浅析影响防火涂料性能的几大因素

防火涂料是指涂覆于结构材料表面，用于提高构件耐火极限或是涂覆于可燃性基材表面，降低被涂材料表面的可燃性，阻止或延缓火灾蔓延的一类物质。防火涂料涂覆于基材表面，除具有阻燃作用以外，还应具有防锈、防腐、防水、耐热作用以及使涂层具有坚韧性、黏附性、着色性和一定的光泽等作用，防火涂料性能受基料、填料、阻燃体系、颜料等因素影响。

一、基料对防火涂料性能影响

树脂通常被称为基料，是防火涂料中主要成膜物质。基料的性质对形成涂膜的硬度、耐热性、耐冲击性、耐水性、耐磨性等理化性质起到了决定性的作用。基料的作用是将防火涂料中的其他组分黏结成一个整体，当防火涂料干燥后，能附着在被涂基材表面形成连续、均匀、坚的保护膜，具有阻燃、耐火的特殊功能，在一定温度下发泡形成防火隔热层。

防火涂料中常见的基料有氨基树脂、氯化聚乙烯或过氯化聚乙烯树脂、丙烯酸树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂等。氯化聚乙烯树脂或过氯乙烯树脂是一种难燃树脂，具有化学稳定性好、韧性好、附着力强等优点，因此在防火涂料基料中得到了广泛应用。但它存在耐候性差、耐溶剂性差等缺点。单独使用高氯乙烯树脂(HHCPE)作为基料时，其涂层的发泡程度不高。为了更好地解决涂膜的固化、附着黏结、防火等性能，往往对树脂进行改性，或将几种树脂进行并用，既可以降低它的脆性，改善其力学性能，又可降低它的软化点，提高其发泡程度及发泡层质量。当选用基料树脂总含量为28.6%（质量分数，下同），丙烯酸酯：高性能氯化聚乙烯树脂为1：0.75时，涂层的发泡程度最高。随着丙烯酸酯树脂加入量的增加，防火涂料炭化层的骨架将更为完整，泡沫炭化层强度增加；当基料树脂总含量为40.8%时，氨基树脂：高性能氯化聚乙

烯树脂为1：0.71，涂层的发泡程度最高，因此随着氨基树脂加入量的增大，涂层的发泡程度增加。使用丙烯酸酯树脂作为并用树脂时，所得防火涂料发泡层的强度较高，但发泡倍数不够；而使用氨基树脂时则恰恰相反，防火涂料发泡层的高度可以达到10倍以上，但发泡层比较疏松，强度差。若将两者混用，则可获得强度高、发泡效果好的发泡层，真正达到防火阻燃的效果。采用丙烯酸酯树脂和氨基树脂混用作为并用树脂，可使防火涂料获得发泡程度大、强度高的泡沫炭化层。当基料树脂总含量为42.8%的时，选用丙烯酸树脂：氨基树脂为1：3，防火涂料的发泡倍数最大，且发泡层质量较高。

二、填料对防火涂料性能的影响

1.无机填料对防火涂料性能的影响

无机填料在防火涂料中对涂层的膨胀厚度和发泡效果以及发泡层的强度都有影响，尤其是对发泡层在受热时的变化影响很大。加入少量的填料可以提高炭层强度，但加入过量的填料会对涂层的膨胀有抑制作用，影响涂层的发泡高度，降低发泡炭化层的高度和强度，因而达不到隔热的口的。

2.纳米填料对防火涂料性能的影响

（1)纳米Si02

纳米siO2是一种无定形白色粉末材料，由于它的尺寸小、表面积大，可以有效提高反应面积，增强发泡层的强度，提高防火性能。纳米Si02对炭质层强度增强和对炭质层膨胀高度抑制的综合作用决定了其对涂料耐火极限的最终影响，添加纳米Si02将有效提高钢结构防火涂料的耐火极限，而过多的添加则降低涂料耐火极限，这是因为在纳米粒子通过增加分子间作用力来增强炭质层强度的同时，过多的添加抑制了涂层的膨胀，使得炭质层气孔大小不均匀，炭质层密度增大，热导率相应增加，从而缩短了钢结构的耐火极限。

经过老化的涂料燃烧后其炭质层较为疏松，容易脱落，这是因为紫外光的长时间照射使涂层中的有机物分解，影响了膨胀炭层与钢材的附着力，使炭层在燃烧过程中容易脱落从而失去对钢材的保护。而纳米SiOz的加入屏蔽了大部分紫外光，很大程度上延缓了涂料的老化进程，使钢结构防火涂料能够长时间保持稳定的防火性能。

(2)纳米Ti02

超细微粒凝集力很强，给它在基体中的分散带来很大难度，纳米粒子在基体中的分散均匀程度成为影响复合材料性能的关键因素。对超细微粉实施表面改性处理是防止其团聚，实现其在基体中良好分散的有效途径之一。如添加了0.9%的改性纳米Ti02后，耐热极限由96min提高到112min，黏结强度由0.45MPa提高到0.61 MPa。

(3)纳米ZnO晶须

晶须作为一种新型的增强补韧剂，在聚合物复合材料中有着广泛的应用，与纯钢结构防火涂料相比，Zn0品须添加量为4%~5%的钢结构防火涂料的性能有较大的提高，其耐热极限由96min提高到118min，黏结强度由0.45MPa提高到1.12MPa。

三、阻燃体系对防火涂料性能的影响

防火涂料要求阻燃体系必须与基料和互配合，在受火时组分协调一致，膨胀发泡形成均匀、坚固、致密的防火隔热层。山于无机类阻燃剂具有阻燃效果好、抑烟能力强、无青无公害等优点，因此，在防火涂料屮应用广泛。口前应用最多的足聚磷酸铵（APP)、季废四醇(PER）和三聚氰胺（Me1)阻燃体系（P–C一N阻燃体系），市场上也有些其他的磷、氮阻燃休系和添加膨胀石墨的阻燃体系。

1. P-C-N阻燃体系

（1）三聚氰胺对防火涂料耐火时间的影响

三聚氰胺（Mel)主要起发泡剂的作用，三聚氰胺含量对膨胀型防火涂料性能的影响很大。随着三聚氰胺加入量的增加，耐火时间呈先增大后减小的趋势。这是由于当三聚氰胺的含量过低时，其分解产生的少许气体无法吹起燃烧过程中形成的炭层，对隔热效果明显不利；三聚氰胺的含量越大，可释放的气体越多、炭化层的膨胀高度越大，有利于延缓火焰灼烧基材的时间；但三聚氰胺也不能过量，否则会使涂层变软，影响炭化层质量。当三聚氰胺的含量为18%时，防火涂料的耐火时间最长。

（2)季戊四醇对防火涂料耐火时间的影响

季戊四醇(PER)是形成三维空间结构泡沫炭化层的物质基础，对泡沫起着骨架作用，其含量对防火涂料的耐火性能起着十分重要的作用。随着PER加入量的增加，耐火时间呈先增大后减小的趋势。这是由于当PER加入量较少时，整个体系的成炭量少，不利于涂层的防火效果。随着PER含量的增加，能与APP和Me1匹配发生作用，形成较厚、致密、强度高的炭质层，起到很好的防火效果。季戊四醇用量与脱水成炭催化剂和发泡剂用量有关，当脱水成炭催化剂和发泡剂用量基本确定后，成炭剂季戊四醇的用量范用也己被基木确定。当PER的含量为12%(质量分数）时，防火涂料的耐火时问最长。

(3)聚磷酸铵对防火涂料耐火时间的影响

聚磷酸铵(APP)主要作为成炭催化剂，在防火涂料中，要求聚磷酸铵的分解温度与成膜树脂体系的软化温度不能和差太远。随着APP加入量的增加，耐火时间呈先增大、后减小的趋势。这是因为涂层在受热前期发泡炭化形成的炭化层致密均匀，相应的耐火时问很长，但是火焰集中处，炭化层以下的中问部分发泡较大，炭化层与基材连接部分：发泡较少，造成炭化层在后期呈现脱洛趋势，致使耐火时间相对降低。适量的聚磷酸铵的分解将形成适量的聚磷酸和氨气，聚磷酸的形成促使发泡剂发泡、炭化层炭化，而生成的氨气与发泡剂三聚氰胺释放的NH3一起参与涂层的膨胀，有利于形成细小而致密的炭化层泡孔，延长涂层的耐火时问。当APP含量为32%时，其防火效果最好，耐火时问最长。

(4)APP-PER-Mel配比对防火涂料耐火时间的影响

脱水成炭催化剂采用JLS-APP，成炭剂为季戊四醇，发泡剂为三聚氰胺，得到最优阻燃体系配方为APP：PER：Me1一8：3：5。以聚磷酸铵（APP)、三聚氰胺(Mel）和季戊四醇(PER)构成防火阻燃体系的防火涂料，防火助剂在涂层中所占的质量分数在60%~70%时，涂料的防火性能最好。防火助剂用量太低，不能形成良好的发泡层；用量太高，涂料成膜性差，涂层燃烧时，气体易逸出，同样不能形成良好的发泡层。另外，其比例太高，则涂膜中成膜基料太少，使涂膜的附着力、柔韧性和抗冲击性均不能满足应用要求。

2. 其他膨胀阻燃体系

（1)尿素和双氰胺复合发泡剂

不同发泡剂对膨胀型防火涂料阻燃效果有不同程度的影响。发泡剂分解温度过低，燃烧时迅速分解气化，形成的泡沫状结构随即被高温破坏，材料在短时间内起火燃烧：反之，若发泡剂分解温度过高，虽可使着火燃烧的时间推迟，但后期高温下泡沫层易被破坏，阻燃效果亦降低。由尿素和双氰胺组成的复合型发泡剂(尿素和双氰胺按1：1)阻燃效果比用单一发泡剂（尿素或双氰胺)更佳，热释放量最低。

(2）LL阻燃剂

（3)可膨胀石墨

为了改善钢结构防火涂料膨胀炭质层蓬松易脱落和易开裂的缺点，将可膨胀石墨（EG)添加到防火涂料中，EG膨胀后成“端虫”状穿插于膨胀炭质层中，起到增强作用，使炭质层结构更致密。

四、颜料对防火涂料耐火性能的影响

颜料是防火涂料中不可缺少的一部分，不仅可以赋予涂膜色彩，增强其装饰性，而且还可以在一定程度上改善涂膜的性能。

1. 无机颜料对防火涂料耐火性能的影响

采用的无机类颜料均为纳米级透明氧化铁色浆(铁棕、铁红和铁黑）和氧化铬绿色浆。对于加入铁红颜料的涂料，其涂层发泡倍数随着颜料加入量的增加而逐渐增大，在加入量为2.3%时达到最大，之后随着颜料加入量的增加而下降。而对于铁棕颜料在加入量为2.3%时，相应涂层的发泡倍数也达到了最大值，且过后下降不多。铬绿颜料是个例外，涂层的发泡倍数一直随着铬绿颜料的加入量增加而变大，在铬绿颜料加入量为2.8%时，涂层的发泡倍数达到了14倍以上。但此时的发泡层不均匀，且强度不高，而在铬绿颜料加入量为2.3%时，相应涂层的表观形貌与发泡倍数都较好。加入铁黑颜料后，涂料的整体发泡性能都不高，涂层的发泡倍数最高只在8倍左右，比其他3种颜料都要差，可见铁黑颜料对涂料耐火性能影响较大。

2. 有机颜料对防火涂料耐火性能的影响

有机类颜料中常用的有酞菁蓝和醇溶性耐晒红颜料，不同颜料的加入量影响防火涂料耐火性能。当酞菁蓝颜料的加人量为1.7%时，相应涂层的发泡倍数可达到16.34倍。但是涂膜难以流平，燃烧后边缘翘起，易脱落。而酞菁蓝颜料的加入量为2.3%和2.8%时，相应涂层的发泡倍数虽略小，但涂膜的表面性能要比酞菁蓝颜料加入量为1.7%时好得多。因此，酞菁蓝颜料的加入量以2.3%～2.8%为宜。当醇溶性耐晒红颜料的加入量达到2.3%时，涂料的发泡倍数达到最大值11.35倍，涂膜的表面物理性能最好。

3. 颜料对防火涂料物理化学性能的影响

山于颜料的加入并没有改变涂料内部的根本结构，只是填充到了基料的空隙之中，所以涂料的耐酸、耐碱、耐盐性能并没有产生太大的改变，但足颜料的加入对涂层的附着力、耐冲击性和柔韧性均有不同程度的影响，需进步通过加入相应的助剂来改善。