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国内外钢结构防火涂料发展概况- 历史、现状、问题及趋势
来源:和为桂  发布日期:2015-04-14  点击量:1075

1、从消防角度看建筑钢结构的优缺点

经济和社会的发展推动了建筑事业的发展。大型建筑如展览馆、候机楼、大型商场、体育场馆和高级宾馆及工业厂房等不断增多,并向着大型和美观的方向发展,其主要承重构件大都依赖于坚固而又轻便的钢材,这些钢材赋予了建筑物以宽阔、轻盈、而又不失稳固的建筑风格。同传统的木结构、砖石结构和钢筋混凝土相比,钢结构具有强度高、受荷能力强、自重轻、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。而钢结构建筑的耐火性能远较砖石结构和钢筋混凝土结构为差。钢材的机械强度是温度的函数,一般来说,可以认为钢材的机械强度随温度的升高而降低。当钢材的温度升高到某一值其弹性模量、屈服强度和极限强度均显著降低,应变急剧增大,而使其失去承载能力 , 这一温度值定义为该钢材的临界温度。一般常用建筑钢材的临界温度为 540 ℃。对于建筑火灾,火场温度大多在 800 ~ 1200 ℃之间,在火灾发生的十分钟内,火场温度即可高达 700 ℃以上。对裸露的钢构件,在这样的火灾温度下,也只要几分钟其温度就可上升到 500 ℃而达到其临界值,进而失去承载能力,导致建筑物垮塌,因而钢结构耐火性差的致命缺点成为钢结构建筑物火灾的隐患。国内外不乏钢结构建筑物火灾的事例,比较典型的是2001年美国“ 9.11” 事件中的世贸大厦就是其中一例,因此对钢结构进行防火保护是必要的也是必须的,其中使用防火涂料是一种比较理想的方法。钢结构防火涂料涂在钢构件表面,起防火隔热保护作用,防止钢材在火灾中迅速升温而降低强度,避免钢结构失去支撑能力而导致建筑物垮塌。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。各部门对使用钢结构防火涂料作钢材防火保护的要求也日益增加,钢结构防火涂料的研究、生产及推广应用越来越受到重视。
在我国的《建筑设计防火规范》及《高层民用建筑设计防火规范》等标准中明确规定各类建筑中各部位构件的耐火极限要求,有些构件要求耐火极限仅为0.小时,有些则长达3小时。正是由于对钢材的耐火要求不同、钢结构防火涂料的种类不同以及应用领域不同,其防火机理也不同,应科学合理的选择防火涂料。
早在上世纪 70 年代,欧洲、美国及日本等西方发达国家对钢结构防火涂料的研究和应用就开展了积极的工作并取得了较好的成效,该领域的开发研究至今仍是方兴未艾。国外钢结构防火涂料技术及产品于上世纪 80 年代初开始进入了中国市场。
我国钢结构防火涂料,在原来空白的基础上,经过不断地开拓创新,已取得了有目共睹的成就,目前已有了各种类型的品种、分布于全国各地,基本满足了各类建筑物钢结构防火保护的需要,并制定了相应的技术标准和应用技术规范,初步规范了防火涂料市场,确保了钢结构防火涂料的质量的稳定和不断提高。

2 、钢结构防火涂料品种与现状

钢结构防火涂料一般可分为厚涂型、薄涂型和超薄型。
①、厚涂型钢结构防火涂料
所谓厚涂型钢结构防火涂料是指涂层使用厚度在7 毫米~ 45 毫米的涂料,这类钢结构防火涂料主要由多孔绝热材料如粉煤灰空心微珠、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、石墨、矿物纤维等为骨料配以耐高温粘结剂而制成。其防火原理就是由于涂层的导热系数小,具有良好的热绝缘性,从而可在火灾中有效保护钢材不受破坏。厚涂型钢结构防火涂料的耐火极限一般为 0.5 小时~ 3 小时。
厚涂型钢结构防火涂料的性能特点
优点 缺点
① 耐火极限高,可达3小时② 主要组分为无机材料,耐火性能受环境影响小③ 原材料来源广,价格低④ 遇火时不会放出有毒有害气体⑤袋装,运输方便 ① 涂层厚、自重大,粘结力差,易剥落② 表面粗糙,装饰性差③ 施工麻烦④ 水泥基涂料需养护
②、薄涂型钢结构防火涂料
涂层使用厚度在 3 毫米~ 7 毫米的钢结构防火涂料称为薄涂型钢结构防火涂料。目前国内外所使用的薄涂型钢结构防火涂料一般均为膨胀型防火涂料。有基体树脂、催化剂、发泡剂、成炭剂、阻燃剂、补强剂、颜填料和溶剂等组成 .
膨胀型防火涂料膨胀组分一般由脱水成炭催化剂、成炭剂和发泡剂三部分组成。
防火机理为脱水成炭催化剂一般是可在加热条件下释放无机酸的化合物,释放出的无机酸要求沸点高,而氧化性不太强。成炭剂是膨胀多孔炭层的碳源,一般是含碳丰富的多官能团的物质,可以单独或在催化剂作用下加热成炭。发泡剂是受热条件下释放出惰性气体的化合物。
膨胀型防火涂料受热时,成炭剂在催化剂作用下脱水成炭,炭化物在发泡剂分解的气体作用下形成膨松、有封闭结构的炭层 , 该炭层可以阻止基材与热源间的热传导,另外多孔炭层可以阻止气体扩散,同时阻止外部氧气扩散到基材表面,达到防火目的。
薄涂型钢结构防火涂料的性能特点
优点 缺点
① 涂层薄、质轻,粘结力强,干燥快② 表面光滑,颜色可调,装饰性好③ 单位面积用量少④ 施工简便⑤ 抗震动、抗挠曲性强 ① 主要组分为有机材料,遇火时可能会释放出有毒有害气体② 耐火性能受环境影响大③ 严格意义说不能用于室外。
③、超薄型钢结构防火涂料
超薄型钢结构防火涂料是指涂层使用厚度不超过 3 毫米的钢结构防火涂料。超薄型钢结构防火涂料的防火机理与薄涂型完全一致。因目前国内外钢结构防火涂料的发展趋势是涂层超薄、装饰性强、施工方便、防火性能高、应用范围广,对涂料的粘结力和耐水性有较高的要求,因此,超薄型钢结构防火涂料一般为油性膨胀型防火涂料,本涂料除应具有较好的防火隔热性能、粘接力好、强度高,能经受高低温循环的影响外,涂层还应具有良好的耐水性、耐酸性、耐盐腐蚀性,和不易脱落,贮存稳定,装饰性好,施工方便等特点。
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升温,提高了钢构件的耐火极限。与厚涂型和薄涂型钢结构防火涂料相比,超薄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。
超薄型钢结构防火涂料的性能特点
优点与缺点
① 涂层更好② 装饰性更好③ 兼具薄型涂料的优点④ 施工受环境影响小 同样具有薄型涂料的缺点
国外生产薄型和超薄型钢结构防火涂料比较著名的厂家有:英国的“ Nullifire” ,英国的 IP 公司,德国的H erberts, 日本的“日邦油漆”和美国的“ Nofire” 等。
国内有公安部四川消防科研所、汇丽集团、兰陵集团、天宁公司、 621 所及海洋化工研究院等。

3 、钢结构防火涂料目前存在的问题

①、耐久性问题
由于厚型防火涂料存在自重大,装饰性差,因此只能应用在某些对外观要求不高的室外钢结构,广泛应用的是薄型和超薄型防火涂料,特别是超薄型。此两类涂料所使用的主要原料聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇均耐水性不良,存在随着环境、时间等溶出、分解、降解和老化等问题,因此,此类涂料必定会随着时间的推移防火性能有所下降,而目前还没有找出一种评定防火涂料耐久性的方法。检测报告所给出的耐火极限是涂料涂后保养1~2个月的检验结果,但火灾的发生是不可预测的,火灾可能是在涂料涂后的一年,也可能在涂后的十年发生,因此膨胀型防火涂料的最主要的就是耐久性问题。
②、安全性问题
目前的膨胀型钢结构防火涂料的遇火有可能释放出氨、 HCN 、卤化氢、一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、氯、溴等有毒有害气体。如果这些气体的浓度超过了人体忍受极限,便会对未逃离火场的人员以及消防人员造成危害。
③、生产、施工问题
国内多数钢结构防火涂料的生产企业的生产规模不大,生产工艺流程自动化水平不高,有部分企业还处于手工作坊式在操作,对原材料的检测、控制不够,生产过程的检测手段不全,施工设备有待改进提高,与防锈漆的配套性。

4 、提高膨胀型钢结构防火涂料性能的技术途径:

①:原材料方面的改进
● 膨胀型阻燃剂核心成分之一“酸源”(An Acid Donor)或亦称为“催化剂 ”
目前国内外普遍所采用的催化剂或酸源主要是聚磷酸铵(APP),有少数公司也使用三聚氰胺磷酸盐等,选择的原则主要是耐水性、加工性、及发泡性的好坏等指标。整体来看,以德国科莱恩公司(Clariant AG)的Exolit AP系列在业界的影响力最大,因其生产历史最长、应用广泛、品质优良,已成为防火涂料用膨胀型阻燃剂的业内标杆。国内厂家多以科莱恩为榜样,但目前为止在聚合度控制、晶形控制、表面包覆、质量检测标准及稳定性等方面仍存在明显差距,应更加重视并加快研究开发聚合度高及分散性好的产品,并对其进行表面处理,切实提高其耐水性、分散性、耐久性。国内生产企业普遍规模较小。研发投入不足。
● 成炭剂
目前广泛采用的成炭剂主要有季戊四醇和多季戊四醇,它们虽然是较好的炭源,但也存在着亲水性高及加工不易、漆膜状态不好等缺点。应探索新的成炭剂,特别是能够作为成炭剂的树脂,它不仅要对成炭有利,而且还要对涂料的加工、施工及理化性能有所提高。
● 发泡剂
目前使用的发泡剂多是三聚氰胺,也有人在生产配方中填加一些低成本的铵盐,所有这些发泡剂均存在耐水性差的明显不足,为了解决这一问题,有人将三聚氰胺与季戊四醇 / 聚磷酸铵反应,形成较大分子,以降低其亲水性同时再赋予其炭源或酸源的作用。取得实际应用的是三聚氰胺的磷酸盐衍生物,它具有发泡和催化的双重作用,本产品主要从外国进口,国内虽然有厂家在研制,但据我们试验,其各项性能与国外产品不可同日而语。
● 补强剂
研究表明,膨胀层厚度与耐火极限并不完全成正比关系。原因与膨胀层的强度有关,若膨胀层疏松强度低,则随着其厚度的增加,其自身稳定性就越来越差,在较低强度的空气流通下膨胀层就很容易从基材上坠落,使基材暴露于火焰中,起不到防火保护作用。因此必须提高膨胀层强度,选择膨胀层补强剂是提高涂料性能的关键之一,目前各厂家在膨胀体系上大同小异,防火涂料性能的高低主要区别之一就在膨胀层补强剂的应用上。
● 抑烟剂的加入
据美国有关部门统计,火灾中 80% 左右的人员伤亡是由火灾现场的烟雾造成的,一方面是由于火灾中的烟雾大都是有毒气体,它对呼吸道有强刺激性甚至能将人毒死;另一方面毒烟造成更大的恐慌,引起不必要的伤亡和救援困难。
由于膨胀型防火涂料大多在室内使用,因此如何减少烟雾的产生是一非常重要的课题。在涂料配方中填加抑烟剂就是这个目的,不同的抑烟剂有不同的作用,如氢氧化铝、硼酸锌 / 锑白混合物等对卤化物的烟雾有很强的抑制作用; 某些材料对一氧化碳等由于燃烧不充分而产生气体有明显的抑制作用等。
● 纳米复合材料
纳米材料和纳米技术的发展,对高性能防火涂料的研制提供了有力支持。因为纳米粒子的特殊效应,赋于涂料许多优异的性能,如可以提高树脂本身的阻燃性、耐候性、耐水性等,提高阻燃剂的效率,从而减少涂料中防火助剂的用量,对提高防火涂料体系的耐候性、耐水性以及其他的理化性能有极大的帮助。
②、研究新的防火机理
P-N-C 膨胀体系虽然有很好的性能,但随着研究的深入,其表现出来的不足也越来越明显,如耐水性、耐久性差,对涂料成份敏感 ( 毒剂 ) ,要求比例高 ( 一般在涂料中要达到 60-70%) ,漆膜理化性能差等;为了解决这一问题,人们已开始研究新的膨胀防火机理,其中比较成功的是选用自身能膨胀的物质做为膨胀源,当涂料受热时,材料本身即可发生膨胀,产生具有隔热效果的膨胀层。这种办法的优点是不用或少用 P-N-C 膨胀体系阻燃材料,从而使涂料具有几乎和普通涂料一样的理化性能。
自身具有受热膨胀特性的材料有很多,已公开的有氨基苯磺酸盐、氨基磺酰对苯胺、 p,p- 氯化二苯磺酰肼、 5- 氨基 -2 硝基苯甲酸等化合物;海洋化工研究院上世纪九十年代就开始对涂料用自膨胀材料进行研究,已取得突破性进展。

5 、对钢结构防火涂料未来发展趋势的展望:

①、防火涂料性能:厚型钢结构防火涂料对构件强度影响大、施工麻烦、装饰性差、修补困难、性价比低、防火效率低;膨胀型防火涂料装饰性好、施工方便、对构件强度影响小、性价比高、防火效率高、耐候性差;应打破传统的配方体系,敢于创新,开发能同时具有上面两种涂料体系优点的创新涂料配方体系。

②、防火涂料性能评价方法:目前防火涂料性能的测试是涂料施工后在室内保养一定时间后 ( 一般 1-2 个月 ) 进行测量,与防火涂料实际使用状态有一定的差距;不能对耐久性有准确的评价,从而为防火涂料日后性能的劣化留下了隐患。
研究快速评定钢结构防火涂料使用寿命的方法,是迫在眉睫的任务。只有建立了有关防火涂料耐久性的评价标准和评价方法,才能为定期更换防火涂料提供依据。