钢结构防火涂料的性能测试方法和配方设计研究

钢结构防火涂料的性能测试方法和配方设计研究第40卷第2期

2010年2月

涂料工业

PAINT&COATINGSINDUSTRY

Vo1.40No.2

Feb.2010

钢结构防火涂料的性能测试方法和配方设计研究

李风(国家防火建筑材料质量监督检验中心,四川都江堰61l830)

摘要:介绍了钢结构防火涂料的性能测试方法,并结合工作实践介绍了钢结构防火涂料的配方设计原则.重点

介绍了厚涂型,薄涂型,超薄膨胀型室外型钢结构防火涂料的研究及应用范围.

关键词:钢结构建筑;防火涂料;防火隔热;阻燃剂;耐火极限

中图分类号:TQ637.8文献标识码:A文章编号:0253—4312(2010)02-0045—05

TestingMethodsandFormulationDesignof

FireRetartantCoatingsforSteelStructure

LiFeng

(ChinaNationalCenterforQualitySupervisionandTestingofFireBuildingMaterials,Duffangyan,Sichuan611830,China)

Abstract:Thisarticlehasdescribedthetestingmethodsoftheperformanceoffireretardantcoatingsfor

steelstructure.Combinedthepracticalexperience,theprincipleofformulationdesignoffireretardantcoat—

ingsforsteelstructureswaspresented,focusingontheresearchandapplicationofhighbuild,thin,super—

thinandoutdoorfire—resistantcoatingsforsteelstructures,respectively.

KeyWords:steelstructurebuildings;fire—resistantcoatings;fireproofingandheatinsulation;fire—

retardantagents;durationoffireresistance

0引言

由于钢结构具有强度高,受荷能力强,自质轻,占空体积

小,构件制造与安装方便,节约木材等许多优点,因此越来越

广泛地应用于建筑中.特别是一些重要建筑,大跨度建筑和

高层建筑,采用钢结构是十分理想的.随着我国建设事业的

不断发展,各种建筑象雨后春笋,日益增多,各部门对使用钢

结构防火涂料作钢材防火保护的要求也目益增加,钢结构防

火涂料的研究,生产及推广应用正在逐渐进入高潮.

钢结构防火涂料是由基料,阻燃添加剂,增强填料,溶剂

及助剂经研磨而成,喷,刷在钢构件表面,除具有装饰和保护

作用外,由于涂料本身的不燃性和难燃性,能阻止火灾发生时

火焰的蔓延,延缓火势的扩展,起防火隔热保护作用,使钢材

免受高温火焰的直接灼烧,防止钢材在火灾中迅速升温而降

低强度,避免钢结构在短时间内失去支撑能力而导致建筑物

垮塌.从而延缓垮塌时间,为消防救火提供宝贵的时间.钢

结构防火涂料发展到现在,基本上已形成多品种,系列化.从

类型上讲有厚涂型,薄涂型和超薄型.在应用范围上又分室

外型和室内型.使用钢结构防火涂料,可将钢结构的耐火极

限由0.25h提升到设汁规范规定的耐火极限.可应用在耐火

极限要求0.5～4h的建筑钢结构上.由于钢结构防火涂料比

其他防火保护措施相比有成本低,施工灵活等优点,广泛用于

大型承重钢结构,用于耐火等级为一,二级的建筑物的钢柱,

梁,楼板和屋顶承重构件,设备的承重钢框架,支架,裙座等.

用防火涂料保护钢梁或钢柱,可达4.0h耐火极限.对薄型特

别是超薄型钢结构防火涂料,其外观装饰性很好,因此在满足

防火要求的同时,又能满足人们高装饰性要求,因此特别适用

于重点工程和表面积较小的钢桁,钢网,钢条等非承重钢结

构.目前防火涂料是工程应用中钢结构防火保护的最佳

选材.

l钢结构防火涂料性能测试方法与技术要求

耐火性能是钢结构防火涂料的重要性能.钢结构防火涂

料的耐火性能以涂覆钢构件的涂层厚度和对应的耐火极限来

表示.在我国钢结构防火涂料性能测试及产品质量制定依据

国家标准《钢结构防火涂料》(GB14907),对涂料耐火性能的

测试方法是选用工程中有代表性的型钢梁(如I36b,I40b)或

实际工程中使用的钢构件作为基材,经除锈和喷刷防锈漆等

防锈处理后,依据待测钢结构防火涂料产品中规定的使用量

和工艺条件对构件进行涂覆和保养.待养护期满后,按GB/

作者简介:李风(1957一),男,研究员,公安部四川消防研究所所长,国家防火建筑材料质量监督检验中心主任,主要从事建筑结构防火及阻燃技

术的研究

李风:钢结构防火涂料的性能测试方法和配方设计研究

‘19978(建筑构件耐火性能试验方法》规定的试验炉,标准升温

和操作程序进行试验.当试件为钢梁时,应简支,水平安装在

水平燃烧试验炉上,并按GBJ17--1988《钢结构设计手册》的

规定加载,采用等弯矩四点集中加载,钢梁三面受火,受火段

长不少于4500mm;试件支点内外非受火部分不应超过300

mm.耐火试验采用明火,使试件受到与实际火灾相似的火焰

作用.钢结构防火涂料的耐火极限以试验开始至试件失去承

载能力或涂料失去隔热性的时间来确定.钢梁的耐火极限时

间是以试件最大挠度达到t~2o(L是两支点距离)的时间作为

判定根据.对室外钢结构防火涂料耐火理化性能判定是,用

I16热轧普通工字钢梁(长度500Inm)7根,每根预埋热电偶

后,按涂料规定的施工工艺对7根短钢梁的每个表面进行施

工,涂层厚度规定为室外超薄型(WCB)1.5～2.0mm,室外薄

型(WB)4.5～5.0mm,室外厚型(WH)20～25mm.每根短钢

梁试件的涂层厚度偏差相互之间不能大于10%.用6根达到

规定的养护期的钢梁分别完成耐曝热性,湿热性,冻融循环

性,酸性,碱性,盐雾腐蚀性试验,然后同第7根涂覆钢梁一起

进行以下耐火试验.将试件水平放入试验炉中,3面受火,按

GB/T9978--1988规定的升温条件升温,同时监测3个受火面

相应位置的温度.以第7根钢梁内部达到临界温度(平均温

度538oC,最高温度649oC)的时间为基准,第1～6根钢梁试

件达到临界温度的时间衰减不大于35%者,来判定该对应项

理化性能是否合格.对钢结构防火涂料产品质量的判定,则

是按国家标准GB14907--2002~钢结构防火涂料》中的指标要

求进行.钢结构防火涂料的技术性能要求应符合表1的

规定.

表1室内钢结构防火涂料的技术指标

Table1Performanceoffireproofingcoatingsforindoorsteelstructure

室外钢结构防火涂料的技术性能要求应符合表2的

规定.

2钢结构防火涂料配方设计的研究及应用

为了论述方便,将钢结构防火涂料组成简化为基料,阻燃

剂,增强填料,溶剂,颜料,助剂六大部分.

在进行钢结构防火涂料配方设计前,首先根据防火涂料

的用途,主要特性及质量指标要求来决定防火涂料组成中应

选择何种成膜材料(基料).在确定主要成膜物材料以后,再

相应选用阻燃添加剂,增强填料,颜料,溶剂,助剂的品种.

因此,在设计钢结构防火涂料配方时,除要满足防火涂料

特性及质量指标要求外,还应适应钢结构防火涂料不同施工

方式的要求.不仅要考虑主要成膜物,阻燃添加剂和增强填

料,还要重视辅助成膜物——溶剂,助剂的选择,在设计有色

钢结构防火涂料配方时还要重视颜料的选择.

钢结构防火涂料配方设计即配方组成的确定,主要包括:

原料选择(基料,阻燃添加剂,增强填料,颜料,溶剂,助剂等)

及各种原料之间的合理配比选择.在防火涂料配方设计时,

应在多因素中抓住主要因素,即以主要成膜物(基料)的选择

作为原料第一步选择的重点.首先要根据产品用途,技术要

求,施工应用条件及被保护对象,被保护物形状,干燥方式初

步确定一种基料进行试验,或者固定一种阻燃体系及配比来

优选各种基料.先逐步对阻燃添加剂,溶剂和增强填料(填充

剂)的类型进行选择,依次再进行基料与其之间的配比选

择等.

李风:钢结构防火涂料的性能测试方法和配方设计研究

表2室外结构防火涂料的技术指标

Table2Performanceoffireproofingcoatingsforoutdoorsteelstructure

一

般钢结构防火涂料配方设计主要有下列几个内容:①

各种基料类型的选择;②各种阻燃添加剂及增强填料类型的

选择:③各种溶剂类型的选择;③各种助剂类型的选择;⑤各

种颜料类型的选择;⑥各种原料配比的选择;⑦防火涂料实验

研究配方的确定;⑧防火涂料的生产配方的确定

在钢结构防火涂料配方设计的具体方法上,可以充分利

用先进的检测仪器,借助正交设计等优选方法,达到提高配方

设计的效率及可靠性的目的.在防火涂料配方设计中,还应

注意下列问题:①了解各种原料(包括基料,阻燃剂,颜料,填

料,溶剂,助剂等)的性能及来源,质量,检验方法和价格,能否

相互配合这一点是相当重要的.②了解防火涂料的主要生产

工艺及设备情况,使配方设计与生产工艺及设备更紧密结合,

使生产效率得到提高,产品质量得到稳定.③配方设计不仅

要考虑质麓指标;同时要考虑产品成本.要充分利用国内各

种资源,尽姑使用价格低资源丰富的原料,达到以最低的成本

制造出最好质量的产品.

3钢结构防火涂料的研究和应用

3.1厚涂型钢结构防火涂料

一

般讲,所谓厚涂型钢结构防火涂料是指涂层使用厚度

在8～50mill的涂料,这类钢结构防火涂料的耐火极限可达

0.5～3h.厚涂型钢结构防火涂料又叫钢结构防火隔热喷涂

涂料.在火灾中涂层不膨胀,依靠材料的不燃性,低导热性或

涂层中材料的吸热性,延缓钢材的温升,保护钢件.这类钢结

构防火涂料是用合适的粘结剂,再配以无机轻质材料,增强材

料组成.与其他类型的钢结构防火涂料相比,它除了具有水

溶性防火涂料的一些优点之外,由于它从基料到大多数添加

剂都是无机物,因此它还具有成本低廉这一突出特点.可用

于该类钢结构防火涂料基料的无机粘接剂有碱金属硅酸盐

类,磷酸盐类等.该类钢结构防火涂料施工采用喷涂,一般多

应用在耐火极限要求2h以上的室内钢结构上这类产品由

于涂层厚,外观装饰性较差.

李风:钢结构防火涂料的性能测试方法和配方设计研究

3.2薄涂型钢结构防火涂料

一

般讲,涂层使用厚度在3～7mm的钢结构防火涂料称

为薄涂型钢结构防火涂料.该类涂料受火时能膨胀发泡,以

膨胀发泡所形成的耐火隔热层,延缓钢材的温升,保护钢构

件.这类钢结构防火涂料一般都是水溶性的,溶剂性的极少,

这里主要介绍这类水性钢结构防火涂料的研究.这类钢结构

防火涂料一般都是用合适的乳液聚合物作基料,再配以阻燃

剂,添加剂等组成.对这类型防火涂料,要求选用的乳液聚合

物必须对钢基材有良好的附着力,耐久性和耐水性好.常用

作这类防火涂料基料的乳液聚合物有苯乙烯改性丙烯酸乳

液,聚醋酸乙烯乳液,偏氯乙烯乳液等.对于用水性乳胶作基

料的防火涂料,阻燃添加剂和颜填料是分散到水中的,因而水

实际上起作分散载体的作用.为了使粉状的各种添加剂能更

好地分散,还加入分散剂,如常用的六偏磷酸钠等.该类钢结

构防火涂料在生产过程中一般都是分为三步:第一步先将各

种阻燃添加剂分散在水中,然后研磨成规定细度的料浆,第二

步再用基料——乳液进行配漆(料浆),第三步在料浆中配以

无机轻质材料,增强材料等搅拌均匀.在配漆中加入适量的

消泡剂等并使其达到一定的黏度,该类水性防火涂料一般分

为底层(隔热层)和面层(装饰层),其装饰性比厚涂型料好,

该类溶剂性防火涂料为单组分(一层).施工采用喷涂,一般

使用在耐火极限要求不超过2h的建筑钢结构上.

3.3超薄型钢结构防火涂料

所谓的超薄型钢结构防火涂料,是指涂层使用厚度不超过

3mm的钢结构防火涂料.这类钢结构防火涂料受火时膨胀发泡

形成致密的防火隔热层,该防火隔热层延缓了钢材的温升,提高

了钢构件的耐火极限.这类涂料是近几年发展起来的新品种.

目前该类钢结构防火涂料大多数都是溶剂型的,是以合

成树脂作基料,用200汽油,苯类等有机溶剂作为分散体和稀

释剂,再配以阻燃剂,膨胀发泡剂等原料,经碾磨加工而成.

这类钢结构防火涂料的研究中,由于要求涂层在一定温度发

泡形成防火隔热层,因此对其基料有一个特殊要求,这就是要

求基料能与整个涂料体系协合,使涂料既有良好的机械理化

性能,又能在受火时形成较好的泡沫隔热层,为了达到一定的

阻燃耐火时间,要求发泡层在高温下也不脱落.另外还有对

金属的腐蚀性能,附着力,室温固化性,涂膜装饰性等要求.

上述这些要求决定了基料的选择原则是应充分考虑多个方

面.常用作这类防火涂料的基料有环氧树脂,氨基树脂,过氯

乙烯树脂等.由于这些树脂的室温自干性较差,在普通涂料

中一般采用高温烘干或酸类催化剂催干.作为用于建筑物钢

结构的防火涂料,用高温烘干是不现实的.如用催化剂催干

又存在涂膜理化性能和存放稳定性问题,因此怎样合理地处

理室温白干性与存放稳定性及涂料理化性能,涂膜的装饰性

等问题,是这类钢结构防火涂料研究的一个重要方面.另一

方面,要考虑如何使钢结构防火涂料在受火时,其发泡层在高

温下(1000℃左右)与钢材具有较强的粘结性,以保证其在火

灾条件下发泡层能有效地保护钢基材,不致因烈火而烧蚀,开

裂,脱落,延长涂料层能经受火灾考验的时间.研究实践证

明,解决这些问题的比较好的办法是对树脂进行改性,即采用

几种树脂,粘结剂拼合在一起的复合树脂作为该类防火涂料

的基料.利用合成树脂相互之间能取长补短,流平性好,成膜

后的韧性好等特点达到预期目的.另外钢结构防火涂料的另

一

关键组分——阻燃添加剂,它对涂料的防火性能影响也是

巨大的.对于阻燃剂,要求它必须能与基料相互配合,在受火

时组分间协调一致,膨胀发泡形成均匀,坚固,致密的防火隔

热层.可用于该类钢结构防火涂料的阻燃剂种类繁多,性能

各异.在研究过程中,要根据形成膨胀发泡体系的原理,进行

复合阻燃剂的筛选.最后与基料进行配伍,摸索和研究合理

的配比,使防火涂料达到最佳防火效果.超薄膨胀型钢结构

防火涂料施工可采用喷涂,刷涂或滚涂,一般使用在耐火极限

要求2h以内的建筑钢结构上.与厚涂型和薄涂型钢结构防

火涂料相比,超薄膨胀型钢结构防火涂料粒度更细,涂层更

薄,施工方便,装饰性更好是其突出特点.在满足防火要求的

同时,又能满足人们高装饰性要求,特别是对于裸露的钢结

构.这类涂料是钢结构防火涂料中的后起之秀,是目前备受

用户青睐的钢结构防火涂料.

3.4室外钢结构防火涂料

室外钢结构防火涂料是指能适合于室外环境使用的钢结

构防火涂料,主要应用于建筑物室外和石化企业等露天钢结

构.这类钢结构防火涂料的基料是用耐候性好的(一般室外

使用的)合成树脂或有机高分子聚合乳液与无机粘结剂复合

而成,再配以阻燃剂,轻质材料,增强材料组成.这种”复合”

可以为化学过程,也可以为物理过程.所谓化学过程,是通过

化学方法,在无机物的分子结构上引入有机基因,使其性质得

到改善.而所谓物理过程,多指机械混合过程,得到有机和无

机的混合分散液.硅溶胶是一种比较理想的无机成膜物,它

是由水玻璃经过酸处理,电渗析及离子交换等方法去掉钠离

子得到的超微粒子聚硅酸分散体,具有一旦成膜就不再溶解

的特性.但由于它在成膜过程中体积收缩大,所以容易引起

涂层开裂,硬脆.如果用水性有机树脂或有机乳液与之并用,

则可以大大改善涂膜的硬脆.常用的水性树脂和有机乳液有

丙苯乳液,丙烯酸系列乳液等.这些乳液,树脂的耐候性好,

常常用作室外建筑涂料的基料.室外钢结构防火涂料的研究

中,阻燃添加剂的选择原则与其他几类钢结构防火涂料类似.

不过因为其使用性能的特殊性,即耐水,耐候,耐化学腐蚀性

能等要适用室外的环境条件,所以对各阻燃添加剂的要求更

苛刻.因为这时的阻燃添加剂不仅要能与基料有机的协合,

使其有理想的防火隔热性,而且还要提高涂料的耐候,耐水等

理化性能,使其能适用室外使用的环境条件.

4结语

(1)钢结构防火涂料作为一种消防安全专用产品,其质

量直接影响工程安全的可靠程度.我国专门制定了产品质量

要求的国家标准,即GB14907{钢结构防火涂料》.同时制定

了产品入市的准则,即”钢结构防火涂料产品型式认可准则”.

(下转第51页)

徐承明等:家电彩板耐腐蚀与涂层机械性能影响因素分析

表5各影响因素对涂层机械性能与耐腐蚀性能的影响数据

处理表

Table5Dataprocessingofgeneralpropertiesofva~ousin-

fluencingfactors

分析显示,因素A即前处理钝化因素对家电彩板综合性能具

有显着影响.从极差分析得到的优方案为A,即硅烷型前处

理钝化工艺是最佳的选择,这主要与硅烷的XSi(CH,)Y结

构有关,呵水解基团x使硅烷水解为硅醇sj一0H,硅醇与基

板的镀锌表面接合并自身交联在镀层表面形成致密的钝化

膜,同时钝化膜上的有机官能团Y可以和涂料很好地结合,

为涂层与基板提供足够的结合力.

(2)因素D即涂层厚度对家电彩板综合性能有影响,但影

响不显着.说明涂层膜厚的提高对于保证彩涂板的质量具有

一

定作用,在家电彩板生产中保证涂层厚度达到规定要求是

必要的.

(3)由于误差列B的离差平方和大于因素C的离差平方

和,导致因素C直接归入误差项,这可能与试验中某些因素的

(上接第48页)

随着新《消防法》的实施,钢结构防火涂料的人市准则也将向

国际通用的”认证”制度过渡.

(2)随着人们对环境保护重要性认识的不断深化,钢结

构防火涂料的开发研究也正在朝着高效率,少污染,环境友好

方向发展.

参考文献

[1]覃文清,李风.材料表面涂层的防火阻燃技术[M].北京:化学工

业出版社.2004:16—21.

交互作用有关.但具体的试验结果在实际生产中还是具有一

定的借鉴作用,过低的底漆烘烤温度PMT将造成漆膜中挥发

分的滞留并影响到底漆固化,进而影响底漆与基材及底漆与

面漆之间的结合力;而过高的PMT将造成涂层的过固化,涂层

变脆并发生热降解而影响其相关性能.

硅烷型前处理钝化工艺是彩涂前处理技术的最新发展方

向,它具有节能,环保,操作简单及成本低等诸多优点,本次试

验将其与其他两种钝化工艺进行了对比,取得了较好的结果.

3结语

(1)前处理钝化工艺对家电彩板的耐腐蚀性能和综合机

械性能具有显着