防火涂料的研究及其应用

1、防火涂料的研究及其应用1 防火涂料概述 防火涂料又称阻燃涂料， 它具有普通涂料的装饰性， 并有防腐、 防锈、 耐酸碱、盐雾等性能，除具有延长物体使用寿命的保护功能外，更重 要的是涂料本身具有不燃性或难燃性，即防止被火焰点燃，因此在火 灾发生时能够阻止燃烧或对燃烧的拓展有延滞作用，即在一定的时间 内阻止燃烧和抑制燃烧的扩展，从而使人们有充分的时间进行灭火工 作，达到保护人们生命财产的目的。 早在古罗马时代，就有人开始用木材涂醋和黏土浆来进行难燃处理。 发展到近代 1873 年，发明了在水性漆和油性漆中加入石灰、 氢氧化钾、 硫酸铝和普通盐来保护建筑。 1900 年，人们就开始采用各种无机材料 作

2、为阻燃填充剂，以硅酸盐水玻璃为粘结剂的无机防火涂料，此类涂 料的主要特点是自身不燃烧，遇火时能形成空芯泡层，对可燃基材有 一定的保护作用；缺点是隔热性能和耐候性能较差，易产生泛白、龟 裂和脱落。 1940 年代末期，有人曾观察蛇被烧的变化情况，受启发而 发明了以汽油、 二甲苯之类的有机溶剂为分散介质的膨胀型防火涂料。 此后，人们开始着手研制有机膨胀型防火涂料，此类涂料的主要特点 是防火性能和理化性能均优于无机防火涂料，涂层遇火时能形成具有 良好隔热性能的致密和海绵状泡沫层，能更有效地保护可燃性基材。 与无机防火涂料相比， 有机防火涂料是更有发展前途的防火涂料类型， 所以在以后的几十年间得以迅猛

3、的发展。至U1950I960年代，由于石 油危机的冲击，以水为分散介质的水溶性和水乳胶型防火涂料得以长 足发展。我国在 1950 年代后期出现了以水玻璃为粘结剂的无机防火涂 料。 1970 年代初期，一些专业油漆厂生产了过氯乙烯，氯化橡胶防火 漆。由于以上两种防火涂料防火效果并不理想，所以并未在我国形成 市场。直至 1970 年代后期，我国才开始进行有机膨胀型防火涂料的研 究工作。在此之后，我国的有机膨胀型防火涂料得以迅速的发展。到 目前为止，我国的防火涂料生产企业已超过 200 家，年销售量在 30kt 以上，已形成了跨行业，跨部门的生产体系。防火涂料按照其防火原理，可分为膨胀型和非膨胀型两

4、大类。若以溶 剂类型来分，可分为溶剂型和水溶型两大类，两类涂料所选用的防火 组分基本相同，其选用的溶剂以采用的成膜物质而定。溶剂型防火涂 料的成膜物质一般选用氯化聚烯烃、丙烯酸树脂、氨基树脂、环氧树 脂、酚醛树脂等，采用的溶剂为溶剂汽油、醋酸丁酯等。水剂型防火 涂料的成膜物质一般选用氯偏乳液、丙烯酸乳液、苯丙乳液、聚醋酸 乙烯酯等，这些材料均以水为溶剂。在涂料的防火性能、理化性能以 及耐候性能等方面，溶剂型防火涂料都优于水剂型防火涂料，但是由 于成本、环境污染等原因，水溶型防火涂料也发展得较快。 防火涂料按其应用场合可分为：（1）饰面型防火涂料，施涂于可燃基材（如木材、塑料、纸板、纤维 板等）

5、表面，能形成具有防火阻燃保护和装饰作用涂膜的防火涂料。（2）钢结构防火涂料，施涂于建筑物及钢结构建筑物表面，能形成耐火隔热保护层，以提高钢结构耐火极限的防火涂料。（3）电缆防火涂料，施涂于电线电缆表面， 能形成具有防火阻燃涂层， 以防止电线电缆延续燃烧的防火涂料。这类防火涂料的构成，理化性 能等特点与饰面型防火涂料相似，但防火性能与试验方法不同。 防火涂料的应用很广，例如在建筑、运输、飞机、宇航、军工、船舶、 古代建筑和文物保护、电器、电缆、包装等方面，使之越来越多地发 挥作用。2 防火涂料的研究2.1 防火涂料的基本机理从燃烧的条件知道，要使燃烧不能进行，必须将燃烧的三个要素（可 燃物、氧气

6、、热源）中的任何一个要素隔绝开来。防火涂料之所以可 以防火（阻燃），大致可以归纳为以下几点：2.1.1 防火涂料本身具有难燃或不燃性，这使被保护的可燃性基材不直 接与空气接触而延缓基材着火燃烧。2.1.2 防火涂料遇火受热分解放出不燃性的惰性气体，冲淡被保护基材 受热分解放出的易燃气体和空气中的氧气，抑制燃烧。2.1.3 燃烧被认为是游离基引起的连锁反应。而含氮、磷的防火涂料受 热分解放出一些活性自由基团，与有机自由基结合，中断连锁反应， 降低燃烧速度。2.1.4 膨胀防火涂料遇火膨胀发泡，生成一层泡沫隔热层，封闭被保护 基材，阻止基材燃烧。2.2 非膨胀型无机防火涂料无机防火涂料有较高的耐热

7、性和完全不燃、不发烟的特点，且有原料 易得、价格低廉、制备简单、着色自由、施工方便、无毒无火灾危险 等优点。早期的无机防火涂料主要是灰泥状的，涂刮于被保护物体表 面。目前品种已经很多，仍在不断发展。作为无机涂料的粘合剂主要有水玻璃（硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂等） 硅溶胶、磷酸盐、水泥等。其填料是一些耐火的矿物，如氧化铝、高 岭土、滑石粉、碳酸钙、氧化锌、硅藻土、珍珠岩、耐火土、细砂子、 钛白粉、火山灰及岩棉纤维、硅酸铝纤维等。无机涂层的防火保护作用是有赖于涂层自身耐火不燃性和高温下形成 似釉膜封闭保护基材，与空气隔绝，使之不能燃烧。无机涂层也具有 一定的隔热作用，但不足之处是附着力及物理机械性能较

8、差，耐潮性 差，易龟裂、粉化、剥落，且涂层装饰性不好等。采用粒度不同的无 机填料配合使用能提高涂层燃烧后的致密性，减少龟裂现象。适当加 入高熔点的无机纤维，能增加涂层的整体性及涂层在高温下骤冷不开 裂等性能。采用有机成膜物， 如乳液型有机树脂等和无机成膜物拼用， 也能改善上述的涂层缺点。有机树脂系和钛酸系树脂与无机涂料组分拼用也有较好的性能， 此外， 在水玻璃中添加氟硅酸钠、氟硅酸锌等也可改善其耐水性。在无机涂 层的基础上，配套有机的防水涂层，进行封闭保护，对提高无机防火 涂料的耐潮性和使用寿命是很有效的。2.3 膨胀型防火涂料2.3.1 膨胀型防火涂料的防火原理膨胀型防火涂料成膜后，在常温下

9、是普通的漆膜。在火焰或高温作用下，涂层发生膨胀炭化，形成一个比原来厚度大几十倍甚至几百倍的不燃的蜂窝泡沫状炭质层，它可以割断外界火源对基材的加热，从而 起到阻燃作用。以传热公式表示如下：Q=A 入t/L式中A传热面积；入一我热介质的导热系数； t 介质(涂层)两侧的温度差；L传热距离(即涂层厚度)；Q传导的热量。上式中由于涂层膨胀后形成的泡沫炭化层厚度 L 要比未膨胀的厚度大 几十倍，甚至可达 200倍。此外，一般涂层的导热系数 入值约为1.163 X 10-48.141 x 10-4W/(mK)，而泡沫炭化层的 入值却要小得多接近气体的入值即2.326 x 10-5W/(m2K)。因此，通过

10、泡沫炭化层传给底 材的热量Q只有未膨胀涂层的几十分之一，甚至几百分之一了，从而 起到有效阻止外部热源的作用。另一方面，在火焰或高温作用下，涂层发生软化、熔融、蒸发、膨胀等物理变化以及高聚物、填料等组分所发生的分解、解聚、化合等化学变化，涂料通过这些物理和化学的变化，吸收大量的热能，抵消一部分外界作用于物体的热能，从而对被保护物体的受热升温过程起延滞作用。涂层在高温下发生脱水成炭反应和熔融覆盖作用，隔绝了空气，使有机物转化为炭化层，从而避免了氧化放热反应发生。另外由于涂层在高温下分解出不燃性气体，如氨、水等，稀释了空气中可燃 性气体及氧的浓度，从而抑制有焰燃烧的进行。2.3.2 膨胀型防火涂料的基本组成及作用膨胀型防火涂料通常含有成膜剂、成炭剂、成炭催化剂、发泡剂、无 机颜填料等。2.3.2.1成膜剂成膜剂对膨胀型防火涂料的性能有重大的影响。它与其它组分匹配，既保证涂层在正常工作条件下具有各种使用性能，又能在火焰或高温 作用下使涂层具有难燃性和优异的膨胀效果。2.3.2.2成炭催化剂成炭催化剂的主要作用是促进和改变涂层的热分解进程，如促进涂层内含羟基的有机物脱水炭化，形成不易燃的三维空间结构的炭质层，减少热分解产生的焦油、醛、酮的量，阻止放热量大的炭氧化反应发 生等，如：聚磷酸铵、多聚磷酸铵、磷酸氢铵、