作者：王金平 编著
出版社：化学工业出版社
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钢结构防火涂料试读：
本书对防火涂料的分类、钢结构的防火机理、钢结构防火保护方法、各类钢结构防火涂料的现状和组成等进行了概述，对与构成结构防火涂料的成膜物、发泡组分、颜填料、溶剂和助剂等进行了详细介绍，同时重点阐述了钢结构防火涂料的配方设计、生产工艺及设备、检测方法，钢结构防火涂料的选用、表面处理、施工、检测，产品和各环节面临的问题和解决方案，国内国际常用标准等内容。
本书可供生产、研发、应用涂料的生产厂家、施工单位、研究单位以及建筑防火设计、消防管理的技术人员参考，也可供相关专业师生参考。
书名：钢结构防火涂料
作者：王金平编著
CIP号：第250008号
ISBN：978-7-122-28298-9
责任编辑：张艳 靳星瑞
出版发行：化学工业出版社（北京市东城区青年湖南街13号 100011）
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随着我国经济的飞速发展，大量的超高层建筑、工业厂房、大跨度公共场所等钢结构建筑拔地而起，钢结构产业的崛起促进了防火涂料的振兴。
钢结构防火涂料作为涂料的一大分支，对其应用是钢结构的防火保护最常用的技术手段，发展趋势良好。行业中存在的问题随着技术的发展、人文意识的提升、法制的完善将逐步解决。
笔者与涂料结缘已有近20载，2004年研制钢结构防火涂料至今，从一无所知开始，幸得中国建筑科学研究院李引擎、陈景辉以及技术专家周利、朱福贵等专家的帮助，得以开展工作，中国建筑科学研究院马道贞高工更将学识不吝传授，指点迷津，终于对涂料研发、生产制备、检测、行业发展有了简单的认识，了解了部分应遵循的法规标准，感觉这些对于行业相关工作的开展非常重要，今有良机，能动笔此书，几欲倾囊相授，以飨读者。
书稿部分领域非本人熟知，又需借助同行的经验、学识汇编成册，在此表示感谢。无奈时间仓促，篇幅有限，必然有疏漏和不当之处，敬请指教！笔者邮箱wangjinping@126.com。王金平2016年12月于中国建筑科学研究院第一章 绪论第一节 定义及分类
防火涂料是一种功能型建筑涂料，施涂于可燃性材料、建筑及构件、设备及部件表面，对基材进行装饰、保护。涂层的阻燃特性，能够在一定的时间内抑制火焰的蔓延，对相关组件起到防火保护的作用，以免在火灾中受损。
按照阻燃机理不同，防火涂料可以分为膨胀型和非膨胀型防火涂料两大类；按应用环境不同，可分为室内及室外用防火涂料；按分散介质不同，可分为水基性防火涂料和溶剂型防火涂料；按照保护对象不同，可以分为电缆防火涂料、饰面型防火涂料、钢结构防火涂料、预应力混凝土防火涂料；按基料组成不同，可分为无机防火涂料和有机防火涂料。
施涂于建筑及构筑物的钢结构表面，能形成耐火隔热保护层以提高钢结构耐火极限的涂料被称为钢结构防火涂料，《钢结构防火涂料》（GB 14907—2002）对其进行了定义和分类，根据使用厚度不同，钢结构防火涂料被分为厚型、薄型、超薄型。可参见表1-1。表1-1 钢结构防火涂料分类
钢结构防火涂料也可以根据使用环境、分散介质、阻燃机理进行相应的划分。一、厚型钢结构防火涂料
厚型钢结构防火涂料按照阻燃机理划分，属于非膨胀型无机防火涂料，一般是水溶性，涂层表面呈粒状，密度较小，热导率低，耐热性、隔热性好，遇火不燃、不发烟，具有原料易得、价格低廉、制备简单、施工方便、着色容易、无毒等优点，耐火极限可达0.5～3.0h以上，耐火极限要求在2h以上的钢结构一般采用此类防火涂料，在我国部分省市要求耐火极限在2h以上的钢结构禁止使用其他类型防火涂料。
这类涂料通过涂层自身的难燃性和不燃性，同时在火焰或高温下能释放出灭火性气体，并形成不燃性的无机层隔绝空气，以防止或延滞被涂物着火燃烧。
厚型钢结构防火涂料的组分多为无机材料，防火性能稳定，耐久性好，但其涂料组分的颗粒较大，涂层外观不光滑，影响建筑的外观美感，因此大多用于结构隐蔽工程、室内承重柱等钢结构。
对于石化系统、核电站及裸露钢结构等的防火保护，均需选择室外型钢结构防火涂料；对于一般工业厂房中的隐蔽钢结构，可选用室内型钢结构防火涂料；如果想提高室内钢结构的安全性，可考虑性能略好的室外钢结构防火涂料。二、薄型钢结构防火涂料
薄型钢结构防火涂料为膨胀型防火涂料的一种，一般是水溶性，其装饰性优于厚型防火涂料，高温时膨胀，形成炭质层，耐火隔热，耐火极限可达0.5～2.5h，要求耐火极限在2h以内的钢结构一般选用此类防火涂料。
薄型钢结构防火涂料在我国经过30多年的发展，被广泛应用于工业及民用建筑钢结构的防火保护，曾占有很大的市场份额，随着超薄型钢结构防火涂料的出现，比例逐渐缩小。三、超薄型钢结构防火涂料
超薄型钢结构防火涂料也属于膨胀型防火涂料，可分为水溶性和溶剂型两类，前者具有低毒、无污染、室温自干等特点，耐水性差，适用于干燥场所。
超薄型钢结构防火涂料涂层很薄、装饰性最好、施工方便，各种工程多采用该类型防火涂料进行防火保护。可用于一类建筑物中的梁、楼板与屋顶承重构件，及二类建筑中的柱、梁、楼板等。特别适合飞机场、会展中心、体育馆等建筑物的轻钢结构（如轻型钢屋架）、网架、压型钢板及屋面板等防火与装饰的要求，在西欧、日本和北美地区得到越来越广泛的应用。
近年来，超薄型钢结构防火涂料以其优越的装饰性、实用性、多功能性而备受青睐，尤其是直接暴露在环境中的钢结构，几乎全部都采用超薄型钢结构防火涂料。第二节 作用机理一、钢结构防火
钢结构自重轻、强度高、跨度大、空间大、抗震性能好、吊装施工方便和建设时间短，在现代建筑业得到广泛应用。钢材作为一种不燃建筑材料，在火灾高温作用下，其力学性能如屈服强度、抗拉强度及弹性模量等随温度升高而降低，在450～650℃更会急剧下降，失去承载能力，形变巨大，导致钢柱、钢梁弯曲，建筑坍塌，一般不加保护的钢结构耐火极限为15min左右。
2001年9月11日，美国纽约的世界贸易大厦在恐怖袭击中，伴随火灾蔓延，主楼仅经过30min便轰然倒塌，造成了死亡2797人、损失360亿美元的举世震惊惨案；2003年我国青岛市的正大食品厂钢结构厂房发生特大火灾，造成厂房大面积倒塌，20多名工人葬身火海，因此钢结构建筑必须采取有效的防火保护措施，提高钢结构的耐火极限，在火灾中使其能保持稳定性，防止钢结构迅速升温，失去支撑力，造成形变塌落。二、防火保护原理
钢结构主要通过截流、疏导进行防火保护。设置屏障，阻隔火焰或高温，以免其接触钢构件；通过吸热材料，转移传递给钢材的热量；用绝热材料保护钢构件，阻断外界的热量传递。三、钢结构防火保护方法
①外包层。在钢结构外部添加外包层，可以现浇成型，也可以采用喷涂法。现浇成型的实体混凝土外包层通常用钢丝网或钢筋提高强度，防止裂缝。喷涂法可以在现场对钢结构表面涂抹石灰水泥或石膏砂浆，其中可以掺入珍珠岩或石棉。同时外包层也可以用珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥、轻混凝土做成预制板，采用胶黏剂、钉子、螺栓等固定在钢结构上。
②充水。空心型钢结构内充水可以有效抵御火灾，通过水在钢结构内的循环，吸收产生的热量，使钢结构保持低温，而受热的水经冷却后可以循环使用。
③屏蔽。钢结构设置在耐火材料组成的墙体或顶棚内，只要增加少许耐火材料甚至不增加即能达到防火的目的。
④防火涂料。钢结构防火涂料防火隔热性能好、施工不受钢结构几何形体限制，一般不需要添加辅助设施，且涂层质量轻，还有一定的美观装饰作用。
相比之下，在钢构件上直接喷涂防火涂料最为实用、简捷方便。四、防火机理
按照防火原理，防火涂料可分为膨胀型和非膨胀型两类。（1）膨胀型防火涂料
膨胀型防火涂料成膜后，在火焰或高温作用下，涂层发泡炭化，形成海绵状炭质层，它可以隔断外界火源对底材的直接加热，从而起到阻燃作用。
其发泡形成隔热层的过程为：防火涂料发泡炭化，涂层厚度剧增，为原涂膜的几十倍甚至上百倍，涂层热导率大幅度减小。因此，通过炭质层传给保护基材的热量只有未膨胀涂层的几十分之一，甚至几百分之一，从而有效阻止钢结构受热变形。同时涂层的软化、熔融、蒸发、膨胀等物理变化，及聚合物、填料等组分发生的分解、解聚化合等化学变化也能吸收大量的热能，延缓基材的受热升温过程。
另外，炭质层的形成，避免了氧化放热反应的发生，不燃性气体还能稀释可燃气体及氧气的浓度，抑制燃烧的进行。（2）非膨胀型防火涂料
非膨胀型防火涂料通过以下三种方法对钢结构起到保护作用：
①涂层自身具备的难燃性或不燃性；
②在火焰或高温作用下分解释放出不燃性气体（如水蒸气、氯化氢、二氧化碳等），驱散氧气和可燃性气体，阻碍燃烧进程；
③在火焰或高温作用下形成不燃性的无机釉膜层，结构致密，能有效地隔绝氧气，并在较长时间内隔绝热量。第三节 现状
钢结构在建筑中使用了100多年后，于1889年迎来了鼎盛代表作，即第一座钢铁结构高塔——法国埃菲尔铁塔。慢慢地，钢结构发展成现代空间构筑的主流，被广泛应用于超高层建筑、大跨度空间结构等工程建设中。从纽约帝国大厦、人民大会堂、上海东方明珠电视塔到“鸟巢”，都是钢结构建筑的典范之作，目前美国、日本的钢结构建筑已经占到全部建筑总量的一半以上，而我国钢结构建筑不到全部建筑的10％。
伴随着钢结构建筑的兴起，防火安全意识的提高，钢结构防火涂料得到发展，从20世纪30年代，国外开始了钢结构防火涂料的研究，国内稍稍滞后，从20世纪80年代逐渐开发，发展到现在，钢结构防火涂料被广泛认可，品种繁多，已应用于各类场所。一、厚型钢结构防火涂料
厚型钢结构防火涂料发展至今，已经相对成熟，据有关数据显示，我国目前200多家有关的生产企业中，生产厚型防火涂料的约占50％，生产薄型防火涂料的约占30％，只有20％左右的企业生产超薄型防火涂料。
国内市场比较知名的厚型钢结构防火涂料产品及厂家见表1-2。表1-2 厚型钢结构防火涂料厂家二、薄型钢结构防火涂料
薄型钢结构防火涂料被应用在北京亚运会体育馆、西昌卫星发射中心、上海浦东国际机场等建筑的钢结构工程上。国外对此类钢结构防火涂料的报道较少。薄型钢结构防火涂料比较知名的产品及厂家见表1-3。表1-3 薄型钢结构防火涂料厂家三、超薄型钢结构防火涂料
我国自行研发的前两种涂料，目前在耐火极限性能上已经和发达国家的产品接近，而高性能超薄型钢结构防火涂料还有进步空间。
超薄型钢结构防火涂料比较知名的产品及厂家见表1-4。本书附录中列有全国部分防火涂料企业及产品目录，可作参考。表1-4 超薄型钢结构防火涂料厂家第四节 组成
钢结构防火涂料的组分包括成膜物（亦即黏结剂、基料）、阻燃剂、颜填料、溶剂及其他助剂等。一、厚型钢结构防火涂料
厚型钢结构防火涂料是一种非膨胀型的防火涂料，它的组分包括难燃或不燃性树脂、阻燃剂、填料等。
无机防火涂料刚出现时，外观呈灰泥状，通过刮涂的方式对钢结构进行保护。截至目前，品种已经呈现多样化，利用材料的不燃隔热性、吸热性，保护钢结构。
1.成膜物
非膨胀型钢结构防火涂料的黏结剂大部分是无机聚合物，包括硅溶胶、水玻璃（硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂等）、磷酸盐、耐火水泥等。
硅酸盐水玻璃形成的无机防火涂料，成膜物不燃，配以隔热的阻燃剂，燃烧时无有毒气体和烟雾，耐火性能优良，成本低，来源广，容易生产使用，无污染。缺点是耐水性差，可通过改性提高性能，将在后边章节详细介绍。
2.阻燃剂
非膨胀型钢结构防火涂料常用的阻燃剂包括卤系阻燃剂（氯化石蜡、溴联苯醚）、磷系阻燃剂（磷酸三氯乙醛酯），另外还有锑系（三氧化二锑）、硼系（硼酸、硼砂、硼酸锌、硼酸铝、偏硼酸钡）、锆系（氧化锆）等，通常可将三氧化二锑与含卤的树脂配合应用以提高阻燃性能。
无机颜填料能增加涂层的阻燃性，通常是一些耐火的矿物，通常包括云母粉、滑石粉、石棉粉、高岭土、碳酸钙、硅灰石粉、膨润土、钛白粉等。
3.助剂
非膨胀型钢结构防火涂料中常用的助剂是水泥促固剂。由于水泥固化速度慢，用于防火涂料时必须加入适量的促固剂，以满足涂料性能要求，促固剂应在涂料粉料中加入，而后与水混合，可以避免粉料结团、水泥强度降低或失效。
涂料中有大量相对密度较大的微细粉料和相对密度小的隔热材料，为使涂料混合均匀，在加水搅拌时，还需加入增稠剂或悬浮剂。
还可以在涂料中加入增泡剂，通过气孔的存在，来降低涂层热导率和干密度。二、水性膨胀型钢结构防火涂料
水性膨胀型防火涂料多为薄型，组分一般包括成膜物、膨胀阻燃体系、填料及助剂等，成膜物和膨胀体系是膨胀型防火涂料中的关键组分。
1.成膜物
膨胀型防火涂料的成膜物又被称作基体树脂、基料，包括水性和溶剂型。
水性膨胀型防火涂料常用的乳液有苯乙烯改性丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液、偏氯乙烯乳液等。
2.阻燃剂
膨胀型钢结构防火涂料常用的有膨胀阻燃体系，包括物理阻燃剂可膨胀石墨，化学阻燃剂聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇（PCN体系），在涂层受火时能促进和改变其热分解过程，形成炭质层，以保护钢结构。
为改进涂料的耐火性能、提高涂料施工厚度、提高强度，还会添加其他的颜填料如玻璃微珠、硅酸铝纤维、玻璃纤维等。
3.助剂
水性膨胀型防火涂料中，助剂较多，用量少、作用大，可显著改善涂料的柔韧性、弹性、附着力、稳定性和施工性等多方面的性能，其用量可根据使用范围而酌情添加。三、溶剂型膨胀型钢结构防火涂料
超薄型钢结构防火涂料中的多数产品属于溶剂型，主要由基料、阻燃剂、颜填料、溶剂和稀释剂组成。
常见的组成是以特殊结构的聚甲基丙烯酸酯或环氧树脂与氨基树脂、氯化石蜡等复配作为基料黏合剂，附以高聚合度聚磷酸铵、双季戊四醇、三聚氰胺等为防火阻燃体系，添加钛白粉、硅灰石等无机耐火材料，以200#溶剂油为溶剂复合而成。
1.成膜物
成膜物要使涂料各组成部分粘接在基材上，使涂料具有良好的理化性能，在此主要考虑基料与防火添加剂的协同以及涂料的室温自干性。
这类防火涂料常用的基料有环氧树脂、卤代脂烃高聚物、氨基树脂或者改性树脂等。
高品质的超薄型钢结构防火涂料都是用专门的丙烯酸树脂作粘接剂，其料浆的固体含量一般不低于70％，其树脂含量小于固体成分的20％。
2.阻燃剂
阻燃剂对涂料的防火性能影响很大，它必须能与基料相互配合，在受火时组分间协调一致，膨胀发泡形成均匀、坚固、致密的防火隔热层。也包括膨胀阻燃体系和颜填料。
提高涂料耐火性能，使涂料的常温理化性能达到要求，同时火灾条件下膨胀发泡，避免发泡层被热流冲掉。阻燃效果较好的无机填料在其中所占比例较大。
3.助剂
助剂作为一种添加剂，用于改性，有利于涂料的涂刷性、成膜性、耐冻性、储存稳定性。如消泡剂、流平剂等。
另外，超薄型钢结构防火涂料多为溶剂型，目前超薄型钢结构防火涂料的溶剂主要是芳香烃，但可以加入一定量的脂肪烃类稀释。第二章 成膜物第一节 引言
成膜物是钢结构防火涂料的基料，要求其理化性能优良，干燥形成坚固涂层，保证涂层常温下良好的装饰性、理化性能；有助于防火涂料的防火性能，兼具一定的耐腐蚀性、耐候性。因此与其他组分应匹配良好，既保证涂层在正常工作条件下具有各种使用性能，又能在火焰或高温作用下使涂层具有难燃性，或者是优异的膨胀性。
对膨胀型防火涂料而言，基体树脂与防火体系应匹配，在火焰或高温作用下，基体树脂分解炭化，其炭质物强度比小分子物质高得多。因此，它对受火后的炭化膨胀高度及膨胀层强度均有较大影响。
钢结构防火涂料成膜物有溶剂型和水性之分，水性成膜物可分为无机物型、乳液型。第二节 无机物基料
无机物基料仅在非膨胀型钢结构防火涂料中使用，主要包括水玻璃（硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂等）、磷酸盐、硅溶胶、水泥等。一、水玻璃
钢结构防火涂料最初的非膨胀型无机黏合剂为水玻璃，俗称泡花碱，是一种水溶性硅酸盐，溶于水后可形成水玻璃，其化学式为RO2·nSiO，式中RO为碱金属氧化物，n为摩尔比，表示二氧化硅与碱22金属氧化物物质的量的比值。摩尔比越高，黏度越大，易于分解硬化，粘接力增大，其成膜后的耐水性则越好；摩尔比越低，晶体组分越多，粘接力差。
水玻璃粘接力强、强度较高，耐酸性、耐热性好，涂层固化后，能够析出硅酸凝胶，可防止水渗透。在高温下硅酸凝胶干燥得更加快速，而强度并不降低，并具有高度的耐酸性能。水玻璃耐碱性、耐水性差。可通过对游离的碱金属离子的抑制改善其性能，不让它与二氧化碳反应，可采用氟硅酸盐、硼酸盐、有机高分子耐水性树脂等固定碱金属，形成一种网状结构，改善涂膜的理化性能。
建筑上常用的水玻璃是硅酸钠的水溶液（NaO·nSiO）。水玻璃22摩尔比不同，性质不同，一般为1.5～3.5。水玻璃在水中溶解的难易程度随摩尔比n而定。n=1时，水玻璃在常温下即可溶解于水中；当n>1时，水玻璃只能溶解于热水中；当n>3时，水玻璃必须在4atm（1atm=101325Pa）以上的蒸汽中才能溶解。水玻璃浓度不可太高，否则黏稠度增加，搅拌困难，固化速度快，非常不利于施工。二、硅溶胶
纳米二氧化硅颗粒溶解于水中，可形成硅溶胶，外观为乳白色半透明的胶体溶液。其化学式为SiO·nHO。二氧化硅粒子之间形成牢22固的硅氧键，熔点高达1600℃。
硅溶胶无毒、无味、耐热性好、耐久性好、与无机材料包括水泥等碱性基材粘接强度高、硬度高、耐溶剂、耐擦洗、价格便宜。硅溶胶的分散性、渗透性好，可以利用这一特性，与聚合物乳液复合，使两者性能互补，对各种基材粘接强度高，涂膜力学性能好、平整光滑、外观丰满。
以硅溶胶作为无定形防火材料，大大提高了涂层的耐高温性能，高浓度低黏度硅溶胶是配制高级防火涂料较佳的原料。三、水泥
水泥作为一种粉状水硬性无机胶凝材料，加水搅拌后成浆体，在水或空气中硬化，并能把各类填料牢固地胶结在一起，在厚型钢结构防火涂料中大量使用。
水泥密度大，必须配以其他轻质无机粘接剂降低干密度，再配以适量有机粘接剂提高强度。
水泥被广泛应用于建筑、水利、国防等工程，类型多样，其中硅酸盐水泥、氯氧镁水泥在厚型钢结构防火涂料中得到广泛应用。
1.硅酸盐水泥
硅酸盐水泥，简称普通水泥，在《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）中规定比例为硅酸盐水泥熟料、5％～20％的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。
2.氯氧镁水泥
氯氧镁水泥是水泥的一个特殊品种，以氧化镁、氯化镁为主要成分，用玻璃纤维来增强氯氧镁水泥，即得无机玻璃钢。
水泥种类众多，优点各不相同，可以根据不同的使用环境、工程进度，调整使用种类，如矿渣硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥相比，矿渣水泥的颜色浅、密度小、水化热低、抗冻性差、耐蚀性和耐热性较好，在湿度较大的环境以及高温车间可选用矿渣水泥。四、磷酸盐
磷酸盐粘接剂种类多，根据所含金属不同，性能差别较大，磷酸铝具有较好的综合性能，其中较为常用的为磷酸二氢铝，是一种无色无味极黏稠的液体或白色粉末，易溶于水，一般直接添加。
磷酸二氢铝在常温下与耐火骨料、硬化剂等混合后，在90～110℃保持恒温4～24h，可形成粘接强度较高的涂层，经过350～500℃烘干后就具有抗压、耐水性能优良等特点，即使在水中煮沸涂层也不会受损。液体磷酸二氢铝便于成型，特别适宜于现场施工。
磷酸在使用过程中容易吸潮，可以添加2％～3％的耐火水泥作固化剂。五、石膏
石膏基钢结构防火涂料近年来在我国出现，石膏的主要化学成分为硫酸钙（CaSO）的水合物。在建筑上最为广泛的应用是纸面石膏4板，石膏及其制品的微孔结构和加热脱水性，使之具优良的隔声、隔热和防火性能，通过使石膏和水泥混合使用，可大大降低水泥基防火涂料的干密度，可以在较短的时间内凝固，大大缩短施工时间，环保节能。第三节 聚合物乳液类基料
乳液是薄型钢结构防火涂料的粘接剂，加入量和品种对涂料的性能影响很大，各种组分必须找到恰当的比例，基料的熔点、发泡剂的分解点以及成炭剂的炭化温度实现良好的匹配度，加强对钢结构的防火保护。
聚合物乳液防火涂料种类繁多，采用水性乳液制造的防火涂料VOC释放量要远少于油性涂料，理化性能和防火性能优良，在钢结构防火保护中应用广泛。聚合物乳液一般是高分子合成树脂乳液，聚合方法不同，导致乳液性能各异，特点各有所长，可根据其特点进行复合使用，涂膜的硬度、柔韧性、耐水性可通过复配调节，增强涂料综合性能。
单体和水在乳化剂的作用下进行聚合反应，最终形成的稳定的非均相液体即是聚合物乳液。涂料用乳液主要分为两种：一种为水包油乳状液；另一种为油包水乳状液。外观为乳白（往往带有蓝相）到半透明、均匀的有一定黏稠度的流体。一、聚合物乳液的性能
聚合物乳液在涂料中是主要的成膜物，其成膜的高分子物质在乳化剂的存在下以微细粒子（0.1～10μm）分散于水中，具有巨大的表面积，只要具备成膜的一般条件，离散的聚合物微粒就互相靠近并形成连续膜。
1.最低成膜温度（MFT）
聚合物乳液要形成连续涂膜，粒子必须要形成紧密堆积排列构型。因此，形成连续薄膜的条件除了乳液需分散良好以外，还有聚合物粒子的变形，当粒子互相接触时，水分蒸发产生的压力就迫使粒子被挤压变形而互相粘接，形成涂膜。
防火涂料中使用的乳液大部分为热塑性树脂，温度越低，其硬度越大，越难于变形，当低于聚合物乳液的最低成膜温度值时，乳液不能成膜。该值与聚合物的玻璃化温度有关，也是乳液的一个重要应用指标，在聚合物乳液的选用过程中应关注这一指标，如表2-1所示，也可以使用成膜助剂使乳液具有满足使用要求的最低成膜温度。表2-1 乳液的最低成膜温度
2.玻璃化温度（T）g
高聚物由高弹态转变为玻璃态时有一个转变对应温度，亦即玻璃化温度。玻璃化温度能够反映聚合物乳液形成涂膜后硬度的大小，玻璃化温度的高低取决于共聚物的组成，能形成刚性聚合物的硬单体和形成柔软聚合物的软单体可根据需要搭配使用。
该温度值具有一定的范围区间，根据测定的方法和条件不同而有所差异，是高聚物的一个重要性能指标。如表2-2所示。T高的乳液，g涂膜硬度大、光泽度高、耐沾污性好、不易污染，其他力学性能相应也好些。但是，玻璃化温度高，最低成膜温度也高，不利于低温施工。表2-2 乳液的玻璃化温度
对于钢结构防火涂料生产中使用的聚合物乳液，必须控制适当的玻璃化温度。乳液的玻璃化温度还可以通过加增塑剂进行二次调节。但增塑剂有迁移和挥发的问题，故对其使用要注意。
3.残存单体含量
乳液聚合反应往往会有少量未完全反应的单体存在，残存单体含量过高，VOC含量高，不利于环境保护以及乳液的稳定性，一些单体水解还会使乳液体系的pH值发生变化，在聚合物乳液中残留单体含量要控制在1％以下。
4.粒度和粒度分布
聚合物乳液作为一个非均相体系，聚合物粒子的粒径大小及其分布有很大的差异，工业生产的聚合物乳液一般为多分散性乳液，粒度分布不均匀，对乳液的黏度、成膜性质及涂膜的性能均有很大影响。粒度小，临界颜料体积浓度较高、渗透性好。
5.相容性
在配制钢结构防火涂料时，需要添加多种化学物质，如颜料、分散剂、消泡剂、成膜助剂、防霉剂等，如果与所用的聚合物乳液相容性不佳，严重时会引起破乳，轻则影响成膜后涂膜的各项性能。因此，在制备时须选择与乳液具有良好相容性的物质。
6.稳定性
稳定性主要是指组成乳液的各组分物质间的机械稳定性、储存稳定性、冻融稳定性、稀释稳定性等。
聚合物乳液的机械稳定性主要反映其对剪切应力的敏感程度。这一性能，对于需要高速分散生产乳液涂料或用泵输送的乳液涂料的性能是非常重要的。如其性能不佳，在乳胶漆的生产过程中就容易发生聚结现象（破乳），使涂料报废。
冻融稳定性即是指乳液经受冻结和融化交替变化时的稳定性。涂料在很多情况下要被暴露于冻结的气候条件下，当聚合物乳液遇到低温条件时会发生冻结，冻结和融化会影响乳液的稳定性，导致黏度上升，或者乳液凝聚。
乳液的颜料混合稳定性是指对于添加颜料的乳液，颜料的选择及混合方法均影响其稳定性。
储存稳定性是指储存期间乳液发生变质的难易程度。包括因受重力影响粒子沉降或上浮形成浓缩层以及浓缩层是否凝集的稳定性，聚合物粒子对水解和脱盐酸反应等化学变化的稳定性，受冷热温度变化乳液体系是否会被破坏的稳定性。包括常温、低温、加热储存稳定性。
乳液品种的分类通常是按乳液合成中单体的成分来进行的，同时也必须对其分子量加以控制，才能使其具有一定的溶解性并对填（颜）料有较好的润湿性，若乳液的分子量过大，则对填（颜）料的润湿能力降低，影响涂料的性能。
钢结构防火涂料通常采用的有聚丙烯酸酯乳液、苯乙烯-丙烯酸共聚乳液、醋酸乙烯-丙烯酸共聚乳液、氯乙烯-偏二氯乙烯共聚乳液等；常用的水性树脂有氯丁胶乳液、水溶性三聚氰胺甲醛树脂、环氧乳液、过氯乙烯和氯乙烯-醋酸乙烯酯共聚乳液、含氟乳液（氟碳乳液）、聚氨酯乳液等，也可以探索其在钢结构防火涂料中的应用。
除热塑性乳液外，近几年还出现了室温交联乳液，如含交联单体N-羟甲基丙烯酰胺的纯丙自交联乳液、通过金属离子交联的室温交联乳液及随着水分蒸发而交联的“逃逸型”室温交联乳液、丁二烯和聚苯乙烯共聚的丁苯乳液、用有机氟单体改性的乳液、通过金属离子交联的室温交联型乳液等。二、丙烯酸酯乳液
丙烯酸酯乳液在钢结构防火涂料中已经应用得非常广泛，丙烯酸树脂由丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类和其他烯烃类单体共聚而成，丙烯酸酯乳液既有优良的装饰性能又有优异的成膜性能，但存在热黏冷脆、不耐溶剂等缺点，因此根据不同的配方、生产工艺和单体的选择可以制备出不同性能的丙烯酸酯乳液，按产品的组成可以分为醋酸乙烯-乙烯共聚物乳液（EVA乳液）、醋酸乙烯-叔碳酸乙烯酯共聚物乳液（醋叔乳液）、醋酸乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液（醋丙乳液）、纯丙烯酸酯共聚乳液（纯丙乳液）、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物乳液（苯丙乳液）等。
有机硅树脂具有优异的耐高温、低温性能和耐水性能，国内外在有机硅改性丙烯酸树脂乳液方面进行了卓有成效的研究，有研究人员利用有机硅改性丙烯酸树脂与纳米双羟基复合金属氧化物在一定范围内复配，在高聚物中形成纳米复合人工微结构材料，在热分解燃烧过程中，可能形成碳及无机盐多层结构，使得丙烯酸类树脂具有高阻燃性和优异的力学性能。
丙烯酸高弹乳液制成的涂料在经过耐火测试后，生成的炭质层泡孔均匀致密，而采用EVA乳液的漆膜硬度较好，但是耐火极限远不如采用丙烯酸高弹乳液的涂料，这可能是由于在高温情况下，EVA乳液融化后并不能包裹释放的气体，因此在炭质层上出现较多的泡孔以及裂纹，这直接导致降低了防火涂料的耐火时间。硅丙乳液制成的涂料硬度较高，但是耐火性能不佳，究其原因在于该乳液受热后不能熔融，与膨胀组分的分解时间难以协调，导致其炭质层有大量裂纹。三、水性醇酸树脂
水性醇酸树脂是用水作溶剂或分散介质制备而得。水性化后，生产和施工安全、VOC含量大大降低，被分为单组分自干烘干型及双组分室温干燥型体系两种。
水性化是醇酸树脂的重要发展方向之一，缺点是主链中酯键易水解，储存稳定性不好、耐水性差。因此目前有各种改性的水性醇酸树脂，其中以丙烯酸树脂、有机硅树脂、聚氨酯、苯乙烯的改性效果显著。四、氯偏乳液
氯偏树脂具有良好的常温下成膜性能，耐紫外线、耐腐蚀性能和优异的电绝缘性能，可以提高防火涂料的固含量，但是其在火灾发生时燃烧释放出有害气体，发烟量大，因此对其进行水性化处理，即在原为不水溶的树脂分子中接上一定数量的羧基、氨基等亲水的官能团，经碱（或酸）中和而制得。
涂料施工时，为了保证合适的施工黏度，喷涂或刷涂过程中必须加入一定量的有机助溶剂，添加量为树脂的40％～60％，所以在该类涂料中仍然会含有较多的有机溶剂，存在一定的环保问题。第四节 溶剂型树脂一、溶剂型树脂的性能
溶剂型树脂形成的钢结构防火涂料成膜性能好，与水性防火涂料相比，耐水性和附着力优良，对金属基材的附着力更为出色，存在的最大问题是VOC含量高，存在环保问题，有机溶剂释放后，又具有一定的燃烧性，形成火灾危险。
溶剂型树脂分为两种，一种是采用固体树脂溶解而成，另外一种直接采用溶液聚合制备，第二种方法更为普遍。
将单体和引发剂置于适当的溶剂中进行聚合即为溶液聚合，溶液聚合的体系黏度低、容易混合、温度控制方便，但是成本高，另外，如果单体浓度较低，则存在聚合速率慢的缺点。经聚合反应后得到的溶剂型树脂可以直接使用或经溶剂稀释后使用，溶剂一般既能溶解单体，又能溶解聚合物。
常用的溶剂型树脂有过氯乙烯、高氯化聚乙烯、氯化橡胶、酚醛树脂、环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、氨基树脂等，溶剂型钢结构防火涂料的制备中要特别注意树脂的黏度、常温干燥性以及原料之间的相容性。
涂料选用的树脂不同，要根据树脂特性选用合适的有机溶剂，包括200#汽油、丙酮、醋酸丁酯、二甲苯、甲苯、正丁醇、松节油等。二、溶剂型树脂的分类
1.乙烯类树脂（1）过氯乙烯树脂
过氯乙烯由聚氯乙烯进一步氯化而得，具有良好的常温成膜性能，耐化学腐蚀性、耐候性优良，是一种挥发性热塑性树脂，含氯量一般为61％～65％，可溶性比聚氯乙烯树脂显著提高。
根据外观的不同，过氯乙烯树脂分为干树脂和在氯苯溶剂中的树脂溶液；根据聚合度的不同，过氯乙烯树脂分为高黏度和低黏度两类。聚合度越高，黏度越大，涂膜的耐久性、硬度越好，但附着力、可溶性低。低黏度过氯乙烯树脂制得的涂料固含量适中，最为常用。过氯乙烯树脂涂料使用的溶剂是丙酮、醋酸丁酯和二甲苯等的混合物。
过氯乙烯属于难燃型树脂，品种多样，在防火涂料中广泛使用。由于其在燃烧时发烟量较大，炭质层疏松，在实际应用中常加醇酸树脂等其他树脂来改进光泽、附着力，以进行增韧涂膜，也可以添加邻苯二甲酸二丁酯等增塑剂以改进柔韧性、加入脂肪酸钡盐等以改进对光和热的稳定性、加入抑烟剂减少烟气释放等。（2）高氯化聚乙烯
高氯化聚乙烯燃烧速度为0，具有自熄性质，不添加任何阻燃填料时，闪点即高达390℃，自燃点为455℃，阻燃性能优良，是防火涂料极佳的成膜基料。
高氯化聚乙烯在燃烧过程中会生成石墨化碳粒子，因此，高氯化聚乙烯基涂料发烟量很大，可以添加氧化锑，能与高氯化聚乙烯产生卤锑阻燃协同效应，使材料的热降解减缓，从而减少发烟量，也可以加入钼酸锌等复合型抑烟剂控制发烟量。另外，高氯化聚乙烯形成的涂膜韧性差，可加入氯化石蜡等增韧剂进行改善。
2.涂料用橡胶
防火涂料中用的橡胶有氯化橡胶和合成橡胶，其中合成橡胶包括氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶和丁苯橡胶等。（1）氯化橡胶
氯化橡胶由天然橡胶氯化衍生而来，将天然橡胶溶于氯仿或四氯化碳中，在80～100℃下通过氯气作用而生成的固体粉末状物质，即为氯化橡胶。防火涂料中用的橡胶，必须采用较低黏度（0.01～0.02Pa·s）的平均相对分子质量在540～88000的氯化橡胶，如1#、2#氯化橡胶的黏度分别为5～10mPa·s和11～20mPa·s，氯含量一般平均为65％～68％。
氯化橡胶无毒、无味，耐水性、耐酸、耐碱性能优良，化学稳定性好，附着力强，具有不燃性，与其他树脂的互溶性良好，但耐候性、耐有机溶剂性能差。它的成膜是通过溶剂挥发而形成涂膜的，故属于非转化型涂料，目前最经常应用于防水涂料。
氯化橡胶在燃烧时，也存在发烟量较大、炭质层疏松的问题，可以采用氯化石蜡进行涂层增韧以改善物理力学性能。
氯化橡胶溶于植物油、芳香烃类、酸类、醚类、氯化烃类和除丙酮之外的酮类溶剂。（2）合成橡胶
涂料用合成橡胶有氯丁橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶和丁苯橡胶等。
①氯丁橡胶。氯丁橡胶是氯丁二烯的一种聚合体，溶于苯和氯仿，在矿物油、植物油中只能稍溶胀而不溶解，耐水、耐油、耐燃、耐酸碱性良好，气密性好，拉伸强度较高，储存稳定性差，在光的作用下易转变成不溶于苯的聚合体。
氯丁橡胶基涂料防腐蚀性能、耐候性、防水性能优良，施工方便，可应用于化工生产设备、储罐、输送管道等。
②氯磺化聚乙烯橡胶。氯磺化聚乙烯橡胶是聚乙烯与氯气和二硫化碳反应而成的白色胶粉，可与其他合成树脂、橡胶共混，具有良好的化学稳定性、耐氧化、耐臭氧、耐热、耐磨和耐腐蚀等性能。
用氯磺化聚乙烯橡胶制得的双组分涂料常常用来作钢材、水泥、木材、玻璃钢、纤维织物和泡沫塑料等基材的高耐候性涂层。
③丁苯橡胶。丁苯橡胶兼具橡胶和塑料的特性，溶液聚合形成的丁苯橡胶具有更好的涂料综合特性，柔韧、色浅、透明，附着力、耐氧化、耐臭氧、耐热性、耐磨性、耐腐蚀性优良。固体丁苯橡胶溶于芳香烃类、酮类、酯类溶剂，不宜与醇酸树脂共混。
3.环氧树脂（1）特性
环氧树脂是含有环氧基团的合成树脂的总称，韧性好、黏合力强，收缩性、稳定性高，耐化学腐蚀性好，缺点是户外耐候性差，涂膜易粉化、失光等。
根据原料的不同比例及聚合条件的变化，可制得不同分子量的环氧树脂。目前，工业上应用最广泛的环氧树脂是由双酚A和环氧氯丙烷制备的双酚A型环氧树脂，随着聚合度的不同，环氧树脂的分子量不同，其形态也从流动的液体变为固体。
当平均聚合度n≤2时，树脂呈黄色或琥珀色高黏度透明液体，称为低相对分子质量环氧树脂；当n>2时，树脂呈固体状态，称为高相对分子质量环氧树脂。环氧树脂的平均相对分子质量一般为300～7000，最高熔点一般是145～155℃；溶于丙酮、环己酮、乙二醇、甲苯和苯乙烯等。
环氧树脂是逐步聚合而成的，它本身是热塑性的线型高分子聚合物，不能直接使用，必须用固化剂使环氧树脂交联成网状结构的大分子才能显示出它特有的性能。
环氧树脂与多元胺、有机酸酐或其他固化剂等反应变成坚硬的体型高分子化合物。无臭，无味，耐碱和大部分溶剂，对金属和非金属具有优异的粘接力，耐热性、绝缘性、硬度和柔韧性都好，可用于制造涂料，也可用作金属和非金属材料（如陶瓷、玻璃、木材等）的胶黏剂，在许多领域得到了很好的应用，已成为目前最重要的合成高分子材料之一。
环氧树脂的缺点是比较脆，可用低相对分子质量的羧基丁腈橡胶等柔性材料增韧改性。制造涂料是环氧树脂最早也是目前最主要的用途。工业上大量采用环氧树脂制备钢结构防火涂料、防腐涂料和家用电器涂料。环氧树脂除单独用作涂料外，还可用于改善其他类型树脂涂料的性能，如氨基树脂涂料、酚醛树脂涂料、聚酰胺树脂涂料和氯醋树脂涂料等。
环氧树脂的粘接力特别强，尤其是与金属间的粘接力优于其他树脂。固化后是热固性树脂中收缩性最小的一种。环氧树脂在未加入固化剂时是热塑性树脂，不会受热固化，可以放置1～2年，亦不会变质，所以稳定性高。固化后环氧树脂的韧性约比同样固体的酚醛树脂大7倍。
在钢结构防火涂料中环氧树脂只能和其他树脂复合使用，最大用途是制备环氧树脂耐磨地面涂料，或者用来增强某些涂料的性能。（2）固化剂
双酚A型环氧树脂分子链的两端基都是环氧基，可与多元胺类和聚酰胺树脂类化合物发生反应，在常温常压下固化。
①多元胺类。脂肪族或芳香族多元胺是应用最广泛的环氧树脂固化剂。由于胺的种类不同，其作用也不同。
叔胺属催化剂型固化剂，用量不能定量计算，一般用量为树脂的1％～5％。常用的叔胺固化剂有三乙胺、三乙醇胺等。
伯胺和仲胺上的活泼氢原子可与环氧树脂上的环氧基团反应而交联，属反应型固化剂。常用的有乙二胺、二亚乙基三胺、三亚乙基四胺、多亚乙基多胺、低相对分子质量聚酰胺等。
②聚酰胺树脂类。由于多元胺类固化剂有较大的毒性和刺激性臭味，固化速度过快，又易吸潮而使涂膜发白和附着力下降，目前多采用聚酰胺树脂作固化剂。
聚酰胺树脂固化剂和环氧树脂分开包装，在使用时再将两者混合均匀。聚酰胺树脂性质比较活泼，不仅对环氧树脂起固化作用，还可以作环氧树脂的增韧剂，能很大程度地改善环氧树脂性脆、容易开裂的缺点。
聚酰胺树脂固化剂亲水性强，还可直接加入到水乳型环氧涂料中起固化作用，有利于施工操作。
环氧树脂与固化剂反应后形成的涂膜具有优良的耐碱性，抗化学品能力优良、附着力强、漆膜坚硬，且具有一定的韧性。与氨基树脂匹配的环氧树脂防火涂料具有较好的耐化学品性，涂膜柔韧性好，光泽强。两者的配比约为70:30时性能最好。在温度低于10℃时，环氧树脂涂料固化缓慢，可以采用多异氰酸酯等固化剂，需要注意的是，醇类和醇醚类溶剂会与多异氰酸酯发生反应。
4.聚丙烯酸酯树脂
溶剂型聚丙烯酸酯树脂基料与其水性基料相比，其涂膜的光泽、硬度和抗污能力均较强。树脂色浅、水白、透明，耐紫外线，保光性、保色性和耐候性、耐水性、耐热性及耐化学药品、耐腐蚀性能优良，对颜料的粘接力大，施工性能良好。溶剂型防火涂料的性能要优于水性类产品。
聚丙烯酸酯树脂是以甲基丙烯酸酯和丙烯酸酯类单体为主，经游离基溶液聚合反应而得到的共聚合树脂。常用的单体有甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸丁酯等，并加入少量的甲基丙烯酸或丙烯酸进行共聚，能增加共聚物对基材的附着力和颜色的湿润性。通过改变单体品种、调整树脂相对分子质量和交联体系等，可以制成具有不同性能和用途的树脂。此外，还常常选用其他一些乙烯类单体，如苯乙烯、醋酸乙烯等单体参与共聚以满足改善树脂性能或降低成本的需要。
钢结构防火涂料使用的溶剂型聚丙烯酸酯树脂通常是热塑性树脂，相对分子质量范围为50000～150000。如果相对分子质量太低，涂膜的物理性能不好；相对分子质量太高，则涂膜的丰满度不够。另外，选择的相对分子质量分布应尽可能窄一些。
丙烯酸树脂近年来广泛用于防火涂料，与膨胀体系混合后发泡效果良好，炭质层致密，发烟量少。但是，其耐热性差、硬度较大、软化点低，大相对分子质量分布均匀的丙烯酸酯树脂炭质层的最终形态要优于相对分子质量小且分布较宽的同类树脂，可以有效地提高防火涂料的耐火极限。
5.聚氨酯树脂
聚氨酯树脂是聚氨基甲酸酯的简称，由多异氰酸酯和含活泼氢的多羟基化合物反应而成，聚合物分子链中含有相当数量的氨酯键。
聚氨酯树脂具有优异的物理机械性能，硬度、附着力、耐磨性、耐热性、耐沾污性、耐碱性和耐溶剂性等性能都非常好，而且其涂膜光亮丰满，装饰效果非常好，远胜于其他几种涂料用树脂（如聚丙烯酸酯树脂、聚酯树脂和环氧树脂等），但是其所含的异氰酸酯对人体有害，而且异氰酸酯涂料遇水会凝胶，储存时必须密闭。施工时，极易产生层间剥离、起小泡等问题。
聚氨酯树脂由于价格较高，应用于防火涂料方面的研究相对较少。有研究表明，防火涂料中常用的成炭剂季戊四醇中的羟基会与异氰酸酯发生反应，对涂料的成膜影响很大，附着力也差。
6.有机硅树脂
有机硅树脂是含有硅氧烷基的合成树脂，其最显著的特点是分子中至少含有一个Si—C键，是介于有机和无机聚合物之间的聚合物。由于这种双重性，有机硅聚合物除具有一般无机物的耐热性、耐燃性及坚硬性等特性外，又有绝缘性、热塑性和可溶性等有机聚合物的特性，且韧性、弹性、可塑性、耐水性、耐冻性及耐腐蚀性等性能优良。
有机硅树脂有多种品种，涂料用有机硅树脂主要是甲基硅氧烷树脂和甲基苯基硅氧烷树脂。有机硅树脂和大多数涂料用树脂不同，它的骨架是无机的，由交替的硅原子和氧原子所组成，其有机基团是连接在硅原子上的。
涂料用有机硅树脂分为溶剂型有机硅树脂和有机硅与其他树脂共聚的复合乳液两类。溶剂型有机硅树脂又分单用和共混用树脂。
有机硅树脂的表面张力大，在无机基材表面的铺展性和粘接性差，常温下成膜困难，需要高温烘烤固化成膜，且价格高，因而单独用于生产钢结构防火涂料没有实际意义。在钢结构防火涂料中使用有机硅树脂目前主要是用于对丙烯酸酯树脂钢结构防火涂料的改性。
有研究表明，用有机硅树脂对丙烯酸酯树脂进行改性制备钢结构防火涂料，可以通过直接共混使用进行改性，但是改性效果较差；也可以利用有机硅树脂的中间体合成出有机硅改性丙烯酸酯复合树脂，能有效地将丙烯酸树脂的粘接性、底材湿润性、经济性和有机硅树脂的耐水性、耐热性和耐污性综合于一体。
7.氨基树脂
氨基树脂是胺或酰胺与甲醛反应得到的产物。氨基树脂本身不燃，遇火时体积膨胀，不会产生有毒烟气。
防火涂料中常用的氨基树脂有三聚氰胺甲醛树脂、脲醛树脂等。在防火涂料中，氨基树脂不单是成膜剂，还是优良的成炭剂和发泡剂。单纯用氨基树脂的防火涂料，漆膜硬而脆，与基材的附着力较差，容易开裂崩脱，因此，常与醇酸树脂或丙烯酸树脂混用，以取得更好的物理力学性能。
8.酚醛树脂
酚醛树脂由苯酚醛或其衍生物缩聚而得，酚醛树脂涂料干燥快、附着力好、涂膜坚硬、有很好的耐水性和耐酸性，尤其耐高温性良好，低烟、低毒，应用于防火涂料比较早，主要应用于木材、电线和电缆等的防火。经常与其他基料并用，如氨基树脂等，可以有效改善涂层的防火性能和物理力学性能。
9.醇酸树脂
醇酸树脂由多元醇如甘油、多元酸以及植物油或植物油酸缩聚而成，耐候性、附着力、硬度、光泽、柔韧性和绝缘性能都比较好。但是其耐碱性、耐酸性以及耐水性能较差，表面干燥快，实际干燥时间较长。用于防火涂料中时，成炭量较大，膨胀发泡层表面均匀致密性差，外表会开裂。因此醇酸树脂常与氨基树脂拼用，以改善氨基树脂的硬而脆的漆膜，提高其附着力。
目前醇酸树脂合成技术成熟，综合性能好，原料易得，性价比高，而且可以根据要求调整配方，制备不同性能的树脂乳液，成为涂料工业用的主要树脂，市场最高比例一度曾达90％以上。
在钢结构防火涂料的制备中，可以根据研究目的，参考相应的产品标准，选择适当、合格的成膜物。大多数成膜物可以复配使用，使其优劣互补，形成性能优良的涂层。第三章 发泡组分第一节 发泡原理
发泡组分是膨胀型防火涂料中特有的组分，膨胀型防火涂料的涂层受热后，发泡组分膨胀，形成的炭质层热导率很低，有效地提高了钢结构的耐火极限。膨胀型防火涂料的发泡原理有以下两种。一、物理发泡
物理发泡是指材料受热后自行膨胀，不会与其他组分发生反应，依靠凝聚相阻燃机理发挥防火作用。
它受热后形成的膨胀炭层具有很好的抗火、隔热、隔绝氧气的作用，阻断了火焰和基材之间的热量传递，涂层的热降解得到抑制，实现对钢结构的保护。
用于防火涂料，通过物理发泡实现阻燃的材料应膨胀倍率大、膨胀温度适宜、热稳定性好，物理阻燃剂采用物理发泡的方法实现阻燃，可膨胀石墨是最常用的物理阻燃剂。二、化学发泡
化学发泡是材料受热后，与涂料中的其他组分发生强烈的化学反应，涂层膨胀形成海绵状炭质层，从而阻止热量向钢材传导。用于防火涂料、通过化学发泡实现阻燃的材料应在受热时分解，与其他组分之间发生脱水成炭反应，当炭质层达到最稳定时，在火焰侵袭下发挥保护作用，各组分之间反应速度应协调配合，从而达到最佳发泡效率。
膨胀型防火涂料目前最常用的是以聚磷酸铵（P）/季戊四醇（C）/三聚氰胺（N）为阻燃剂的协同体系，该体系具体的作用机理是聚磷酸铵在212℃开始受热分解，产生酸，随着温度升高，280℃后季戊四醇在酸作用下脱水成炭，而三聚氰胺在250～380℃范围内发生释放出氨气并生成多种缩聚物的反应，它分解释放的惰性气体使涂层发生膨胀，形成海绵状结构，炭架此时软化吹塑，形成致密的膨胀炭层，最终在火灾中对材料起到保护的作用。第二节 膨胀阻燃剂一、可膨胀石墨
1.可膨胀石墨的结构
可膨胀石墨目前在钢结构防火涂料中大量使用，其化学式为C，属六方晶系，晶体呈六方板状和片状，外观呈鳞片状铁黑色，表观密33度为2.125g/cm，其堆积密度为0.1002～0.1004g/cm，表面光滑，具有导电性、耐腐蚀性，化学性质不活泼。
可膨胀石墨以天然鳞片石墨为原料，采用硫酸为插层剂制备而成，插入层间的硫酸对可膨胀石墨的膨胀起到关键作用，可膨胀石墨的结构如图3-1、图3-2所示。图3-1 可膨胀石墨颗粒图3-2 可膨胀石墨微观图
2.可膨胀石墨阻燃机理
可膨胀石墨在受到200℃以上高温时，吸留在层形点阵中的化合物开始分解，可膨胀石墨会沿着结构的C轴呈现出数百倍的膨胀，并在1100℃时体积达到最大。化合物分解产生的气相产物由SO、CO22和水组成，可膨胀石墨用于钢结构防火涂料中，遇到火灾发生时，体积瞬间阻隔火焰，发生膨胀之后的石墨变成密度很低的蠕虫状，其结构疏松、多孔弯曲，比表面积大、吸附力强、导热性低，抗氧化性、耐高温性能优良。
可膨胀石墨的结构特征决定其在膨胀过程中会吸收大量的热量，其质量损失小，低烟、无毒、高性能、环境友好，不会与其他聚合物反应，但是它形成的膨胀炭层隔热、隔氧，也有利于涂层中其他聚合物的交联成炭。
有研究表明，可膨胀石墨热分解过程中大约产生0.8％的SO，2相当于插入石墨层间硫酸总量的16％，热分解残余物中仍含有大量的含硫物质，说明仅有部分硫酸参与了可膨胀石墨膨胀过程中的反应，氧化还原反应产生的大量气体才是导致膨胀的主要原因。
3.应用
可膨胀石墨仍然保持天然石墨的性质，使用不受环境限制，可塑性、延展性和密封性好，用于生产柔性石墨板材、密封件灭火剂、防火阻燃材料等。目前被广泛应用于石油、化工、轻工、冶金、电力、机械、制药、医疗、汽车、船舶、航天、军事、核能等高科技工业领域。二、膨胀阻燃体系
膨胀阻燃体系采用化学阻燃机理，膨胀形成炭质层，根据其作用不同分为三个部分：催化剂、成炭剂和发泡剂。
1.催化剂（1）作用机理
催化剂是膨胀阻燃体系的主要成分，能够促进并改变涂层的热分解过程，其分解出的酸能促进涂层内含羟基的有机物脱水炭化，生成不易燃的三维空间构造的炭质层，隔离基材和火源，释放出不燃性气体，稀释可燃性气体和氧气。
温度达到212～588℃时，聚磷酸铵分解，释放出NH和HO，生32成聚磷酸；温度为588～740℃时，聚磷酸分解生成焦磷酸；温度为740～1000℃时，焦磷酸成熔融状态附着在基材表面。
分解过程中生产的聚磷酸能与多羟基化合物发生酯化反应，脱水、引发膨胀过程。（2）主要种类
受热时能够分解，产生的酸化合物具有脱水作用，如磷酸、硫酸等的盐都可以用作催化剂，其中磷酸盐最为常用，磷系阻燃剂低烟、无毒，用量仅次于卤系阻燃剂。早期作为脱水催化剂的磷酸氢二铵和磷酸二氢铵，其水溶性好，在涂料成膜时发生重结晶，结晶颗粒析出在涂层表面上，影响涂层外观和使用性能。因此用量逐年减少，现在经常采用的是聚磷酸铵、磷酸铵镁和磷酸三聚氰胺。聚磷酸铵含磷量高、含氮量多，具有热稳定性好、水溶性小、近于中性、阻燃效能高、分散性较好、毒性较低的特点，已经成为重要的高效添加型磷系无机阻燃剂。常见的磷酸盐类物质分解温度如表3-1所示。表3-1 常见的磷酸盐类物质分解温度
聚磷酸铵（APP）作为一种最重要的磷系无机阻燃剂，根据光衍射图案不同，APP有5种不同的结晶形式，其中Ⅰ型和Ⅱ型作为阻燃剂使用。结晶Ⅱ型APP聚合度高，耐水性、耐热性好，是目前国内较普遍使用的产品，水溶性和一般长链状APP有所不同，其聚合度、分解温度显著提高。
不同聚合度的APP性能也有所差异，聚合度低，范围在20～400内的APP为可溶性盐，涂膜耐水性差，涂料稳定性差，容易沉淀，防火效果差；聚合度高，范围在500以上的APP，其稳定性、耐水性均较好，近年来研制出的聚合度在1000以上的聚磷酸铵，应用于钢结构防火涂料中表现优异。（3）选用
催化剂的选择应该考虑原料的水溶性、热稳定性、磷含量及原材料价格等因素进行综合考虑。要注意的是，聚磷酸铵在原料中所占的比例不同，涂层的膨胀性能有所差异，APP添加适当，才能保证涂层的耐火时间。
聚磷酸铵在涂料中的溶解性能影响涂膜的阻燃性能，可采用微胶囊技术对聚磷酸铵进行包覆，改变APP的性能，根据基料种类，有不同的囊材选择，增加涂料的相容性，进而提高涂料的各项性能。
也可以在聚磷酸铵中加入偶联剂，提高涂料的相容性，偶联剂作为具有两亲结构的有机化合物，能够使性质差别很大的材料紧密结合，常用的有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂等，其中硅烷偶联剂用量最大，这类偶联剂还具有一定的阻燃性、吸湿性。
2.成炭剂（1）作用机理
成炭剂是形成三维空间结构的物质基础，是膨胀炭质层的主要组分。在火焰或高温作用下，催化剂开始反应，成炭剂脱水炭化，形成多孔的膨胀炭质层。（2）主要种类
成炭剂一般为碳水化合物，包括淀粉、葡萄糖、山梨醇、二季戊四醇等。最常用的成炭剂是季戊四醇，化学性质活泼，分解温度与聚磷酸铵相配。
从季戊四醇中提炼而得的双季戊四醇与聚磷酸铵的分解温度更为相近，防火性能更好，但是价格高，实用性略差。
部分树脂如尿素树脂、氨基树脂、环氧树脂自身含有羟基，也起到成炭剂的作用，在防火涂料中兼具炭化和胶黏剂的作用。成炭剂的羟基、碳含量如表3-2所示。表3-2 成炭剂的羟基、碳含量（3）选用
成炭剂中羟基的含量决定成炭剂脱水和成泡的速率，含碳量决定其炭化的速率，一般选用高含碳量、低反应速率的物质作为成炭剂。
在膨胀体系中，组分之间的配合非常重要，一般要求催化剂具备比成炭剂低的分解温度，如果体系中选择了APP作催化剂，则应选择热稳定性较高的季戊四醇（PER）或二季戊四醇（DPE）为成炭剂。如果采用低分解温度的淀粉，在催化剂分解前，淀粉早已热分解，并产生大量的可燃性焦油，根本不能形成理想的炭层。
成炭剂的加入量不能过多，量大时，炭质层的致密性很强，但是膨胀高度不够；加入量过少，不利于膨胀炭质层的强度和隔热性。一般成炭剂的加入量要低于催化剂的量，成炭剂在遇水时还可能渗出，部分成炭剂与乳液基料存在相容性的问题，在选择时要加以注意，以免降低涂料的力学性能。
3.发泡剂（1）作用机理
膨胀型防火涂料在遇火时，膨胀形成多孔的炭质层结构，主要是由于发泡剂能在较低的温度下分解释放出不燃性气体，使涂层迅速膨胀形成海绵状炭质层。（2）主要种类
常用的发泡剂有三聚氰胺、脲醛树脂、氯化石蜡、聚酰胺、尿素和双氰胺等。有时为加强阻燃效果，采用两种发泡剂并用。
三聚氰胺是最为常用的发泡剂，有利于炭质层的形成，其用量直接影响炭化层的膨胀高度，在一定范围内，用量大小与膨胀高度成正比。
也可将三聚氰胺与磷酸盐制成磷酸三聚氰胺再使用，水溶性较聚磷酸胺小，含有丰富的酸源和气源，兼具催化和发泡双重成效，与季戊四醇在燃烧中可形成难燃、不滴落的材料。另外可以将焦磷酸与三聚氰胺在溶剂中直接合成焦磷酸三聚氰胺，阻燃性也很不错。
氯化石蜡也可用作发泡剂，它还可同时作为成炭剂和阻燃剂，增加涂层的阻燃能力，与其他组分协同发挥作用。（3）选用
在防火涂料中，含氯与含磷阻燃剂被大量使用，从固相到气相有效地控制燃烧的发展。在防火涂料原料配比时，必须使催化剂、成炭剂与发泡剂三种物质的分解温度配合得当，如果发泡剂的分解温度太低，产生的分解气体在催化剂作用涂料软化前已经逸出，不能在涂层成炭过程中起到膨胀发泡的作用；当发泡剂的分解温度过高时，分解产生的气体将对炭质层形成破坏，不利于炭质层的稳定，因此催化剂、成炭剂、发泡剂分解温度区间应相同，才能得到完整而且强度好的膨胀炭质层。常见发泡剂的分解温度如表3-3所示。表3-3 常见发泡剂的分解温度
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