辛宇，杜泓翰

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150006；2.內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，內(nèi)蒙古 赤峰 024005；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化工與化學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150006)

眾所周知，發(fā)生在美國(guó)紐約的911恐怖事件造成了極其嚴(yán)重的后果，世界貿(mào)易中心一號(hào)樓和二號(hào)樓遭受劇烈沖擊后燃燒數(shù)小時(shí)后轟然倒塌，數(shù)千人失去了生命。之后幾年中，世界各地的研究人員對(duì)世貿(mào)雙子塔進(jìn)行了一系列的耐火性、力學(xué)結(jié)構(gòu)特性性能模擬，得出了優(yōu)異的防火涂料油漆是高層建筑在火災(zāi)中最大程度減少損失的關(guān)鍵。防火涂料油漆是可以均勻覆蓋在建筑物表面的油漆材料，可明顯抵抗或消除設(shè)施基材在火災(zāi)危害中的高溫?fù)p毀現(xiàn)象[1]。目前防火涂料油漆被利用于人類社會(huì)生活中的方方面面，比如高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)層，公路交通樞紐及海洋隧道，高用電量的大型工廠，以及人類信息生活基礎(chǔ)的電/光纜材質(zhì)表面上等領(lǐng)域。并且伴隨人們對(duì)高質(zhì)量生活的需求，小型物質(zhì)的精細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)也在逐步提升，室內(nèi)家具以及各材質(zhì)墻體都要在其表面覆蓋一層優(yōu)異性能的防火涂料油漆，需要同時(shí)滿足裝飾美觀和火情低損失的要求。近20年來(lái)，我國(guó)科學(xué)家也對(duì)防火涂料油漆材料進(jìn)行了深入的物化性能機(jī)理研究，主要包括其阻燃性和耐蝕性，根據(jù)不同需求品種與質(zhì)量也在完善，其發(fā)展動(dòng)力充盈[2-3]。

1 防火涂料油漆的機(jī)理研究

建筑物的燃燒過(guò)程是墻皮易燃物與氧化物或者氧氣產(chǎn)生大量熱的劇烈化學(xué)過(guò)程，伴隨有燃燒、產(chǎn)生濃煙、發(fā)光等現(xiàn)象，通常建筑物燃燒需要有以下幾個(gè)要素，包括易燃物、促燃劑和高能量熱源。因此，建筑物的防火目的可以通過(guò)抑制上述三要素之一來(lái)實(shí)現(xiàn)。防火涂料油漆的阻燃機(jī)理主要有相態(tài)轉(zhuǎn)變阻燃機(jī)理以及伸縮性阻燃機(jī)理。通常，阻燃機(jī)理可分為以下幾個(gè)過(guò)程[4]：①采用不可燃燒的防火涂料油漆，可直接覆蓋在基底層上，起到隔絕熱量并延緩內(nèi)部的溫升的作用；②絕大多數(shù)的防火涂料油漆中的某些組分在熱量的作用下會(huì)發(fā)生分解作用，釋放出大量惰性不易燃?xì)怏w或者水蒸氣，可起到?jīng)_散空氣熱量、稀釋大氣含氧量，抑制易燃物燃燒的功能，其本質(zhì)是防火涂料油漆中的含氮、磷元素物質(zhì)分解產(chǎn)生超活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)聚集形成的細(xì)微粒子可抑制易燃物自由基的鏈?zhǔn)竭B鎖反應(yīng)過(guò)程；③防火涂料油漆在高熱量環(huán)境中會(huì)發(fā)生膨脹現(xiàn)象，形成致密隔焰層，延緩熱傳遞過(guò)程，有效保護(hù)內(nèi)部器件。分別對(duì)防火涂料油漆阻燃過(guò)程中的步驟2和步驟3中的機(jī)理問(wèn)題進(jìn)行表述。

1.1 相態(tài)轉(zhuǎn)變阻燃機(jī)理

相態(tài)轉(zhuǎn)變阻燃機(jī)理主要使用非膨脹型防火涂料。在20世紀(jì)末期，市面上主要的防火涂料油漆均為非膨脹型涂料材料[5]，該類型材料的阻燃過(guò)程主要分為固-氣相轉(zhuǎn)變阻燃機(jī)理和凝固態(tài)阻燃機(jī)理。

固-氣相轉(zhuǎn)變阻燃機(jī)理的原理是采用隔熱類的無(wú)機(jī)材料和增強(qiáng)類的無(wú)機(jī)纖維材料等在熱分解過(guò)程中釋放出大量的水蒸氣和細(xì)微粒子而起到吸收熱量并升高燃點(diǎn)的作用，其中涉及了無(wú)機(jī)固態(tài)無(wú)機(jī)材料向氣態(tài)水氣的相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象；涂料中大部分物質(zhì)之間也可以相互反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳等阻燃性氣體，可快速降低環(huán)境中的氧濃度，起到保護(hù)建筑物基材并隔絕氧氣的作用[6]，并且該固-氣反應(yīng)可吸收大量的熱量，起到了十分優(yōu)異的隔絕熱量的作用。目前市面上的非膨脹涂料油漆在燃燒后可形成一層由無(wú)機(jī)物構(gòu)成的陶瓷熱屏蔽聚合物，其也可有效地抑制熱量的擴(kuò)散。同時(shí)在一定范圍內(nèi)，防火涂料油漆的厚度也和防火性之間呈現(xiàn)正比線性關(guān)系。

防火涂料油漆凝聚相阻燃機(jī)理是高聚物凝聚相能夠有效抑制材質(zhì)的熱分解過(guò)程從而起到阻燃作用。其中使用最為廣泛的是含磷酸類的化合物，該類物質(zhì)能提升高聚物材質(zhì)的脫水-酯化-炭化反應(yīng)，可有效改變熱分解路徑，從根源上降低了可燃性物質(zhì)熱量的二次釋放量，起到阻燃的作用。

1.2 伸縮性阻燃機(jī)理

伸縮性阻燃機(jī)理主要包括膨脹性阻燃過(guò)程。其阻燃過(guò)程包括以下四個(gè)階段：①膨脹性阻燃劑在靠近熱源后吸熱熱量產(chǎn)生分解，有效降低了聚合物的升溫速率；②聚磷酸銨等膨脹物質(zhì)以脫水的方式促進(jìn)發(fā)生酯化-炭化反應(yīng)，可抑制聚合物的熱分解過(guò)程，從而達(dá)到阻燃的目的；③無(wú)機(jī)材質(zhì)可大幅度提升熱分解所需要的時(shí)間，起到延緩分解速率的作用；④膨脹作用產(chǎn)生的多孔層能夠有效隔絕氧氣等可燃性氣體的進(jìn)入，起到隔離可燃性氣體的作用，從源頭上阻止了燃燒過(guò)程的發(fā)生。

絕大多數(shù)的建筑物采用的是鋼材質(zhì)結(jié)構(gòu)[7]，在建設(shè)建筑物的后期會(huì)在其基體上為其涂抹防火涂料油漆，涂抹的防火涂料油漆主要包括以下兩種。即超薄型鋼材質(zhì)的防火涂料油漆和通用的防火涂料油漆。通用的防火涂料油漆可顯著改善大多數(shù)鋼材質(zhì)的表面物化特性，在建筑物發(fā)生燃燒后可在鋼材質(zhì)表面產(chǎn)生疏水防火層，對(duì)鋼材質(zhì)建筑起到了較好的隔熱防火作用。超薄型鋼材質(zhì)的防火涂料油漆由基料、膨脹物、填料組成，其中基料是一種可將涂料中的所有組分黏合在一起的一類物質(zhì)，同時(shí)起到防火碳源的作用；膨脹物質(zhì)分為酸性膨脹源和氣體膨脹源，可適用于不同的防火場(chǎng)所與場(chǎng)景；填料助劑是整體膨脹反應(yīng)的催化劑，起到促進(jìn)碳源的分解炭化作用。目前防火涂料油漆體中，通?；衔镔|(zhì)由混合樹脂組成，其防火性能顯著優(yōu)于單一樹脂基料制備的防火涂料油漆。據(jù)相關(guān)研究報(bào)道，當(dāng)選擇混合型丙烯酸樹脂為防火涂料油漆的基料時(shí)，所制備的防火涂料成膜性好，光滑性較高，而單一使用氨基樹脂為基料的涂料表面粗糙且成膜性較差，所以防火涂料油漆中使用混合型丙烯酸樹脂為基料有助于提升涂料的成膜性。但基料如果只添加丙烯酸樹脂，會(huì)導(dǎo)致涂層發(fā)泡效果較低且膜較薄。而氨基樹脂涂料發(fā)泡效果很好卻膜很厚且膨脹后的炭質(zhì)層致密性非常差，由于黏結(jié)力低易導(dǎo)致從基材上脫落下來(lái)。綜上所述，結(jié)合丙烯酸樹脂和氨基樹脂的雙重優(yōu)勢(shì)，使用丙烯酸樹脂和氨基樹脂的混合物作為涂料基料，既能有優(yōu)異的涂料均一性又有出色的防火性能。

普通鋼材質(zhì)建筑的防火涂料油漆具有較厚的防火層，其主要工作機(jī)理是防火涂料油漆可減緩熱傳遞、阻擋熱量向鋼結(jié)構(gòu)的傳輸，而且防火涂料油漆中一些隔熱物質(zhì)可隨著溫度的升高具有很好的吸熱作用。此外，防火涂料油漆的產(chǎn)物能附著于建筑物的鋼結(jié)構(gòu)表面，從而隔絕易燃?xì)怏w，降低火災(zāi)給鋼結(jié)構(gòu)建筑物帶來(lái)的危害。但厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料油漆厚度范圍為5～50 mm，雖然具有優(yōu)異的防火性能卻較為昂貴，不利于商業(yè)化發(fā)展。薄型鋼結(jié)構(gòu)的防火涂料油漆具有高粘度和低成本的特點(diǎn)，目前被高層建筑物廣泛使用。

超薄型鋼材質(zhì)的防火涂料油漆可滿足裝飾性的要求，具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。膨脹炭化層是超薄型鋼材質(zhì)的防火涂料油漆的核心材質(zhì)，能夠達(dá)到有效保護(hù)建筑物的目的，其主要是通過(guò)以下幾種作用[8]：①隔斷熱傳導(dǎo)和熱輻射；②防火涂料油漆的軟化、膨脹等物化作用能夠吸收大量的熱量，從而顯著降低建筑基材的表面溫度。炭層的形成是由涂料中成膜物質(zhì)組分與凝聚相組分共同作用完成。通常低溫下酸源可催化脫水的酸，與含碳的多元醇進(jìn)行酯化反應(yīng)，形成高粘度的酯化聚合物和高質(zhì)量的蜂窩阻燃炭層，從而可高效減緩?fù)饨鐭崃康膫鬟f速率，提高基材的耐火時(shí)長(zhǎng)；③隔絕建筑物基材和氧氣的接觸，減緩高溫對(duì)隔絕建筑物基材某些易燃物質(zhì)的氧化降解速率；④特殊的防火涂料油漆可快速分解釋放出惰性氣體，可稀釋易燃?xì)怏w的濃度，從而抑制建筑物基材的燃燒。

近些年來(lái)，科研人員研發(fā)出新型的透明膨脹型阻燃防火涂料油漆[9]。該類油漆采用三聚氰胺改性脲醛樹脂和季戊四醇等物質(zhì)作為成炭劑，磷酸作為水成炭催化劑，并添加了具有燃抑煙性效果的磷酸脒基脲，將其混合均勻后對(duì)該涂料進(jìn)行了各方面性能的研究。研究結(jié)果表明該防火涂料貯存穩(wěn)定性優(yōu)良且具有良好的理化性能，相比于市場(chǎng)上其它的阻燃涂料板、成膜樹脂板等材料，該涂料板的熱、煙釋放量，火災(zāi)性能指數(shù)，以及有害氣體的釋放率均處于最低水平，具有優(yōu)秀的阻燃抑煙性能。經(jīng)掃描表征分析，此類防火涂料油漆的表面結(jié)構(gòu)均勻、組分排列規(guī)律、阻燃效果目前為市場(chǎng)最佳。

2 建筑防火涂料油漆的應(yīng)用

2.1 鋼材質(zhì)主架構(gòu)類防火涂料油漆

用于厚型鋼結(jié)構(gòu)的防火涂料油漆也可以被稱為H類鋼結(jié)構(gòu)防火涂料油漆[10]。該類防火涂料油漆的厚度非常高，整體的密度低，且涂料的相對(duì)粘性較高，并具有優(yōu)異的物理強(qiáng)度。在高溫?zé)嵩吹那闆r下，H類鋼結(jié)構(gòu)防火涂料油漆具有不容膨脹、難燃燒等特性，是一類十分優(yōu)異的防火涂料油漆。其所擁有的吸熱優(yōu)點(diǎn)可有效延緩建筑物的整體升溫速率，減少建筑物損傷，通常厚型鋼建筑物的表面涂覆有防火涂料油漆時(shí)，其耐火時(shí)間最久，可達(dá)3 h。但是厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料油漆在建造過(guò)程中，由于具較高的表面粗糙性，因此不適合進(jìn)行裝飾性等外觀工作，僅適用于對(duì)承重鋼結(jié)構(gòu)的鋼材進(jìn)行保護(hù)。薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料油漆又稱為B型鋼結(jié)構(gòu)，該類防火涂料油漆較薄，最低可達(dá)到3 mm，在熱源附近會(huì)通過(guò)膨脹發(fā)泡的方式形成具有高耐火性的隔熱層，并起到使建筑鋼結(jié)構(gòu)材料的溫度上升速度得以大幅度降低的作用，其自身的耐火極限可達(dá)到0.5～2 h，薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料油漆通常以由聚合物與乳液的混合物為基料，通過(guò)與膨脹阻燃劑和顏料等進(jìn)行配合，達(dá)到防火絕熱目的。在制備過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整乳液劑含量，使其在薄鋼結(jié)構(gòu)外表具有優(yōu)異的附著力。通常，薄型涂料在應(yīng)用過(guò)程中可分為面層裝飾用材料和底層材料，其綜合作用比起H型涂料更加優(yōu)質(zhì)。B型防火涂料油漆在應(yīng)用過(guò)程中，能夠?qū)ㄖ锏闹黧w、樓板以及屋頂?shù)戎匦弯摻Y(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合性的火災(zāi)隔熱保護(hù)，在應(yīng)用過(guò)程中已經(jīng)被應(yīng)用于大型工廠、運(yùn)動(dòng)館等諸多鋼結(jié)構(gòu)的火災(zāi)防護(hù)工作中，并可進(jìn)行有效的裝飾，H類與B類鋼結(jié)構(gòu)防火涂料油漆的性能比較見表1。

表1 H類與B類鋼結(jié)構(gòu)防火涂料油漆性能比較Table 1 Class H and Class B comparison fire-retardant-coating properties

2.2 預(yù)應(yīng)力混凝土防火涂料油漆

在建筑物的建設(shè)過(guò)程中，大多數(shù)的高層建筑物的基礎(chǔ)材質(zhì)通常為鋼筋混凝土[11]，所以預(yù)應(yīng)力混凝土防火涂料油漆的應(yīng)用在社會(huì)生活中十分廣泛。在一般情況下，該類涂料具有較好的抗裂性和穩(wěn)定性，且成本相對(duì)較低，但是這種材料的耐火性并不十分優(yōu)異，容易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。所以需要按照國(guó)家要求的各項(xiàng)法律深入貫徹于實(shí)際施工的各個(gè)環(huán)節(jié)中。

2.3 飾面類防火涂料油漆

飾面類防火涂料油漆與其他防火涂料油漆相比，具有十分優(yōu)異的防火功能和裝飾功能[12]。它在高檔建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，其在建筑材料表面兼具良好的防火效果和裝飾作用。據(jù)研究報(bào)道，過(guò)去飾面類防火涂料油漆通常都是由硅酸鹽水玻璃制備而成，近些年來(lái)，又推出了氯化橡膠等多種防火涂料油漆，但是這些防火涂料油漆的防火效果比起硅酸鹽水玻璃制備的油漆有一定的差距，仍需科研人員繼續(xù)深度研究其機(jī)理過(guò)程。表2將鋼材質(zhì)主架構(gòu)類防火涂料油漆預(yù)應(yīng)力、混凝土防火涂料油漆、飾面類防火涂料油漆的性能做出對(duì)比，以詳細(xì)區(qū)分這三類防火涂料油漆的具體性能。

表2 三種防火涂料油漆性能對(duì)比Table 2 Three kinds of fire-retardant-coating performance comparison

水性飾面型的防火涂料油漆是飾面類防火涂料油漆使用最為廣泛的一種[13]，因?yàn)樵擃愑推徇m應(yīng)環(huán)境強(qiáng)，具有可在高濕度和高溫環(huán)境下使用的優(yōu)點(diǎn)。施工時(shí)使用水性飾面型的防火涂料油漆前，要注意不能出現(xiàn)空鼓、開裂等問(wèn)題。使用前可加入適量清水進(jìn)行一定倍數(shù)的稀釋，將粘度調(diào)整到最適合施工環(huán)境為宜。最佳的粘度應(yīng)符合在施工環(huán)境中不產(chǎn)生流動(dòng)的液滴和明顯的下墜現(xiàn)象。若對(duì)建筑表面進(jìn)行噴涂等施工工藝時(shí)，涂料的整體黏度應(yīng)比采用印刷工藝的粘度低。此類防火涂料油漆的施工順序應(yīng)分次進(jìn)行，并且每次涂刷作業(yè)必須待前一防火涂料油漆表面完全干燥或固化后再進(jìn)行。目前大面積的防火涂料油漆在施工時(shí)以機(jī)具噴涂涂裝為主、手工為輔的施工工藝，其他情況下均采用刷涂或涂布等工藝進(jìn)行施工。

3 結(jié)束語(yǔ)

防火涂料油漆在建筑物的建造過(guò)程中被廣泛使用，使用防火涂料油漆時(shí)不僅要考慮防火涂料油漆對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件的燃燒性能的影響，還要考慮其對(duì)于建筑物構(gòu)建的耐火限度、承載力等力學(xué)性能的影響，所以其機(jī)理性問(wèn)題研究就顯得尤為重要。防火涂料油漆的合理使用不僅可以大幅度地提高涂料油漆的防火效果，減少人員的傷亡率，又可降低成本帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)收益，展現(xiàn)出眾多的應(yīng)用前景。如前所述，這方面的研究工作機(jī)理已有開展，已處于深度研究階段，但還值得進(jìn)行更全面和系統(tǒng)的研究。