引 言

鋼結(jié)構(gòu)自重較輕，且施工簡便，廣泛應(yīng)用于大型廠房、場館、超高層的領(lǐng)域。鋼結(jié)構(gòu)在150℃以下時依然可以保持原先的性能，但當(dāng)溫度達(dá)到300~400℃時，其強度和彈性模量有顯著下降。當(dāng)溫度到達(dá)600℃ 時，鋼結(jié)構(gòu)的強度趨近于零。例如在著名的911恐怖襲擊事件中，飛機撞擊世貿(mào)大樓時大量的燃油泄漏在大樓內(nèi)部，造成內(nèi)部的劇烈高溫，使得大樓的鋼結(jié)構(gòu)不堪重負(fù)，最終整座大樓倒塌。因此，為了將鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限提高到設(shè)計規(guī)范范圍內(nèi)，需要對鋼結(jié)構(gòu)采取防火保護(hù)措施。現(xiàn)有技術(shù)中，在鋼結(jié)構(gòu)上覆蓋一層防火涂料是一種性價比極高的手段。

目前針對室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)常用的防火涂料為膨脹型防火涂料，其基本原理是：（1）本身難燃或不燃，涂層在受熱后，經(jīng)過熔化和膨脹等物理過程，以及炭化劑炭化等化學(xué)反應(yīng)吸收大量熱量，從而減緩基材的受熱升溫過程；（2）受熱分解出的不燃?xì)怏w，可以稀釋基材附近的氧氣和可燃性氣體，抑制燃燒；（3）遇熱釋放活性自由基，與有機自由基結(jié)合后減緩或終止燃燒反應(yīng)鏈；（4）膨脹后的涂層可以形成隔熱隔氧的炭層，從而阻止基材著火燃燒。

目前流通的防火涂料可能會存在一個問題，即釋放出有毒的煙氣。據(jù)統(tǒng)計，火災(zāi)中約有85%的死亡是煙氣造成的，其中大部分是吸入了煙塵及有毒氣體后昏迷致死。解決這個問題的主要方法就是添加抑煙劑。抑煙劑的作用機制分為兩種：（1）鉬化合物如MoO3，可以通過lewis酸機理催化樹脂脫水、炭化，使可燃燒物減少；（2）部分氫氧化物受熱分解時脫水，這部分水分在蒸發(fā)時吸收大量熱量，減緩燃燒程度，同時形成具有l(wèi)ewis酸性的氧化物，可以對樹脂起到炭化作用。

而在添加抑煙劑的防火涂料中，常見由于未全面考慮抑煙劑與填料的協(xié)同作用，導(dǎo)致防火涂料的防火性能下降，同時涂層耐候性差，一年甚至數(shù)月內(nèi)開裂脫落，或在濕熱環(huán)境下變色發(fā)黃等。本文描述了一種新型防火涂料的制備方法，通過設(shè)計正交試驗，調(diào)節(jié)其中的組分和配比，探尋在保證防火性能和抑煙性能的前提下，機械性能達(dá)標(biāo)的組成。

1.實驗

本實驗主要研究不同原料或同原料不同添加量，對于防火涂料的耐火極限和發(fā)煙情況的影響。

按GB 14907-2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》在打磨好的工字鋼上先涂一層底漆，厚度為2mm，之后將本研究研制的防火涂料每次涂刷2mm左右，待前一道漆干燥后再涂刷后一道，直到厚度達(dá)到3.7mm為止。其中用于理化性能測試的樣品養(yǎng)護(hù)10d，用于耐火性能測試的樣品養(yǎng)護(hù)60d。

2結(jié)果與討論

2.1 鈦白粉和碳酸鈣用量對涂料耐候性能的影響

鈦白粉/碳酸鈣的用量對于涂料耐水性，耐凍融穩(wěn)定性和耐濕熱性的測試結(jié)果如下表所示。測試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)于14907-2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》中的要求。從試驗結(jié)果來看，鈦白粉和碳酸鈣用量的比例均可滿足對涂料耐水性、耐凍融穩(wěn)定性和耐濕熱性的需求。限于試驗條件，無法測出耐候性的極限。

鈦白粉/碳酸鈣用量配比對涂料耐候性的影響

2.2 碳源的選擇對耐火極限的影響

在P-N-C阻燃助劑體系中，聚磷酸銨、三聚氰胺和季戊四醇的配比和總占比對于防火涂料性能的影響很大。聚磷酸銨受熱后會放出無機酸，在P-N-C防火體系中起脫水炭化劑的功能；三聚氰胺受熱會分解產(chǎn)生氨氣等不可燃?xì)怏w，起到發(fā)泡劑的作用；季戊四醇在經(jīng)脫水劑的作用則會發(fā)生炭化，膨脹后形成隔熱、隔氧層。因此，當(dāng)P-N-C阻燃助劑的用量提升時，理論上是會提升防火涂料的耐火極限的。但是考慮到P-N-C體系助劑的添加量過高會影響到涂料的理化性能，同時P-N-C體系助劑成本較高，因此其添加量只需滿足使用需求即可，實際控制在占總防火涂料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的33%~40%。

在本試驗中，控制聚磷酸銨的用量在17%~19%，三聚氰胺和季戊四醇的用量均為7%~9%，控制其中兩種物質(zhì)的用量，改變第3種物質(zhì)的用量，測試涂料的耐火極限。以此進(jìn)行正交試驗，其結(jié)果見下表。可以看出在本防火涂料體系中，聚磷酸銨、三聚氰胺和季戊四醇的用量分別在19%，8%，9%時涂料的耐火極限最高。

阻燃助劑的用量對防火性能的影響

2.3 抑煙劑用量對煙氣生成量的影響

本涂料中采用的阻燃劑是三氧化二銻-氧化鋅。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8627-2007《建筑材料燃燒或分解的煙密度試驗方法》分別測定4個樣品在240s的煙釋放效率，其結(jié)果見圖1。其中對比樣中未添加抑煙填料，試樣1~3中氧化鋅的添加量均為0.7%，三氧化二銻的添加量分別為0.3%，0.4%，0.5%。

可以看到對比樣中存在兩個峰，其中第一個峰是P-N-C體系阻燃助劑遇熱作用時產(chǎn)生的煙氣；第二個峰則是樹脂燃燒時產(chǎn)生的煙氣。而添加了抑煙劑的試樣1~3中不存在第一個峰，這說明三氧化二銻-氧化鋅對于P-N-C體系產(chǎn)生的煙氣有著抑制的作用。同時試樣1~3中第二個峰，即樹脂燃燒產(chǎn)煙的能力也是逐漸變?nèi)酰@說明這種抑煙填料對于防火涂料的抑煙效果是全面的，同時與三氧化二銻的添加量有關(guān)。

添加不同量抑煙填料后防火涂料的煙密度

結(jié) 語

采用P-N-C防火阻燃體系和抑煙填料的防火涂料，防火助劑占比越高，耐火極限也越高，但是考慮到實際涂刷后對于漆膜機械性能的要求和涂料成本，這種助劑的占比并不是越高越好，聚磷酸銨，三聚氰胺，季戊四醇的用量占比最佳值為19%，8%，9%。同時三氧化二銻和氧化鋅作為本涂料的抑煙組分可以抑制P-N-C阻燃體系的阻燃助劑發(fā)生作用和樹脂燃燒時的發(fā)煙。同時在本試驗中，這些添加量的阻燃助劑和抑煙填料并沒有對防火涂料的理化性能造成負(fù)面影響。