膨脹型涂料：一個(gè)越來越重要的領(lǐng)域

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昕特瑪中國(guó)

Simon Austin，涂料技術(shù)服務(wù)經(jīng)理，SBU功能解決方案部門； 

Francois Simal博士，歐洲涂料技術(shù)服務(wù)經(jīng)理，SBU功能解決方案部門，Synthomer Plc.

今天大多數(shù)高層建筑和公共設(shè)施（體育場(chǎng)館、機(jī)場(chǎng)等）都有鋼骨架。雖然鋼材不燃，但仍需要進(jìn)行防火保護(hù)，如果沒有足夠的防護(hù)，結(jié)構(gòu)鋼工程會(huì)在5分鐘內(nèi)達(dá)到500°C的臨界溫度；超過這個(gè)溫度，鋼材開始失去承重能力，可能會(huì)發(fā)生變形或倒塌，其支撐的建筑物的穩(wěn)定性受到破壞，造成災(zāi)難性后果。因此，承重鋼結(jié)構(gòu)的持續(xù)完整性是建筑部門的核心關(guān)注點(diǎn)。

鋼材防火可以有多種途徑，通常采用被動(dòng)式技術(shù)，其中絕緣技術(shù)包括用混凝土覆蓋或用防火板包裹。然而現(xiàn)在越來越多的設(shè)計(jì)師們更喜歡展示建筑物的鋼骨架——為此，膨脹型涂料是理想選擇。

過去膨脹涂料通常是溶劑型涂料，然而近些年，水性膨脹涂料已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，特別是纖維類防火涂料。水性涂料能夠?qū)崿F(xiàn)快速干燥，允許更快的涂布和/或更多的保護(hù)涂層。它們通常適用于室內(nèi)環(huán)境，在施涂合適的面漆或“密封劑”后也能用于某些戶外環(huán)境。

膨脹涂料可分為兩類：烴類（包括所謂的“噴火”）防火和纖維類（木材、紙張、家具等）防火。根據(jù)所需的防火時(shí)間長(zhǎng)度，水性膨脹涂料可以進(jìn)一步細(xì)分。表1列出了英國(guó)商業(yè)/住宅建筑不同樓層數(shù)量所需的耐火時(shí)間。

基本原理

膨脹涂料的基本原理是涂層在溫度不斷上升時(shí)，通過膨脹（或擴(kuò)展）生成隔熱層，減緩甚至可能防止鋼材達(dá)到500℃的臨界溫度。

水性膨脹涂料含有四種主要成分：

 1、酸供體（通常是多聚磷酸銨）；

 2、碳源（通常為季戊四醇等多元醇）；

 3、發(fā)泡劑（通常為三聚氰胺）；

 4、聚合物（通常為醋酸乙烯酯共聚物）。

膨脹反應(yīng)在近275℃時(shí)被激活，是一種吸熱反應(yīng)，會(huì)吸收熱量、釋放惰性氣體并形成有效的隔絕層。根據(jù)成分，這種膨脹涂層可以在原始厚度的基礎(chǔ)上膨脹10至100倍，形成泡沫狀炭層保護(hù)下層材料。

根據(jù)使用的不同原材料，膨脹過程可分為不同的步驟：

 1、溫度超過250℃時(shí)，熱塑性聚合物“熔融”形成液體/粘性基質(zhì)，在該基質(zhì)中可發(fā)生進(jìn)一步的熱化學(xué)反應(yīng)。

 2、在275℃左右時(shí)，作為膨脹型涂層的主要成分多聚磷酸銨（酸供體）開始分解，生成聚磷酸。

 3、聚磷酸與碳供體（通常為季戊四醇或一縮二季戊四醇）反應(yīng)生成無機(jī)/有機(jī)酯。

 4、發(fā)泡劑（例如三聚氰胺）分解并釋放氣體，使熔融的樹脂和酯類生成能形成隔絕屏障層的泡沫。

 5、隨著溫度的不斷上升，酯類分解形成堅(jiān)硬的炭層（圖1）。

得到的炭層能將基材隔熱。因此，鋼結(jié)構(gòu)得到的防護(hù)時(shí)間取決于炭層的質(zhì)量（密度、附著力、完整性和形成速度）以及炭層厚度。實(shí)現(xiàn)30-60分鐘的有效防護(hù)，通常需要大量、輕質(zhì)/易碎的炭層。如果需要更長(zhǎng)久的防護(hù)，這些炭層通常需要更緊湊和更堅(jiān)固，干膜厚度/涂層道數(shù)越高，整體隔熱效果就會(huì)越好。

我們知道其他功能性原材料也可以改善性能：可以使用阻燃劑來降低火焰?zhèn)鞑ニ俣炔⒔o涂層提供自熄性能。此外，主要用作發(fā)泡劑的三聚氰胺也是具有優(yōu)異阻燃性能的氮基阻燃劑。

添加增強(qiáng)材料（例如纖維）可以改善涂料的干燥性能（例如減少厚涂開裂，更高的低剪切黏度），并且還能提高炭層的穩(wěn)定性。纖維增強(qiáng)的炭層能夠提升膨脹涂料的整體性能，對(duì)火焰熱流的承受力更強(qiáng)。

聚合物是一個(gè)重要的組成部分，能發(fā)揮很多的作用。在濕配方中，聚合物直接有助于整個(gè)配方的施工性能和穩(wěn)定性。在干膜中，聚合物將涂料與底漆/基材粘結(jié)，并且還能提供如耐刮擦性等的機(jī)械性能。當(dāng)涂層膨脹時(shí)，在適當(dāng)溫度下聚合物必須首先軟化，然后熔化，以便在整個(gè)過程中基體能發(fā)生其他反應(yīng)。因此，聚合物的正確選擇至關(guān)重要；盡管許多類型的乳液聚合物也具備所需要的一些功能，但能同時(shí)滿足膨脹型涂料廣泛需求的最有效的聚合物類型是醋酸乙烯酯共聚物。醋酸乙烯酯共聚物適宜的熱分解性能已被廣泛詳述1。

膨脹型涂料配方

我們進(jìn)行了一個(gè)統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來更詳細(xì)地研究膨脹型涂料生產(chǎn)時(shí)不同參數(shù)（原材料、PVC、鋼材類型等等）的作用和有效性。本研究集中在通過EN 13381 標(biāo)準(zhǔn)體系配制“適合使用”的具有30-60分鐘防護(hù)效果的涂層。

原材料和基本參數(shù)的初步篩選是在0.5立方米的爐中用多塊200x150x5mm鋼板上進(jìn)行的。將所有基材進(jìn)行噴丸處理，并預(yù)涂上工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的雙組份環(huán)氧金屬底漆。涂覆的所有涂層的干膜厚度相同。所有測(cè)試中，我們將一種市場(chǎng)領(lǐng)先的具有60分鐘防護(hù)效果的膨脹涂料作為內(nèi)標(biāo)，以對(duì)實(shí)驗(yàn)中相關(guān)性能進(jìn)行評(píng)估。

階段1–主要原材料的選擇

在這個(gè)階段只包括基本的主要原材料，優(yōu)先考查的是涂層在平整鋼板上的膨脹性能以及形成的炭層的基本性能。主要原材料（多聚磷酸銨、季戊四醇、三聚氰胺、聚合物）的大致的起始比例眾所周知，這是初步評(píng)估的基礎(chǔ)。在所有情況下，水的添加量取決于正常施工；所有評(píng)估均建立在相同干膜厚度的基礎(chǔ)上。

多聚磷酸銨用量的評(píng)估

表2給出了基本配方和改進(jìn)情況、配方的物理特性和耐火時(shí)間。對(duì)（來自不同的供應(yīng)商）兩種不同等級(jí)的多聚磷酸銨（APP）進(jìn)行了評(píng)估。

從結(jié)果可以看出，該設(shè)想配方中APP的最佳用量約為26.2份（配方1a和1d）。在這項(xiàng)基礎(chǔ)研究中，APP1的性能明顯優(yōu)于APP2。

三聚氰胺用量的評(píng)估

 從結(jié)果（表3）可以看出，該設(shè)想配方中三聚氰胺的最佳用量約為9.4或11.1份（配方1h和1d）。這里結(jié)果略有變化，但是在較高的三聚氰胺用量時(shí)，APP2的性能優(yōu)于APP1。

季戊四醇用量的評(píng)估 

從表4可以看出，該設(shè)想配方中與APP1一起時(shí)季戊四醇的最佳用量約為9.5份（配方1a）。

然而不同原材料組合的影響變得越來越明顯，當(dāng)與APP2一起時(shí)，使用更多季戊四醇的配方更有效。對(duì)結(jié)果進(jìn)行權(quán)衡，決定繼續(xù)使用APP1，因?yàn)檫@是一種市場(chǎng)領(lǐng)先且易獲取的多聚磷酸銨。

輔助原材料的評(píng)估

增強(qiáng)纖維

通常加入增強(qiáng)纖維來改善炭層的結(jié)構(gòu)和堅(jiān)固性。表5詳細(xì)列出了單種增強(qiáng)纖維的兩個(gè)不同用量的比較。開發(fā)的配方是應(yīng)用于30至60分鐘的耐火防護(hù)，其炭層通常是輕的和疏松的。在本次測(cè)試配方中發(fā)現(xiàn)使用此種化合物防火性能反而降低了，但我們也觀察到所得到的炭層，特別是在較高用量時(shí)，結(jié)構(gòu)緊湊且堅(jiān)固，更適用于更長(zhǎng)時(shí)間的防火用途（90-120分鐘）。因此對(duì)于我們所設(shè)定的（30-60分鐘防火要求）用途，使用這種化合物沒有發(fā)現(xiàn)有什么優(yōu)點(diǎn)。

阻燃增塑劑

阻燃增塑劑具有許多功能，包括對(duì)初始液體/粘性基質(zhì)和得到的炭層進(jìn)行改性，抑制初始火勢(shì)。表5比較了兩種不同阻燃增塑劑。增塑劑1得到的炭層較差，其幾乎沒有結(jié)構(gòu)，會(huì)坍塌和收縮；然而增塑劑2能提供更輕、更均勻和蓬松細(xì)密的炭層，更適合于預(yù)期用途。

聚合物用量/PVC的評(píng)價(jià)

一般會(huì)將膨脹型涂料配制成盡可能含有更高固體份（同時(shí)保持穩(wěn)定性），以獲得較高的干膜厚度；較高的顏料體積濃度（PVC）通常會(huì)減少炭層中多余空氣間隙的形成。相反，乳液聚合物對(duì)穩(wěn)定整個(gè)體系有利，因此較低的聚合物用量也意味著較低的表面活性劑含量、較差的穩(wěn)定性，在應(yīng)用中或許有更多問題。并且，當(dāng)膨脹反應(yīng)發(fā)生時(shí)，粘性基質(zhì)可能更受限制。

表6詳細(xì)說明了開發(fā)配方中PVC的梯度。在平整的鋼板上進(jìn)行了初始試驗(yàn)，但進(jìn)一步的評(píng)價(jià)是在“半H”型微型鋼部件上進(jìn)行。在700微米干膜厚度或在潮濕狀態(tài)下，涂層都沒有發(fā)現(xiàn)任何問題。使用流掛儀單獨(dú)進(jìn)行施工試驗(yàn)時(shí)，從100微米到2000微米（濕膜）之間，均沒有發(fā)現(xiàn)下垂等問題，這表明在所測(cè)試的PVC濃度時(shí)，施工性和配方的穩(wěn)定性都很好。

相應(yīng)的耐火結(jié)果（在“半H”部件上）見圖2。由圖中可見，趨勢(shì)有點(diǎn)非線性；PVC最初增加時(shí)，防護(hù)時(shí)間略有縮減；然而基本無變化。在較高的PVC濃度（78％-80％）下，防護(hù)時(shí)間顯著增加。檢查結(jié)果顯示炭層結(jié)構(gòu)變得更輕、更均勻和體積更大，與較低PVC時(shí)得到的炭層相比，空氣孔隙顯著減少（圖3）。

雖然還可以進(jìn)一步提高PVC，但是從產(chǎn)品的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和施工性考慮，對(duì)這種特殊原料，PVC在80%是比較合適的。

三維鋼截面

鋼板和“半H”部件僅適用于基本配方開發(fā)。為了考慮將產(chǎn)品進(jìn)行大規(guī)�；蛏踔寥�面測(cè)試，確定材料在各種部件類型和不同的干膜厚度時(shí)均表現(xiàn)良好非常重要。

典型的部件類型是I型梁、H柱、圓形中空和方形中空部件。因此，優(yōu)選的配方應(yīng)以不同干膜厚度（700和1500微米）施涂在這些1米長(zhǎng)的不同類型的部件上。將該系列測(cè)試用市售產(chǎn)品平行對(duì)比，獲取可比較的數(shù)據(jù)。每個(gè)鋼部件至少包含四個(gè)熱電偶，以確保每個(gè)部分都有熱量數(shù)據(jù)覆蓋，并識(shí)別結(jié)果是否可能異常。

從圖4-5可看出，在測(cè)試的所有部件上，優(yōu)化得出的配方的性能表現(xiàn)都至少與市售產(chǎn)品一樣。此外在更高的干膜厚度下，優(yōu)化配方具有更優(yōu)異的性能；盡管炭層通常很輕且體積大（如本用途所預(yù)期的），但是優(yōu)化配方在較厚的干膜時(shí)具有更好的結(jié)構(gòu)和較少的缺陷。

總結(jié)

通過本研究，結(jié)果表明：

 1、主要原材料的選擇及其比例是很關(guān)鍵的。對(duì)這些特定材料，改變其比例或使用其他替代品會(huì)嚴(yán)重影響最終產(chǎn)品的耐火性能。

 2、輔助原料也會(huì)大大影響整體性能。

 3、鋼板的初步評(píng)估僅適用于開發(fā)初步配方；需要進(jìn)行大量的改進(jìn)使得到的配方在各種三維鋼部件和不同干膜厚度時(shí)都能表現(xiàn)出期望的性能。 

在“指示性”或預(yù)認(rèn)證提交的最后階段，進(jìn)行了一個(gè)獨(dú)立的驗(yàn)證試驗(yàn)來證明涂層在超過1米的鋼梁和鋼柱上的性能表現(xiàn)：將上述配方與其他市售產(chǎn)品分別施涂在兩種不同的截面尺寸（HP /A）和兩種柱類型的用環(huán)氧底漆打底的1米長(zhǎng)的H型鋼梁上。目前這些部件正由一家權(quán)威的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)做評(píng)估。

這項(xiàng)研究并不能保證上述配方最終是否能夠通過認(rèn)證，但我們相信，如果配方得到正確執(zhí)行，所得到的產(chǎn)品性能與其他廣受市場(chǎng)認(rèn)可的產(chǎn)品是相當(dāng)?shù)�，至少可以通過預(yù)認(rèn)證開發(fā)階段。*然而，由涂料制造商來認(rèn)證并通過完整的認(rèn)證程序仍然是必需的。

30-60分鐘的防護(hù)時(shí)間是這些體系的入門級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。不斷有更高的標(biāo)準(zhǔn)要求涂層在較低的干膜厚度時(shí)具有更久的耐火時(shí)間。因此，Synthomer公司致力于不斷開發(fā)用于高性能膨脹型涂料的Emultex FR聚合物。

*根據(jù)目前的測(cè)試情況，文中所述配方已證明具有良好的性能，或可用于降低開發(fā)成本。然而，即便配方得到合理執(zhí)行，對(duì)于配方是否可以通過完全認(rèn)證，Synthomer公司無法提供任何擔(dān)保，也不因此承擔(dān)任何責(zé)任。了解更多信息，請(qǐng)發(fā)送電子郵件至simon.aus tin@synthomer.com或訪問：www.synthomer.com。

參考文獻(xiàn)

1Pimenta, J.T.; Gon？alves, C.; Hiliou, L.; Coelho, Jorge F.J.; Magalh？es, F.D. Effect of Binder on Performance of Intumescent Coatings; Journal of Coatings Technol-ogy and Research September 2015.

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