1 防火涂料概述
防火涂料又称阻燃涂料，它具有普通涂料的装饰性，并有防腐、防锈、耐酸碱、盐雾等 性能，除具有延长物体使用寿命的保护功能外，更重要的是涂料本身具有不燃性或难燃性， 即防止被火焰点燃，因此在火灾发生时能够阻止燃烧或对燃烧的拓展有延滞作用，即在一定 的时间内阻止燃烧和抑制燃烧的扩展，从而使人们有充分的时间进行灭火工作，达到保护人 们生命财产的目的。
早在古罗马时代，就有人开始用木材涂醋和黏土浆来进行难燃处理。发展到近代1873年 ，发明了在水性漆和油性漆中加入石灰、氢氧化钾、硫酸铝和普通盐来保护建筑。1900年， 人们就开始采用各种无机材料作为阻燃填充剂，以硅酸盐水玻璃为粘结剂的无机防火涂料， 此类涂料的主要特点是自身不燃烧，遇火时能形成空芯泡层，对可燃基材有一定的保护作用 ；缺点是隔热性能和耐候性能较差，易产生泛白、龟裂和脱落。1940年代末期，有人曾观察 蛇被烧的变化情况，受启发而发明了以汽油、二甲苯之类的有机溶剂为分散介质的膨胀型防 火涂料。此后，人们开始着手研制有机膨胀型防火涂料，此类涂料的主要特点是防火性能和 理化性能均优于无机防火涂料，涂层遇火时能形成具有良好隔热性能的致密和海绵状泡沫层 ，能更有效地保护可燃性基材。与无机防火涂料相比，有机防火涂料是更有发展前途的防火 涂料类型，所以在以后的几十年间得以迅猛的发展。到1950～1960年代，由于石油危机的冲 击，以水为分散介质的水溶性和水乳胶型防火涂料得以长足发展。我国在1950年代后期出现 了以水玻璃为粘结剂的无机防火涂料。1970年代初期，一些专业油漆厂生产了过氯乙烯，氯 化橡胶防火漆。由于以上两种防火涂料防火效果并不理想，所以并未在我国形成市场。直至 1970年代后期，我国才开始进行有机膨胀型防火涂料的研究工作。在此之后，我国的有机膨 胀型防火涂料得以迅速的发展。到目前为止，我国的防火涂料生产企业已超过200家，年销 售量在30 kt以上，已形成了跨行业，跨部门的生产体系。
防火涂料按照其防火原理，可分为膨胀型和非膨胀型两大类。若以溶剂类型来分，可分 为溶剂型和水溶型两大类，两类涂料所选用的防火组分基本相同，其选用的溶剂以采用的成 膜物质而定。溶剂型防火涂料的成膜物质一般选用氯化聚烯烃、丙烯酸树脂、氨基树脂、环 氧树脂、酚醛树脂等，采用的溶剂为溶剂汽油、醋酸丁酯等。水剂型防火涂料的成膜物质一 般选用氯偏乳液、丙烯酸乳液、苯丙乳液、聚醋酸乙烯酯等，这些材料均以水为溶剂。在 涂料的防火性能、理化性能以及耐候性能等方面，溶剂型防火涂料都优于水剂型防火涂料， 但是由于成本、环境污染等原因，水溶型防火涂料也发展得较快。
防火涂料按其应用场合可分为：
（1）饰面型防火涂料，施涂于可燃基材（如木材、塑料、纸板、纤维板等）表面，能 形成具有防火阻燃保护和装饰作用涂膜的防火涂料。
（2）钢结构防火涂料，施涂于建筑物及钢结构建筑物表面，能形成耐火隔热保护层， 以提高钢结构耐火极限的防火涂料。
（3）电缆防火涂料，施涂于电线电缆表面，能形成具有防火阻燃涂层，以防止电线电 缆延续燃烧的防火涂料。这类防火涂料的构成，理化性能等特点与饰面型防火涂料相似，但 防火性能与试验方法不同。
防火涂料的应用很广，例如在建筑、运输、飞机、宇航、军工、船舶、古代建筑和文物 保护、电器、电缆、包装等方面，使之越来越多地发挥作用。
2 防火涂料的研究
2.1 防火涂料的基本机理
从燃烧的条件知道，要使燃烧不能进行，必须将燃烧的三个要素（可燃物、氧气、热源 ）中的任何一个要素隔绝开来。防火涂料之所以可以防火（阻燃），大致可以归纳为以下几 点：
2.1.1 防火涂料本身具有难燃或不燃性，这使被保护的可燃性基材不直接与空气接触 而延缓基材着火燃烧。
2.1.2 防火涂料遇火受热分解放出不燃性的惰性气体，冲淡被保护基材受热分解放出 的易燃气体和空气中的氧气，抑制燃烧。
2.1.3 燃烧被认为是游离基引起的连锁反应。而含氮、磷的防火涂料受热分解放出一 些活性自由基团，与有机自由基结合，中断连锁反应，降低燃烧速度。
2.1.4 膨胀防火涂料遇火膨胀发泡，生成一层泡沫隔热层，封闭被保护基材，阻止基 材燃烧。
2.2 非膨胀型无机防火涂料
无机防火涂料有较高的耐热性和完全不燃、不发烟的特点，且有原料易得、价格低廉、 制备简单、着色自由、施工方便、无毒无火灾危险等优点。早期的无机防火涂料主要是灰泥 状的，涂刮于被保护物体表面。目前品种已经很多，仍在不断发展。
作为无机涂料的粘合剂主要有水玻璃（硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂等）、硅溶胶、磷酸盐 、水泥等。其填料是一些耐火的矿物，如氧化铝、高岭土、滑石粉、碳酸钙、氧化锌、硅藻 土、珍珠岩、耐火土、细砂子、钛白粉、火山灰及岩棉纤维、硅酸铝纤维等。
无机涂层的防火保护作用是有赖于涂层自身耐火不燃性和高温下形成似釉膜封闭保护基 材，与空气隔绝，使之不能燃烧。无机涂层也具有一定的隔热作用，但不足之处是附着力及 物理机械性能较差，耐潮性差，易龟裂、粉化、剥落，且涂层装饰性不好等。采用粒度不同 的无机填料配合使用能提高涂层燃烧后的致密性，减少龟裂现象。适当加入高熔点的无机纤 维，能增加涂层的整体性及涂层在高温下骤冷不开裂等性能。采用有机成膜物，如乳液型有 机树脂等和无机成膜物拼用，也能改善上述的涂层缺点。
有机树脂系和钛酸系树脂与无机涂料组分拼用也有较好的性能，此外，在水玻璃中添加 氟硅酸钠、氟硅酸锌等也可改善其耐水性。在无机涂层的基础上，配套有机的防水涂层，进 行封闭保护，对提高无机防火涂料的耐潮性和使用寿命是很有效的。
2.3 膨胀型防火涂料
2.3.1 膨胀型防火涂料的防火原理
膨胀型防火涂料成膜后，在常温下是普通的漆膜。在火焰或高温作用下，涂层发生膨胀 炭化，形成一个比原来厚度大几十倍甚至几百倍的不燃的蜂窝泡沫状炭质层，它可以割断外 界火源对基材的加热，从而起到阻燃作用。以传热公式表示如下：
Q=A·λ·Δt/L
式中A——传热面积；
λ——传热介质的导热系数；
Δt——介质（涂层）两侧的温度差；
L——传热距离（即涂层厚度）；
Q——传导的热量。
上式中由于涂层膨胀后形成的泡沫炭化层厚度L要比未膨胀的厚度大几十倍，甚至可达200倍。此外，一般涂层的导热系数λ值约为1.163×10-4～8.141×10-4 W/(m2·K)，而泡沫炭化层的λ值却要小得多［接近气体的λ值即2.326× 10-5 W/(m2·K)］。因此，通过泡沫炭化层传给底材的热量Q只有 未膨胀涂层的几十分之一，甚至几百分之一了，从而起到有效阻止外部热源的作用。
另一方面，在火焰或高温作用下，涂层发生软化、熔融、蒸发、膨胀等物理变化以及高 聚物、填料等组分所发生的分解、解聚、化合等化学变化，涂料通过这些物理和化学的变化 ，吸收大量的热能，抵消一部分外界作用于物体的热能，从而对被保护物体的受热升温过程 起延滞作用。涂层在高温下发生脱水成炭反应和熔融覆盖作用，隔绝了空气，使有机物转化 为炭化层，从而避免了氧化放热反应发生。另外由于涂层在高温下分解出不燃性气体，如氨 、水等，稀释了空气中可燃性气体及氧的浓度，从而抑制有焰燃烧的进行。
2.3.2 膨胀型防火涂料的基本组成及作用
膨胀型防火涂料通常含有成膜剂、成炭剂、成炭催化剂、发泡剂、无机颜填料等。
2.3.2.1 成膜剂
成膜剂对膨胀型防火涂料的性能有重大的影响。它与其它组分匹配，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和优异的膨胀效 果。
2.3.2.2 成炭催化剂
成炭催化剂的主要作用是促进和改变涂层的热分解进程，如促进涂层内含羟基的有机物 脱水炭化，形成不易燃的三维空间结构的炭质层，减少热分解产生的焦油、醛、酮的量，阻 止放热量大的炭氧化反应发生等，如：聚磷酸铵、多聚磷酸铵、磷酸氢铵、磷酸二氢铵等。
2.3.2.3 成炭剂
成炭剂是形成三维空间结构不易燃的泡沫炭化层的物质基础，对泡沫炭化层起着骨架的 作用，它们是一些含高碳的多羟基化合物，如淀粉、季戊四醇、二季戊四醇、三季戊四醇、 含羟基的树脂等。这些多羟基的化合物和脱水催化剂反应生成多孔结构的炭化层。
2.3.2.4 发泡剂
膨胀型防火涂料的特点是涂层遇热时，能放出不燃性的气体，如氨、二氧化碳、水蒸汽 、卤化氢等，使涂层膨胀起来，并在涂层内形成蜂窝状泡沫结构。这些是靠发泡剂来实现的 。发泡剂的分解温度是决定它是否适用的关键，分解温度过低，气体在成炭前逸出起不到作 用；分解温度过高，产生的气体会把炭层顶起或吹掉，不能形成良好的炭质泡沫层。因此不 同的多元醇和脱水成碳催化剂，采用的发泡剂也应该有所区别。常用的发泡剂有三聚氰胺、 双氰胺、聚磷酸铵、氯化石蜡、磷酸铵盐、氨基树脂等。
2.3.2.5 无机颜填料
对膨胀型防火涂料来说，含无机填料的比例较少，因其含量过高，会影响涂层的发泡高 度，从而达不到隔热的目的，但少量颜填料却不可少，因其可使泡沫层更致密，强度更好， 从而提高其防火性能。防火涂层一般施工厚度大，较低的颜料组分已能满足遮盖力的要求， 故不需采用较多的无机颜填料，常用的着色颜料有钛白粉、氧化锌、铁黄、铁红等。
2.3.3 膨胀型防火涂料配方设计
在设计膨胀型防火涂料配方时，要根据涂层正常使用条件和施工条件，涂层所受的高温 火焰条件及其阻燃能力等性能要求进行设计。其基本原则如下。
2.3.3.1 基料比
在膨胀型防火涂料组成中，起膨胀作用的组分（包括颜填料）的比例很大。一般要占总重量的50%～60%，粘合剂和添加剂约为20%～30%，溶剂占10%～20%。另外起膨胀作用的三种 化学物质，不是以任意比例相配合的，一般情况下，大多数配方的催化剂比为40%～60%，炭 化剂为20%～30%，发泡剂为20%～30%。
2.3.3.2 组分之间的配合
要得到高效的炭化层，涂层中有机树脂的熔融温度、发泡剂的分解温度及泡沫炭化的温 度必须配合恰当。当涂层受热时，首先是成膜剂软化熔融，引起整个涂层的软化、塑化，这 时发泡剂达到分解温度，释放出不燃性气体，并使涂层膨涨成泡沫层，同时脱水催化剂分解 生成磷酸、聚磷酸呈熔融的粘稠体作用于泡沫层，使涂层中的含羟基有机物发生脱水成炭反 应，当泡沫达到最大体积时，泡沫凝固炭化，使生成的多孔的海绵状炭化层定形，泡沫的发 泡效率取决于组分之间反应速度的协调配合。
多种防火组分的恰当配合对持续发挥防火保护作用，增加涂层的阻燃效果和延长涂层的 有效防火时间是十分重要的。它也是配方设计的重要原则。
防火涂料的调制工艺，主要包括以下几步：
（1）按比例配置防火组分和着色颜料浆；
（2）砂磨机或球磨机研磨分散防火浆料；
（3）加入成膜剂，搅拌配置防火涂料；
（4）检验和包装。
3 几类防火涂料的详细介绍
饰面型防火涂料
饰面型防火涂料是一种集装饰和防火为一体的新型涂料品种。当它涂覆于可燃基材上时 ，平时可起到一定的装饰作用；一旦火灾发生，则可阻止火势蔓延，从而达到保护可燃基材 的目的。
溶剂型防火涂料的外观同油漆十分相近，很难从外观区分一种产品是普通油漆还是防火 涂料，而且也很难在现场检查防火涂料质量的好坏。在选用防火涂料产品时，应查看该产品 是否具有由国家防火建筑材料质量监督检验中心出具的合格检验报告，也可通过手册方便地 进行选择。在实际工程中，应注意检查施工质量，防止少数不法施工人员采取偷工减料的方 式来欺骗用户和监督部门，此外，还可以通过下述方法在现场对产品的质量作一初步的检查 ，在已施工好的基材上切取2～3块小样,或取量样品涂在2～3块150 mm×150 mm胶合板上， 按实际施工的情况涂刷。待干透后，用洒精灯的火焰检查。火焰高度40 mm左右，施加火焰 的时间一般为20 min，检查涂层发泡情况。正常的情况下，按规定的用量(一般为500 g/m2)施工，一级防火涂料的泡层厚度为20 mm以上，二级防火涂料的泡层厚度为10 m m以上，泡层应均匀致密。
透明防火涂料也称为防火清漆，是近几年发展起来并趋于成熟的一类饰面型防火涂料， 产品主要用于高级木质装饰材料的防火保护。采用透明防火涂料作为高级木质装饰材料的外 饰层，其装饰效果与其它清漆相仿，同时又能起到防火保护作用。透明防火涂料一般以人工 合成的有机高分子树脂为主体，该有机高分子树脂经特殊的基团改性，树脂本身可带有一定 量阻燃基团和能发泡的基团，再适当加入少量的发泡剂、阻燃剂、碳源等组成防火体系。为 了保证涂层的防火及其它使用性能，一般需要采用透明的罩面涂层。在实际使用中，透明防 火层的用量一般为350500 g/m2，罩面涂层的用量一般为50 g/m2。 透明防火涂料作为高级木质装饰材料的外饰层，正常的情况下具有良好的装饰效果。受热时 可膨胀并形成均匀而致密的蜂窝状或海绵状的碳质泡沫层，对可燃基材具有良好的保护作用 。
饰面型防火涂料质量检验按照国家标准GB12441-1998《饰面型防火涂料通用技术条件》 进行，其各项要求见表1、表2。
表1 饰面型防火涂料理化性能
|
NO. |
项 目 |
技术指标 |
|
1 |
在容器中的状态 |
无结块，搅拌后呈均匀状态 |
|
2 |
细度，µm |
≤90 |
|
3 |
干燥时间，h |
表干 |
≤4 |
|
实干 |
≤24 |
|
4 |
附着力，级 |
≤3 |
|
5 |
柔韧性，mm |
≤3 |
|
6 |
耐冲击性，kg•cm |
≥20 |
|
7 |
耐水性，h |
24h无起皱、无剥落，允许轻微失光和变色 |
|
8 |
耐湿热性，h |
48h不起泡、不脱落，允许轻微失光和变色 |
透明防火涂料也称为防火清漆，是近几年发展起来并趋于成熟的一类饰面型防火涂料，产品主要用于高级木质装饰材料的防火保护。采用透明防火涂料作为高级木质装饰材料的外饰层，其装饰效果与其它清漆相仿，同时又能起到防火保护作用。透明防火涂料一般由人工合成的有高分子树脂为主体，该有机高分子树脂经特殊的基团改性，树脂本身即可带有一定量阻燃基团和能发泡的基团，再适当加入少量的发泡剂、阻燃剂、碳源等组成防火体系。为了保证涂层的防火及其它使用性能，一般需要采用透明的罩面涂层。在实际使用中，透明防火层的用量一般为350~500 g/m2，罩面涂层的用量一般为50 g/m2。透明防火涂料作为高级木质装饰材料的外饰层，正常的情况下具有良好的装饰效果。受火时可膨胀并形成均匀而致密的蜂窝状或海绵状的碳质泡沫层，对可燃基材具有良好的保护作用。
饰面型防火涂料质量检验按照国家标准GB12441-1998《饰面型防火涂料通用技术条件》进行，其各项要求见表1、表2。
表2 饰面型防火涂料防火性能级别与指标
|
NO. |
项 目 |
指标与级别 |
|
一级 |
二级 |
|
1 |
耐燃时间，min |
≥20 |
≥10 |
|
2 |
火焰传播比值 |
≤25 |
≤75 |
|
3 |
阻火性 |
质量损失 |
≤5 |
≤15 |
|
炭化体积，cm3 |
≤25 |
≤75 |
2、钢结构防火涂料
目前，钢结构已在建筑工程中发挥着独特且日益重要的作用。钢结构的发展带来了解决环境问题的突破口。首先，钢材是一种高强、高效能的材料，具很高的再循环价值，边角料也有价值。其次，钢结构抗震性能好，使用灵活，施工时既不需要耗费大量的木材、钢模板和水，也不会产生强的噪音与空气污染。再次，钢结构的发展会带动一系列轻质高强墙体材料的发展，并为绿色建材的发展创造条件。与钢筋混凝土结构相比，更具有在“高、大、轻”三个方面发展的独特优势。最近在我国建筑工程领域中已经出现了产品结构调整，长期以来混凝土和砌体结构一统天下的局面正在发生变化，钢结构以其自身的优越性引起业内关注，已经在工程中得到合理的、迅速的应用，现已广泛运用于厂房、库房、体育馆、展览馆、机场机库等工程。
正是由于钢结构的特点，目前超高层建筑、大空间建筑必须使用钢材建造，我国现代高层民用建筑钢结构1990年建成11幢。而90年代以来正在建造或设计的高层建筑钢结构共约32幢，最高的达420米（已建世界第三，中国第一的高楼88层的上海金茂大厦为全钢结构中国第一高楼金茂大厦是浦东陆家嘴黄金地区乃至上海的标志性建筑。金茂大厦共88层，高420.5米，单体建筑面积29万平方米。）和460米（设计中）。而北京新世纪的标志——世纪坛、九运会主体育场——广州奥林匹克中心等皆为大型钢铁结构营造。
钢材虽为非燃烧材料，但钢不耐火，温度为400℃时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，温度达到600℃时，钢材基本丧失全部强度和刚度，所以一般裸露钢结构耐火极限只有十几分钟。因此，当建筑采用无防火保护措施的钢结构时，一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏。例如，2001年9月11日，震惊世界的“911事件”中被飞机撞毁的纽约世界贸易大楼姊妹楼，事后专家分析认为，其实飞机并没有将大楼撞倒，而是由于飞机在撞到大楼的同时破坏了大楼钢结构上的防火涂层，并爆炸起火，使得钢结构暴露在熊熊烈火中，在一个多小时后，结构软化，强度丧失，终于载不动如此沉重的负担，轰然倒下，造成几千人命丧废墟，损失多达几百亿美圆；1998年5月5日，北京玉泉营环岛家具城大火，结构防火未达标，造成1.3万平米钢结构轻体建筑（倒塌）及其它1万平米的全部过火，造成家具城、建材城建筑和参展家具全部烧毁，直接经济损失达到人民币2087万。
表3 涂层厚度与耐火极限
|
类型 |
厚型 |
薄型 |
超薄型 |
|
涂层厚度 (mm) |
8~45 |
3~7 |
小于3 |
|
耐火极限 (h) |
0.5~3.0 |
0.5~2.0 |
0.5~2.0 |
表4钢结构防火涂料各项性能指标
|
检验项目 |
技术指标 |
|
CB |
B |
H |
|
耐火性能 |
涂层厚度mm |
2.00±0.20 |
5.0±0.5 |
25±2 |
|
耐火极限h |
1.0 |
1.0 |
2.0 |
|
在容器中的状态 |
[来源：来宝网]
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