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膨胀型防火涂料炭化层的质量及防火性能的影响因素

文档作者：吴宗汉，谭志军，侯文武，唐征宇文档来源：中外合资岳阳圣吉力高科技涂料有限公司		点击数：	更新时间： 2021年11月20日
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第34卷第2期
2004年2月
涂料工业
PAINT &amp;amp; (20ATINGS IND[iSTR、
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胀翌!哳火涂掸 化忘昀质量
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吴宗汉，谭志军，侯文武，唐征宇
(中外合资岳阳圣吉力高科技涂料有限公司，武汉430014)
摘要：探讨 膨胀型防火涂料的组成对炭化层的质量及其防火性能的影响冈素，并介绍了配h‘ 汁【}1值得注意
的品种 用量和协同效应。
关键词：防火涂料；炭化层；性能；配方设汁； 吲设应
中图分类号：TQ 637．8 文献标识码： 文章编号：0253—43I2(2004)02—0042—04
近年来，随着城市建筑和工业建筑广泛使用各种
合成材料，并向高层化、规模化的方向发展，对消防[
作的要求也不断提高。作为防火材料首选的防火涂
料以其效果显著、方便实用、应用面广等特点而受到
广泛的重视，特别是膨胀型防火涂料，因其涂层较薄、
发泡后形成厚实的炭化层，具有较好的防火阻燃作用
而迅速发展。
对膨胀型防火涂料而言，炭化层质量的好坏对涂
层防火阻燃性有决定性作用，炭化层的质量表征
应是炭化层的厚度、密实度和强度以及化学组成和化
学吸热反应；其影响因素取决于涂料的主要组成一
1 树脂的影响
防火涂料的基础成膜物树脂，除应具有普通涂料
的理化性能外，更应具有高温下的难燃性和较好的膨
胀性。
用于防火涂料的树脂很多，溶剂型的有：氯化橡
胶、高氯聚乙烯、丙烯酸、醇酸、酚醛、环氧、聚氨酯等；
水性的有：改性三聚氰胺、聚醋酸乙烯、苯丙、纯丙、氯
偏等乳液及硅酸盐、硅溶胶、磷酸盐等无机基料：
对不同树脂的溶剂型防火涂料进行对比试验，结
果见表1 。
从表1可见，发泡效果好的是含氯树脂及醇酸树
脂，但发泡品质最好的是丙烯酸树脂和改性高氯聚乙
烯树脂。由于含氯树脂含有阻燃元素，产生不完全燃
烧，能形成较为厚实的炭化层。醇酸树脂含有作为成
炭剂的季戊四醇，能生成较多的炭化层但未改性的
含氯树脂和醇酸树脂，其炭化层密瞍和强度不及丙烯
酸树脂，外层会产生开裂现象
表1 不同树脂的溶剂型涂料性能比较
对水性树脂而言，也有类似的特点 几种乳液比
较，以氯偏乳液发泡层较高、结构最紧密、防火效果最
好：另外，水性氨基树脂本身既是成炭剂，亦是发泡
剂，因此发泡层质量也较好。但这两种树脂均存在理
化性能差的缺点。无机树脂本身 燃，适于防火涂
料，但发泡性和理化性能均需改进
为了获得防火性能较好的炭化层．在实际配方设
it-n~，往往将各种树脂拼合使用，以取长补短～如在
超薄型钢结构防火涂料的改进中 ．将l／3的丙烯酸
树脂拼入氨基树脂中，既保持了较好的发泡阻燃性，
同时解决了开裂性，结果见表2
又如，在钢结构薄层膨胀型防火涂料的研制
中 ，拼入总质量13％ 的乙酸乙烯酯共聚物(EVA)
(氨基树脂为30％ )，炭化层致密性、硬度、耐水性、耐
火性均有提高，结果见表3。
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吴宗汉等：膨胀型防火涂料炭化层的质量及防火性能的影响因素
表3 EVA的加入量对涂层耐火性能的影响
在乙丙、纯丙或苯丙乳液体系中 添加一定量
的水性酚醛树脂或三聚氰胺甲醛树脂作为发泡层蜂
窝结构促进剂，可有效地改善发泡层的结构，提高涂
层的防火阻燃性能。酚醛树脂的有效用量为乳液质
量的8％ ，而三聚氰胺甲醛树脂的有效用量仅为乳液
质量的4％ 。
“LB”和“SG一1”钢结构膨胀型防火涂料采用有
机一无机复合基料，将膨胀型和非膨胀型相结合，以
完善防火性和理化性能。
除树脂品种外，树脂的用量对炭化层的品质和防
火效果也有影响，见表4 。
表4 树脂用量对防火效果的影响
防火效果
树脂质量分数／％
30 ～35 35～40 40～45
由表4可见，树脂的加入量在一定范围内与阻燃
性成正比。树脂含量太少，涂层熔融时与底层的附着
力较弱；树脂含量太多，炭化层太软，发泡效果反而不
好。
2 炭化剂的影响
炭化剂是形成三维空间结构阻燃泡沫炭化层的骨
架基础，常用的炭化剂有多元醇(如季戊四醇、二或三
聚季戊四醇)、碳水化合物(如淀粉、葡萄糖、纤维素)、
含羟基树脂(如氨基树脂、环氧树脂、聚氨酯)等：
炭化剂的成炭性主要取决于其含碳量和羟基含
量 ，几种炭化剂的性能见表5、
表5 炭化剂及其物性
炭化剂名称 分子式 单元相对炭含羟基含反应指数／
分子质量量／ 量／％ (g·100 g )
从表5可见，采用高炭含量、低反应速度的炭化
剂较为适宜。但选用时要注意炭化剂的熔点和成炭
催化剂的分解温度的协调匹配性，如季戊四醇应与聚
磷酸铵配套使用，淀粉应与磷酸氨二铵配套使用，才
能形成品质好的炭化层，因多季戊四醇的含炭量高，
在炭化层的成炭量、密度、强度和耐水性等方面都优
于季戊四醇。另一方面，由于季戊四醇的分解温度低
于熔融涂层的炭化温度，季戊四醇用量过多会导致膨
胀层的滑动，而二聚季戊四醇的用量达到季戊四醇用
量的4倍时膨胀层仍很坚挺，不会滑动。因此，国外
厂家多采用多季戊四醇。但因价格较贵，国内厂家仍
以季戊四醇为主。经比较，不同厂家生产的季戊四醇
因结构、含量、杂质等原因，对炭化层的成炭量影响不
大，但对强度有一定影响。
淀粉、糖醇等碳水化合物在成炭性和耐水性方面
较差，应用较少，但在普通型防火涂料中可与季戊四
醇拼用，以降低成本。
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吴宗汉等：膨胀型防火涂料炭化层的质量及防火性能的影响因素
3 成炭催化剂的影响
成炭催化剂的主要功能是促进涂层含羟基的成
膜物和炭化剂的脱水炭化，它是形成均匀致密炭化层
的关键组分。可用的成炭催化剂有磷酸、硫酸、硼酸
等的盐、酯和酰胺类化合物 现选择4种常用的磷
酸盐成炭催化剂比较其理化性能和防火性能，如表6
和表7所示
表6 4种磷酸盐的理化性能
表7 磷酸盐类成炭催化剂对乳胶防火涂料性能的影响
从表6和表7可以看出，4种成炭催化剂对乳胶
涂料防火性能影响不大，但前3种磷酸盐冈有较低的
热稳定性和较大的水溶性，会产生重结晶沉析在涂层
表面，影响涂层的耐水性和耐燃性。因此，曰外J一家
多采用聚合度>800的高聚聚磷酸铵和分解温度更
高(>300 oC)和水溶性更小(<0．08 g／kg)的磷酸二
聚氰胺。但从来源和价格考虑，国内厂家更多的是采
用聚合度>20的中聚聚磷酸铵 国产的聚磷酸铵粒
度较粗，质量不稳，从而影响催化发泡效果
成炭催化剂的用量是根据基料的多少而定，也要
与成炭剂和发泡剂的用量匹配 ．若用量太少，不能使
基料和成炭剂完全脱水炭化；但用量太多，则会使涂
层慢干发黏。
4 发泡剂的影响
发泡剂遇热分解产生不燃气体(如N!、CO 、
NH 、HC1、H，O)等，使涂层膨胀发泡形成海绵状炭化
层，达到隔热阻燃的效果。常用的发泡剂有三聚氰胺、
双氰胺、六次甲基四胺、氯化石蜡、尿素等 ，其中3
种发泡剂对乳胶防火涂料防火性能的影响见表8
表8 不同发泡剂对乳胶涂料防火性能的影响
从表8可以看出，当用分解温度较高(212 oC)的
聚磷酸铵作成炭催化剂时，分解温度较高的l_一聚氰胺
的发泡防火性能最好，六次甲基四胺尚可，尿素最差。
但换成分解温度较低(150℃)的磷酸二氢铵作成炭
催化剂后，尿素的发泡防火性能明显提高(质量损失
为4．8 g，炭化体积为23．6 cm ，发泡高度为10 mm，
背面出现焦斑时间为45 S)。由此说明防火助剂分解
温度匹配的重要性。一般而言，发泡剂的分解温度应
略高于成炭催化剂的分解温度。
三聚氰胺作为最常用的发泡剂，其加入莲直接影
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。
氯化石蜡亦可用作发泡剂，它兼有成炭剂、阻燃
剂和增塑剂的作用。不同厂家的产品对涂层的防火
性能有直接影响，有的产品阻燃性差，对涂层的强度
和发泡性有劣化作用。氯化石蜡用量适当，可促使发
泡时间及炭化层的提早形成，但加量过大，会使涂层
变软，影响固化速度和炭层强度：
防火涂料中采用2种或多种发泡剂拼用，效果较
好 。例如，采用含氯与含磷化合物拼用，不仅可以
从固相到气相广泛抑制燃烧的进行，而且由于硫、磷
两元素间会产生协同效应，燃烧生成PC1，、POC1，等
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吴宗汉等：膨胀型防火涂料炭化层的质量及防火性能的影响因素
化合物，它们在高温下成为气体，其密度比空气大，可
附着在底材表面而形成较均匀的覆盖层，将空气与可
燃物隔开，从而达到抑制或阻止燃烧的目的。
氯化石蜡和三聚氰胺的拼合可产生多层次炭化。
燃烧时，氯化石蜡在120 oC首先分解炭化，使已熔融
的树脂膨胀炭化，而当温度达到250 oC时，三聚氰胺
也开始分解发泡，达到2次炭化，增加炭层厚度，提高
防火性能。
5 颜填料的影响
由于膨胀型防火涂料含有较多的防火阻燃剂。所
以不宜加入过多的颜填料。因颜填料过多，会影响涂
层的发泡性，抑制炭化层的厚度，导致防火性能的降
低。另一方面。。 ，在涂料中加入适量的颜填料，不仅
能消除涂层表面针孔、空穴，使涂膜平整光滑，而且增
加了涂层的致密度和强度，提高耐燃温度 常用的无
机颜填料有二氧化钛、滑石粉、氧化锌、碳酸钙、云母
等，一般要求选用遮盖力强、耐光性优、耐热性好的产
品。表9显示了滑石粉用量对涂膜性能的影响。
表9 滑石粉用量对涂膜性能的影响
6 增强材料的影响
为提高炭化层的强度及耐燃性，防止炭化层被火
焰冲破或脱落，可加入硅酸铝纤维、玻璃纤维、石棉纤
维及中空玻璃微珠、无机透明粒子(改性硅酸硼)等，
亦可加入适量耐火材料，如膨胀珍珠岩、蛭石等， 要
注意控制增强材料的添加量，以免抑制发泡效果，反
而降低防火性能。对水性防火涂料，选择透明粒子要
控制碱性离子，以防破坏稳定性。据报导“ ，一种膨
胀型防火涂料加有<1％ 的玻璃纤维，以2 mm厚的
涂层，加热后膨胀比达60倍，在背面350 oC加热时，
涂层60 min内不着火。
综上所述，膨胀型防火涂料的品种、配比、协同效
应等，均会影响到炭化层的膨胀厚度、致密度和强度。
只有在设计配方时，认真分析和研究这些因素，并反
复进行试验优选，才能制得成量多、质量好的泡沫炭
化层，从而提高防火阻燃性能。
参考文献
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[1】] 日本专利公开．平5—86310，1993—04—06
收稿日期
作者简历
通信地址
联系电话
20O3—09 一lO
吴宗汉，原任武汉双虎涂料集团股份有限公司副
总经理，现任岳阳市圣吉力高科技涂料有限公司
技术顾问，高级工程师
武汉市江岸区澳门路湖边坊740号3—2
(0730)8712684(0)一808：(027)82416376(H1；
(0)13006367312
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