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膨脹型防火涂料炭化層的質(zhì)量及防火性能的影響因素

文檔作者：吳宗漢，譚志軍，侯文武，唐征宇文檔來源：中外合資岳陽圣吉力高科技涂料有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年11月20日
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第34卷第2期
2004年2月
涂料工業(yè)
PAINT &amp;amp; (20ATINGS IND[iSTR、
ol 34 No 2
Feb．20(H
脹翌!哳火涂撣 化忘昀質(zhì)量
眨 叱 鍵昀 峋 專
吳宗漢，譚志軍，侯文武，唐征宇
(中外合資岳陽圣吉力高科技涂料有限公司，武漢430014)
摘要：探討 膨脹型防火涂料的組成對炭化層的質(zhì)量及其防火性能的影響岡素，并介紹了配h‘ 汁【}1值得注意
的品種 用量和協(xié)同效應(yīng)。
關(guān)鍵詞：防火涂料；炭化層；性能；配方設(shè)汁； 吲設(shè)應(yīng)
中圖分類號：TQ 637．8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 文章編號：0253—43I2(2004)02—0042—04
近年來，隨著城市建筑和工業(yè)建筑廣泛使用各種
合成材料，并向高層化、規(guī)?；姆较虬l(fā)展，對消防[
作的要求也不斷提高。作為防火材料首選的防火涂
料以其效果顯著、方便實(shí)用、應(yīng)用面廣等特點(diǎn)而受到
廣泛的重視，特別是膨脹型防火涂料，因其涂層較薄、
發(fā)泡后形成厚實(shí)的炭化層，具有較好的防火阻燃作用
而迅速發(fā)展。
對膨脹型防火涂料而言，炭化層質(zhì)量的好壞對涂
層防火阻燃性有決定性作用，炭化層的質(zhì)量表征
應(yīng)是炭化層的厚度、密實(shí)度和強(qiáng)度以及化學(xué)組成和化
學(xué)吸熱反應(yīng)；其影響因素取決于涂料的主要組成一
1 樹脂的影響
防火涂料的基礎(chǔ)成膜物樹脂，除應(yīng)具有普通涂料
的理化性能外，更應(yīng)具有高溫下的難燃性和較好的膨
脹性。
用于防火涂料的樹脂很多，溶劑型的有：氯化橡
膠、高氯聚乙烯、丙烯酸、醇酸、酚醛、環(huán)氧、聚氨酯等；
水性的有：改性三聚氰胺、聚醋酸乙烯、苯丙、純丙、氯
偏等乳液及硅酸鹽、硅溶膠、磷酸鹽等無機(jī)基料：
對不同樹脂的溶劑型防火涂料進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)
果見表1 。
從表1可見，發(fā)泡效果好的是含氯樹脂及醇酸樹
脂，但發(fā)泡品質(zhì)最好的是丙烯酸樹脂和改性高氯聚乙
烯樹脂。由于含氯樹脂含有阻燃元素，產(chǎn)生不完全燃
燒，能形成較為厚實(shí)的炭化層。醇酸樹脂含有作為成
炭劑的季戊四醇，能生成較多的炭化層但未改性的
含氯樹脂和醇酸樹脂，其炭化層密瞍和強(qiáng)度不及丙烯
酸樹脂，外層會(huì)產(chǎn)生開裂現(xiàn)象
表1 不同樹脂的溶劑型涂料性能比較
對水性樹脂而言，也有類似的特點(diǎn) 幾種乳液比
較，以氯偏乳液發(fā)泡層較高、結(jié)構(gòu)最緊密、防火效果最
好：另外，水性氨基樹脂本身既是成炭劑，亦是發(fā)泡
劑，因此發(fā)泡層質(zhì)量也較好。但這兩種樹脂均存在理
化性能差的缺點(diǎn)。無機(jī)樹脂本身 燃，適于防火涂
料，但發(fā)泡性和理化性能均需改進(jìn)
為了獲得防火性能較好的炭化層．在實(shí)際配方設(shè)
it-n~，往往將各種樹脂拼合使用，以取長補(bǔ)短～如在
超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的改進(jìn)中 ．將l／3的丙烯酸
樹脂拼入氨基樹脂中，既保持了較好的發(fā)泡阻燃性，
同時(shí)解決了開裂性，結(jié)果見表2
又如，在鋼結(jié)構(gòu)薄層膨脹型防火涂料的研制
中 ，拼入總質(zhì)量13％ 的乙酸乙烯酯共聚物(EVA)
(氨基樹脂為30％ )，炭化層致密性、硬度、耐水性、耐
火性均有提高，結(jié)果見表3。
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吳宗漢等：膨脹型防火涂料炭化層的質(zhì)量及防火性能的影響因素
表3 EVA的加入量對涂層耐火性能的影響
在乙丙、純丙或苯丙乳液體系中 添加一定量
的水性酚醛樹脂或三聚氰胺甲醛樹脂作為發(fā)泡層蜂
窩結(jié)構(gòu)促進(jìn)劑，可有效地改善發(fā)泡層的結(jié)構(gòu)，提高涂
層的防火阻燃性能。酚醛樹脂的有效用量為乳液質(zhì)
量的8％ ，而三聚氰胺甲醛樹脂的有效用量僅為乳液
質(zhì)量的4％ 。
“LB”和“SG一1”鋼結(jié)構(gòu)膨脹型防火涂料采用有
機(jī)一無機(jī)復(fù)合基料，將膨脹型和非膨脹型相結(jié)合，以
完善防火性和理化性能。
除樹脂品種外，樹脂的用量對炭化層的品質(zhì)和防
火效果也有影響，見表4 。
表4 樹脂用量對防火效果的影響
防火效果
樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)／％
30 ～35 35～40 40～45
由表4可見，樹脂的加入量在一定范圍內(nèi)與阻燃
性成正比。樹脂含量太少，涂層熔融時(shí)與底層的附著
力較弱；樹脂含量太多，炭化層太軟，發(fā)泡效果反而不
好。
2 炭化劑的影響
炭化劑是形成三維空間結(jié)構(gòu)阻燃泡沫炭化層的骨
架基礎(chǔ)，常用的炭化劑有多元醇(如季戊四醇、二或三
聚季戊四醇)、碳水化合物(如淀粉、葡萄糖、纖維素)、
含羥基樹脂(如氨基樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氨酯)等：
炭化劑的成炭性主要取決于其含碳量和羥基含
量 ，幾種炭化劑的性能見表5、
表5 炭化劑及其物性
炭化劑名稱 分子式 單元相對炭含羥基含反應(yīng)指數(shù)／
分子質(zhì)量量／ 量／％ (g·100 g )
從表5可見，采用高炭含量、低反應(yīng)速度的炭化
劑較為適宜。但選用時(shí)要注意炭化劑的熔點(diǎn)和成炭
催化劑的分解溫度的協(xié)調(diào)匹配性，如季戊四醇應(yīng)與聚
磷酸銨配套使用，淀粉應(yīng)與磷酸氨二銨配套使用，才
能形成品質(zhì)好的炭化層，因多季戊四醇的含炭量高，
在炭化層的成炭量、密度、強(qiáng)度和耐水性等方面都優(yōu)
于季戊四醇。另一方面，由于季戊四醇的分解溫度低
于熔融涂層的炭化溫度，季戊四醇用量過多會(huì)導(dǎo)致膨
脹層的滑動(dòng)，而二聚季戊四醇的用量達(dá)到季戊四醇用
量的4倍時(shí)膨脹層仍很堅(jiān)挺，不會(huì)滑動(dòng)。因此，國外
廠家多采用多季戊四醇。但因價(jià)格較貴，國內(nèi)廠家仍
以季戊四醇為主。經(jīng)比較，不同廠家生產(chǎn)的季戊四醇
因結(jié)構(gòu)、含量、雜質(zhì)等原因，對炭化層的成炭量影響不
大，但對強(qiáng)度有一定影響。
淀粉、糖醇等碳水化合物在成炭性和耐水性方面
較差，應(yīng)用較少，但在普通型防火涂料中可與季戊四
醇拼用，以降低成本。
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吳宗漢等：膨脹型防火涂料炭化層的質(zhì)量及防火性能的影響因素
3 成炭催化劑的影響
成炭催化劑的主要功能是促進(jìn)涂層含羥基的成
膜物和炭化劑的脫水炭化，它是形成均勻致密炭化層
的關(guān)鍵組分?？捎玫某商看呋瘎┯辛姿帷⒘蛩?、硼酸
等的鹽、酯和酰胺類化合物 現(xiàn)選擇4種常用的磷
酸鹽成炭催化劑比較其理化性能和防火性能，如表6
和表7所示
表6 4種磷酸鹽的理化性能
表7 磷酸鹽類成炭催化劑對乳膠防火涂料性能的影響
從表6和表7可以看出，4種成炭催化劑對乳膠
涂料防火性能影響不大，但前3種磷酸鹽岡有較低的
熱穩(wěn)定性和較大的水溶性，會(huì)產(chǎn)生重結(jié)晶沉析在涂層
表面，影響涂層的耐水性和耐燃性。因此，曰外J一家
多采用聚合度>800的高聚聚磷酸銨和分解溫度更
高(>300 oC)和水溶性更小(<0．08 g／kg)的磷酸二
聚氰胺。但從來源和價(jià)格考慮，國內(nèi)廠家更多的是采
用聚合度>20的中聚聚磷酸銨 國產(chǎn)的聚磷酸銨粒
度較粗，質(zhì)量不穩(wěn)，從而影響催化發(fā)泡效果
成炭催化劑的用量是根據(jù)基料的多少而定，也要
與成炭劑和發(fā)泡劑的用量匹配 ．若用量太少，不能使
基料和成炭劑完全脫水炭化；但用量太多，則會(huì)使涂
層慢干發(fā)黏。
4 發(fā)泡劑的影響
發(fā)泡劑遇熱分解產(chǎn)生不燃?xì)怏w(如N!、CO 、
NH 、HC1、H，O)等，使涂層膨脹發(fā)泡形成海綿狀炭化
層，達(dá)到隔熱阻燃的效果。常用的發(fā)泡劑有三聚氰胺、
雙氰胺、六次甲基四胺、氯化石蠟、尿素等 ，其中3
種發(fā)泡劑對乳膠防火涂料防火性能的影響見表8
表8 不同發(fā)泡劑對乳膠涂料防火性能的影響
從表8可以看出，當(dāng)用分解溫度較高(212 oC)的
聚磷酸銨作成炭催化劑時(shí)，分解溫度較高的l_一聚氰胺
的發(fā)泡防火性能最好，六次甲基四胺尚可，尿素最差。
但換成分解溫度較低(150℃)的磷酸二氫銨作成炭
催化劑后，尿素的發(fā)泡防火性能明顯提高(質(zhì)量損失
為4．8 g，炭化體積為23．6 cm ，發(fā)泡高度為10 mm，
背面出現(xiàn)焦斑時(shí)間為45 S)。由此說明防火助劑分解
溫度匹配的重要性。一般而言，發(fā)泡劑的分解溫度應(yīng)
略高于成炭催化劑的分解溫度。
三聚氰胺作為最常用的發(fā)泡劑，其加入蓮直接影
響炭化層的膨脹高度，在一定范圍內(nèi)用量大小與膨脹
高度成正比。
氯化石蠟亦可用作發(fā)泡劑，它兼有成炭劑、阻燃
劑和增塑劑的作用。不同廠家的產(chǎn)品對涂層的防火
性能有直接影響，有的產(chǎn)品阻燃性差，對涂層的強(qiáng)度
和發(fā)泡性有劣化作用。氯化石蠟用量適當(dāng)，可促使發(fā)
泡時(shí)間及炭化層的提早形成，但加量過大，會(huì)使涂層
變軟，影響固化速度和炭層強(qiáng)度：
防火涂料中采用2種或多種發(fā)泡劑拼用，效果較
好 。例如，采用含氯與含磷化合物拼用，不僅可以
從固相到氣相廣泛抑制燃燒的進(jìn)行，而且由于硫、磷
兩元素間會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，燃燒生成PC1，、POC1，等
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吳宗漢等：膨脹型防火涂料炭化層的質(zhì)量及防火性能的影響因素
化合物，它們在高溫下成為氣體，其密度比空氣大，可
附著在底材表面而形成較均勻的覆蓋層，將空氣與可
燃物隔開，從而達(dá)到抑制或阻止燃燒的目的。
氯化石蠟和三聚氰胺的拼合可產(chǎn)生多層次炭化。
燃燒時(shí)，氯化石蠟在120 oC首先分解炭化，使已熔融
的樹脂膨脹炭化，而當(dāng)溫度達(dá)到250 oC時(shí)，三聚氰胺
也開始分解發(fā)泡，達(dá)到2次炭化，增加炭層厚度，提高
防火性能。
5 顏填料的影響
由于膨脹型防火涂料含有較多的防火阻燃劑。所
以不宜加入過多的顏填料。因顏填料過多，會(huì)影響涂
層的發(fā)泡性，抑制炭化層的厚度，導(dǎo)致防火性能的降
低。另一方面。。 ，在涂料中加入適量的顏填料，不僅
能消除涂層表面針孔、空穴，使涂膜平整光滑，而且增
加了涂層的致密度和強(qiáng)度，提高耐燃溫度 常用的無
機(jī)顏填料有二氧化鈦、滑石粉、氧化鋅、碳酸鈣、云母
等，一般要求選用遮蓋力強(qiáng)、耐光性優(yōu)、耐熱性好的產(chǎn)
品。表9顯示了滑石粉用量對涂膜性能的影響。
表9 滑石粉用量對涂膜性能的影響
6 增強(qiáng)材料的影響
為提高炭化層的強(qiáng)度及耐燃性，防止炭化層被火
焰沖破或脫落，可加入硅酸鋁纖維、玻璃纖維、石棉纖
維及中空玻璃微珠、無機(jī)透明粒子(改性硅酸硼)等，
亦可加入適量耐火材料，如膨脹珍珠巖、蛭石等， 要
注意控制增強(qiáng)材料的添加量，以免抑制發(fā)泡效果，反
而降低防火性能。對水性防火涂料，選擇透明粒子要
控制堿性離子，以防破壞穩(wěn)定性。據(jù)報(bào)導(dǎo)“ ，一種膨
脹型防火涂料加有<1％ 的玻璃纖維，以2 mm厚的
涂層，加熱后膨脹比達(dá)60倍，在背面350 oC加熱時(shí)，
涂層60 min內(nèi)不著火。
綜上所述，膨脹型防火涂料的品種、配比、協(xié)同效
應(yīng)等，均會(huì)影響到炭化層的膨脹厚度、致密度和強(qiáng)度。
只有在設(shè)計(jì)配方時(shí)，認(rèn)真分析和研究這些因素，并反
復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)選，才能制得成量多、質(zhì)量好的泡沫炭
化層，從而提高防火阻燃性能。
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[1】] 日本專利公開．平5—86310，1993—04—06
收稿日期
作者簡歷
通信地址
聯(lián)系電話
20O3—09 一lO
吳宗漢，原任武漢雙虎涂料集團(tuán)股份有限公司副
總經(jīng)理，現(xiàn)任岳陽市圣吉力高科技涂料有限公司
技術(shù)顧問，高級工程師
武漢市江岸區(qū)澳門路湖邊坊740號3—2
(0730)8712684(0)一808：(027)82416376(H1；
(0)13006367312
曰峙， 峙， 電 枯 峙 、 枯、9 電 4 也／ 、 、} ‘ ’ 0 ‘ 電 _、 。、亭 0 、0
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