发明了膨 胀型钢结构防火涂料。 由于非膨胀型防火涂料的涂层一般比膨胀型防火涂料厚的多，因而其单位面积用量 大，使用成本高，装饰效果差，而且其防火隔热效果不及膨胀型防火涂料，因此目前除 了石化、油田等特殊场合外，非膨胀型防火涂料已逐步被膨胀型防火涂料所取代。 2 2 4 按使用目标分类 按防火涂料的使用目标来分，可分为饰面型防火涂料、钢结构防火涂料、电缆防火 涂料、预应力混凝土楼板防火涂料、隧道防火涂料、船用防火涂料等多种类型。其中钢 结构防火涂料根据其使用场合可分为室内用和室外用两类，根据其涂层厚度和耐火极限 又可分为厚质型、薄型和超薄型三类。 厚质型防火涂料一般分为非膨胀型的，厚度为5 一2 5 m m ，耐火极限根据涂层厚度 有较大差别；薄型和超薄型防火涂料通常为膨胀型的，前者的厚度为2 - - 5 m m ，后者的 厚度为小于2 m m 。薄型和超薄型防火涂料的耐火极限一般与涂层厚度无关，而与膨胀 后的发泡层厚度有关【2 9 1 。 图2 1 简要地图示了防火涂料的分类。各类防火涂料的基本特征如表2 1 所示。 r 非膨胀型防火涂料 厂按图层燃烧特性和受火后状态变化情况分1 ir 溶剂型防火涂料 i按基料的品种分 li - 水性防火涂料 lr 无机型防火涂料 防 i按溶剂或分散介质分 火l 有机型防火涂料 涂弋r 室内型防火涂料 料l，按使用场合剜 lil 室外型防火涂料 l厂钢结构防火涂1 按涂层厚度分丁薹薹蒌薹支耋： l 按用途和使用对象 饰面型防火涂料 堍薄型防火涂料 1 i 电缆防火涂料 i 预应力混凝土楼板防火涂料 西北大学硕士论文 图2 - 1 防火涂料分类示意图 f i 9 2 1s c h e m a t i cc l a s s i f i c a t i o no ff i r er e t a r d a n tc o a t i n g 2 3 防火涂料的基本作用及设计原理 众说周知燃烧是一种发光发热的化学现象，要发生燃烧必须同时具备三个条件3 0 】： 可燃物质、助燃剂和火源。当三个要素中的任何一个被隔绝，则燃烧不能发生。例如用 不燃或者难燃的物体可将可燃物质的表面封闭起来，使其与空气隔绝，就可以是可燃物 表面因缺少氧气而变的难燃或不燃。 另外，由于物质在燃烧的时候能够放出大量的热量和烟雾，这些热量和烟雾可以引 起周围的可燃物体发生分解和燃烧，进而使燃烧不断的进行和蔓延扩大。热量的传播乃 是燃烧能够进行蔓延的主要途径之一。所以，要阻止燃烧的蔓延，就必须对被保护的物 体的任何形式的热量的传播进行隔绝。例如形成膨胀隔热层【3 1 1 ，利用高导热和高反射性 能的涂层排出热能或利用吸热原理的化学反应对外部的热源进行抵消等等。以上原理就 是设计防火涂料的主要参考依据。 防火涂料对物体所起的防火作用，可以归结为以下几点： ( 1 ) 防火涂料本身具有难燃或者不然物性，从而可以将空气与被保护的可燃物( 尤其 是木材、家具、塑料、地板等) 隔绝而延迟基材的着火燃烧； ( 2 ) 对防火涂料来说，当遇火受热时可以分解出大量的不燃性惰性气体，可以将被保 护基材由于受热而分解出的易燃气体和空气中的氧气冲淡，从而抑制燃烧； ( 3 ) 防火涂料遇热能生成减缓和终止燃烧连锁反应的自由基，从而有效的抑制了火焰 的扩散蔓延； ( 4 ) 防火涂料遇热可以膨胀，形成隔氧、隔热【3 2 1 的膨胀炭化层，从而阻止了基材的着 火燃烧。 2 4 膨胀型防火涂料的组成成分及防火机理 2 4 1 膨胀型防火涂料的组成 作为涂料的一个品种，防火涂料与其它涂料一样，都是由基料、膨胀阻燃体系、颜 料、填料和助剂等组成的。不同的是在防火涂料中加入了大量具有防火功能的防火助剂， 同时对基料和颜料、填料的选用上也有一定的特殊要求。 ( 1 ) 基料【3 3 弓4 j 第二章钢结构防火涂料 一方面，基料是膨胀型防火涂料中的主要成膜物质，其作用是将防火涂料中的其他 组分粘接成一个整体，并使涂层固化后附着在基材的表面形成均匀、连续、坚韧的保护 层【3 5 3 6 】。水性超薄型钢结构防火涂料以乳液树脂作为基料，它是组成涂料的基础。能用 来制备水性超薄型钢结构防火涂料的乳液树脂很多，一般选用两种或两种以上的乳液树 脂混合使用，以获得理想的涂膜性斛3 7 。引。另一方面涂层在受火作用时，基料分解形成 泡沫状的隔热层，对受火后炭化层的膨胀高度及强度影响较大。 ( 2 ) 阻燃体系 该体系主要包含了磷酸盐( p ) 为代表的脱水成炭催化剂、富含有机化合物( c ) 类的成 炭剂和含氮化合物0 d 类的发泡剂，即p - n c 膨胀阻燃体系【3 9 4 1 1 。 脱水成炭催化剂【4 2 】：理论上凡是能够受热分解产生具有脱水作用的酸的化合物均可 作为防火涂料的脱水成炭催化剂，如磷酸、硼酸、硫酸等的盐、酰胺类和酯类化合物。 这些物质在高温下能促进涂层的热分解过程，通过脱水使涂层转变为不易燃的三维炭层 结构，减少热分解产生的可燃性醛、酮和焦油的含量，并在发泡剂和炭化剂作用下发生 炭化和膨胀，形成导热性很小的致密的炭化层薄膜，以阻止外部火源对基材的作用。现 在常用的脱水成炭催化剂有聚磷酸铵( a p p ) 、磷酸三聚氰胺( m p ) 、磷酸胍、磷酸脲、磷 酸酯等，其中聚磷酸铵最为常用。 炭化剂【4 3 】：成炭剂的作用是在涂层遇火后，能在脱水成炭催化剂的作用下脱水形成 炭化层，为最终形成的发泡层提供骨架支撑。成炭剂的成炭效果与它的含碳量和羟基数 目密切相关。含碳量决定其成炭层的厚度，羟基含量决定其脱水和成泡速度。另一方面， 成炭剂的成炭效果还与它们的分解温度有关。成炭剂的分解温度应稍略高于脱水成炭催 化剂的分解温度，只有这样才能保证脱水成炭催化剂的催化作用。常用的脱水成炭催化 剂有季戊四醇( p e r ) 、双季戊四醇、淀粉等，这些物质的热稳定性都比较高。表2 1 为 淀粉和季戊四醇对防火性能的影响比较，由表可以得出季戊四醇的性能更好m 】。 表2 - 1 成炭剂淀粉与季戊四醇对防火性能影响对比 t a b 2 1c h a r r i n ga g e n ts t a r c ha n dp e n t a e r y t h r i t o lo nt h ef i r ep e r f o r m a n c eo fc o n t r a s t 1 4 西北大学硕士论文 p e r4 4 5 0 0 2 8 02 44 89 4 51 8 发泡剂【4 5 】：防火体系中常用的发泡剂有三聚氰胺、尿素、双氰胺、聚酰胺、氯化石 蜡等，这些物质能在较低的温度下分解释放出不燃性气体，如h c l 、n h 3 、h 2 0 等，使 熔融的涂层发泡膨胀形成海绵状膨胀层骨架。有些涂料采用了两种或两种以上的发泡剂 可以增强防火涂料的阻燃效果，如同时使用含氧和含磷的阻燃剂，氧和磷燃烧时可以生 成p c i 3 等化合物，还可以从固相到气相抑制燃烧进行，从而产