防火塗料的發展趨勢及其作用展望

    引言 
    建築防火是消防科學技術的一個重要領域 , 而防火塗料又是防火建築材料中的重要組成部分。防火塗料是指塗裝在物體表面 , 可防止火災發生 , 阻止火勢蔓延傳播或隔離火源 , 延長基材著火時間或增加絕熱性能以推遲結構破壞時間的一類塗料。按用途和使用對象的不同可分為 : 飾面型防火塗料、電纜防火塗料、鋼結構防火塗料、預應力混凝土樓板防火塗料等。我國防火塗料的發展 , 較國外工業已開發國家晚 15 ～ 20 年 , 雖然起步晚 , 但發展速度較快。尤其是鋼結構防火塗料 , 從品種類型、技術性能、應用效果和標準化程度上看 , 已接近或達到國際先進水平。近幾年 , 其需求量成倍增長 , 這與鋼結構建築的迅速發展是分不開的。 

    1 鋼結構防火塗料 
    鋼結構作為高層建築結構的一種形式 , 以其強度高、質量輕 , 並有良好的延伸性、抗震性和施工周期短等特點 , 在建築業中得到廣泛應用 , 尤其在超高層及大跨度建築等方面顯示出強大的生命力。截止 1990 年底 , 世界上高 200 m 以上的 100 棟超高層建築中鋼結構占了 79% 。改革開放以來 , 隨著國際間技術交流與合作的加強 , 鋼結構應用技術在我國得到了蓬勃發展 , 高層和超高層建築迅速增長。據 1995 年的統計資料 , 我國建成的 100 幢超高層建築中鋼結構占 37% , 多數是近幾年興建的。隨著我國城市規模的發展 , 鋼結構在我國建築業的應用具有非常廣闊的前景。但由於鋼結構自身不燃 , 鋼結構的防火隔熱保護問題曾一度被人們忽視。根據國內外有關資料報導及有關機構的試驗和統計數字表明 , 鋼結構建築的耐火性能較磚石結構和鋼筋混凝土結構差。鋼材的機械強度隨溫度的升高而降低 , 在 5 000 ℃ 左右 , 其強度下降到 40% ～ 50% , 鋼材的力學性能 , 諸如屈服點、抗壓強度、彈性模量以及荷載能力等都迅速下降 , 很快失去支撐能力 , 導致建築物垮塌。因此 , 對鋼結構進行保護勢在必行。鋼結構防火塗料刷塗或噴塗在鋼結構表面 , 起防火隔熱作用 , 防止鋼材在火災中迅速升溫而降低強度 , 避免鋼結構失去支撐能力而導致建築物垮塌。早在 20 世紀 70 年代 , 國外對鋼結構防火塗料的研究和應用就展開了積極的工作並取得了較好的成就 , 至今仍是方興未艾。 80 年代初國外鋼結構防火塗料就進入中國市場 , 在工程上應用。從 80 年代初 , 我國也開始研製鋼結構防火塗料 , 至今已有許多優良品種廣泛應用於各行各業。 

    2 厚塗型鋼結構防火塗料 
    厚塗型鋼結構防火塗料是指塗層厚度在 8 ～ 50mm 的塗料 , 這類防火塗料的耐火極限可達 0 .5 ～ 3h 。在火災中塗層不膨脹 , 依靠材料的不燃性、低導熱性或塗層中材料的吸熱性 , 延緩鋼材的升溫 , 保護鋼件。這類鋼結構防火塗料採用合適的粘結劑 , 再配以無機輕質材料、增強材料。與其他類型的鋼結構防火塗料相比 , 除了具有水溶性防火塗料的一些優點之外 , 由於它從基料到大多數添加劑都是無機物 , 因此成本低廉。該類鋼結構防火塗料施工一般採用噴塗 , 多應用在耐火極限要求 2 h 以上的室內鋼結構上。但這類產品由於塗層厚 , 外觀裝飾性相對較差。 

    3 薄塗型鋼結構防火塗料 
    塗層厚度在 3 ～ 7 mm 的鋼結構防火塗料稱為薄塗型鋼結構防火塗料。該類塗料受火時能膨脹發泡 , 以膨脹發泡所形成的耐火隔熱層延緩鋼材的升溫 , 保護鋼構件。這類鋼結構塗料一般是用合適的乳膠聚合物作基料 , 再配以阻燃劑、添加劑等組成。對這類防火塗料 , 要求選用的乳液聚合物必須對鋼基材具有良好附著力、耐久性和耐水性。常用作這類防火塗料基料的乳液聚合物有苯乙烯改性的丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液、偏氯乙烯乳液等。對於用水性乳液作基料的防火塗料 , 阻燃添加劑、顏料及填料是分散到水中的 , 因而水實際上起分散載體的作用 , 為了使粒狀的各種添加劑能更好地分散 , 還加入分散劑 , 如常用的六偏磷酸鈉等。該類鋼結構防火塗料在生產過程中一般都分為 3 步 : 第一步先將各種阻燃添加劑分散在水中 , 然後研磨成規定細度的漿料 ; 第二步再用基料 ( 乳液 ) 進行配漆 ; 第三步在漿料中配以無機輕質材料、增強材料等攪拌均勻。該塗料一般分為底層 ( 隔熱層 ) 和面層 ( 裝飾層 ) , 其裝飾性比厚塗型好 , 施工採用噴塗 , 一般使用在耐火極限要求不超過 2 h 的建築鋼結構上。 

    4 超薄型鋼結構防火塗料 
    超薄型鋼結構防火塗料是指塗層厚度不超過 3 mm 的鋼結構防火塗料 , 這類防火塗料受火時膨脹發泡 , 形成緻密的防火隔熱層 , 是近幾年發展起來的新品種。它可採用噴塗、刷塗或輥塗施工 , 一般使用在要求耐火極限 2 h 以內的建築鋼結構上。與厚塗型和薄塗型鋼結構防火塗料相比 , 超薄型膨脹鋼結構防火塗料黏度更細、塗層更薄、施工方便、裝飾性更好。在滿足防火要求的同時又能滿足高裝飾性要求 , 特別是對裸露的鋼結構 , 這類塗料是目前備受用戶青睞的鋼結構防火塗料。公安部消防科研所研製出的「 SCB 」 ( 溶劑型 ) 和「 SCA 」 ( 水性 ) 超薄膨脹型鋼結構防火塗料 , 塗層厚度分別為 2. 69 mm 和 1 . 6 mm , 耐火極限分別為 147 min 和 63 min; 「 LF 」 ( 溶劑型 ) 和「 L6 」 ( 溶劑型 ) 超薄鋼結構防火塗料 , 塗層厚度分別為 2 mm 和 3 mm , 耐火極限分別為 94 min 和 90 min; 德國 Herberts 公司的「 Watet Base 」 38320 型鋼結構防火塗料 ( 水性 ) , 塗層厚度為 2 . 63 mm , 耐火極限為 63min; 38091 型鋼結構防火塗料 ( 溶劑型 ) , 塗層厚度為 2 .42 mm , 耐火極限為 124 min; 英國「 Nullifire 」鋼結構防火塗料 ( 溶劑型 ) , 塗層厚度為 2.24 mm , 耐火時間為 106 min; 江蘇蘭陵公司的「 SF 」 ( 溶劑型 ) 和「 ECB 」 ( 水性 ) 超薄型鋼結構防火塗料 , 塗層厚度為 2 .07 mm 和 1 . 6 mm , 耐火極限分別為 150 min 和 44min 。總而言之 , 由於國內研究超薄型鋼結構防火塗料的時間還較短 , 對塗膜的防火性能及理化性能研究雖然進展較快 , 但是要提出效果優異的適合於室外應用的超薄型鋼結構防火塗料 , 還需要在其耐候性方面作進一步研究。國外的鋼結構防火塗料已向著超薄、超耐候性能、裝飾性能優良的方向發展 , 並參照歐洲老化試驗標準方法進行了耐候性實驗 , 耐候性能優良 , 其塗膜的耐候性能滿足室外使用的要求。所以為了趕上或超過國外同類產品 , 滿足市場的需要 , 研製和開發高耐候性的室外超薄型鋼結構防火塗料是今後發展的方向。 

    5 飾面型防火塗料 
    除了鋼結構防火塗料 , 飾面型防火塗料、電纜防火塗料等也飛速發展。飾面型防火塗料是一種集裝飾和防火為一體的新型塗料品種 , 當它塗覆於可燃基材上時 , 平時可起一定的裝飾作用 ; 一旦火災發生時 , 則具有阻止火勢蔓延 , 從而達到保護可燃基材的目的。正是因為它的這種特殊用途 , 所以國外工業已開發國家早在 20 世紀 20 年代就出現了防火塗料。這種塗料的發展經過了兩個階段。初期出現的是以矽酸鹽水玻璃為粘結劑的無機防火塗料 , 此類防火塗料自身不燃燒 , 遇火時能形成空芯泡層 , 對可燃基材有一定的保護作用 , 缺點是隔熱性能和耐候性能較差 , 易產生泛白、龜裂和脫落。 40 年代末期 , 人們開始著手研製有機膨脹型防火塗料 , 此塗料主要特點是防火性和理化性均優於無機防火塗料 , 塗層遇火時能形成具有良好隔熱性能的緻密的海綿狀膨脹泡沫層 , 能更有效地保護可燃性基材。與無機防火塗料相比 , 有機膨脹防火塗料是更有發展前途的防火塗料類型 , 所以在以後的幾十年間得以迅速的發展 , 到 70 年代末國外膨脹型防火塗料年銷量已在7380t以上。 

    我國飾面型防火塗料的發展也分兩個階段。 20 世紀 50 年代後期出現的防火塗料也是以矽酸鹽水玻璃為粘結劑的無機防火塗料。 70年代初期 , 一些專業油漆廠生產了過氯乙烯、氯化橡膠防火漆。以上兩種防火塗料由於防火效果並不理想 , 所以並未在我國形成市場。直到 70 年代後期 , 我國才開始進行有機膨脹型防火塗料的研究工作。最早出現的膨脹型防火塗料是由公安部四川消防科學研究所研製 B60 - 1 丙烯酸膨脹防火塗料和 A60 - 1 改性氨基膨脹防火塗料。此後 , 我國的有機膨脹防火塗料得以迅速發展。到目前為止 , 我國的防火塗料生產企業已發展到 200 多家 , 銷量數萬噸 , 已形成跨部門的研究生產體系。 

    飾面型膨脹防火塗料 , 可分為溶劑型和水性兩類 , 兩類塗料所選用的防火組分基本相同 , 因此很難說它們的防火性能有多大的差別。其選用的溶劑以採用的成膜物質而定。溶劑型防火塗料的成膜物質一般選用氯化橡膠、過氯乙烯、氨基樹脂、酚醛樹脂等 , 採用的溶劑為 200 號溶劑汽油、噴漆稀料、醋酸丁酯等。水性防火塗料的成膜物質一般選用氯乙烯 - 偏二氯乙烯乳液、苯丙乳液、純丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液等 , 這些材料均以水為溶劑。這兩類塗料性能上的差別主要在於塗料的理化性能以及耐候性能 , 溶劑型防火塗料這兩方面的性能都優於水性防火塗料。透明防火塗料是近幾年發展起來並趨於成熟的一類飾面型防火塗料 , 產品廣泛地適用於賓館、醫院、劇場、計算機房等木結構的裝修 , 各種高層建築及古建築的裝飾和防火保護。然而 , 隨著我國工業的迅速發展及市場上的需求 , 對透明防火塗料提出了更高的要求 , 不但要具有良好的防火性能 , 而且要求漆膜透明光亮 , 耐候性能好。 

    6 電纜防火塗料 
    我國電纜防火塗料產品的研製始於 20 世紀 70 年代末和 80 年代初 , 它是在飾面型防火塗料基礎上結合自身要求發展起來的 , 其理化性能及耐候性能較好 , 塗層較薄 , 遇火能生成均勻緻密的海綿狀泡沫隔熱層 , 有顯著的隔熱防火效果 , 從而達到保護電纜、阻止火焰蔓延、防止火災的發生和發展的目的。電纜防火塗料作為電纜防火保護的一種重要產品 , 通過近 20 年來的應用 , 對減少電纜火災損失、保護人民財產安全起了積極作用 , 其應用也從不規範到規範。但由於現代社會的飛速發展 , 電纜使用的環境、敷設的方式的多樣化 , 從電纜防火塗料多年的應用情況看 , 現行的水性防火塗料還有些性能需要改進提高 , 才能滿足電纜使用環境要求。目前使用情況較好的是溶劑型防火塗料 , 但由於這類塗料本身易燃 , 使用的火災隱患也相當大 , 加之溶劑對人體會有不同程度的傷害 , 因此特別是在電纜豎井、電纜溝、電纜隧道等空間狹窄或不易通風的場所使用時應加強安全防護措施。從環保的角度考慮 , 今後應努力開發研製理化性能和耐候性能優良的水性防火塗料。 

    7 預應力混凝土樓板防火塗料 
    在高速發展的建築中 , 採用混凝土的建築結構十分普遍 , 其中 , 預應力鋼筋混凝土比普通鋼筋混凝土的抗裂性、剛度、抗剪性和穩定性更好 , 質量更輕 , 並能節省混凝土和鋼材。但是 , 應用較多的預應力鋼筋混凝土空心樓板的耐火性能很差 , 其原因是 : 預應力鋼筋的溫度達 2 000 ℃ 時 , 屈服點開始下降 , 3 000 ℃ 時 , 預應力幾乎全部消失 , 蠕變加快 , 致使預應力板的強度、剛度迅速降低 , 從而板中的撓度變化加快 , 板下面出現裂縫 , 預應力鋼筋直接受到高溫作用 , 其剛度和強度進一步下降 , 混凝土在高溫下性能也在改變 , 板下的混凝土受熱膨脹方向與板受拉方向一致 , 助長了板中撓度的變化。混凝土在 3 000 ℃ 時 , 強度開始下降 , 5 000 ℃ 強 度降低一半左右 , 8 000 ℃ 強度幾乎喪失。在建築火災 中 , 這類樓板均在 0 .5 h 左右即斷裂垮塌。 

    預應力混凝土空心板廣泛用於現代建築物中作為承重的樓板 , 由於它的耐火性差, 成為貫徹建築設計防火規範的一個難題。為了提高預應力樓板的耐火極限, 人們首先採取了增加鋼筋混凝土保護層厚度的辦法 , 但效果不很明顯 , 反而增加了樓板的質量並占用了有效空間。借鑑鋼結構防火塗料用於保護鋼結構的原理, 我國從 20 世紀 80 年代中期起 , 逐步研究和生產預應力混凝土樓板防火塗料 , 較廣泛地用於保護預應力樓板, 噴塗在預應力樓板配筋一面, 遭遇火時, 塗層有效地阻隔火焰和熱量, 降低熱量向混凝土及其內部預應力鋼筋的傳遞速度 , 以推遲其升溫的時間, 從而提高預應力樓板的耐火極限, 達到防火保護的目的。 

    8 結語 
    隨著我國城鎮建設開發力度的進一步加大 , 鋼結構因其鋼性和塑性都比較優良 , 將被廣泛應用在大型展覽、體育中心及高層建築中。因此 , 必須進一步深入研究鋼結構防火塗料性能 , 根據不同需要、不同功能 , 提高鋼結構耐火極限 , 增強建築物抗禦火災能力 , 確保國家和人民群眾生命財產安全。 

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