1、行业视点 INDUSTRY WATCH填料对钢结构防火涂料耐火性能的研究进展张帆(应急管理部四川消防研究所,成都610036)Application of Fillers in Fire Retardant Coatings forSteel Structure摘要:为了改善钢结构防火涂料的耐火性能,需要研究如何添加不同填料来提高涂层残炭量、致密性、强度、抗氧化性等各项性能,以及填料与各组分之间相互协作的关系。介绍了填料在防火涂料中的作用;重点介绍了无机填料和新型生物基填料对防火涂料耐火性能的研究成;并对填料在防火涂料中的应用技术进行了展望。关键词:填料;钢结构;防火涂料;耐火性能中图分类号:
2、TQ630文献标识码:A文章编号:2096-8639(2023)10-0027-06Zhang Fan(Sichuan Fire research institute of MEM,Chengdu 610036,China)0 引言钢结构防火涂料是指涂覆在钢材表面的一类功能性工程材料的总称。在一般情况下钢结构防火涂料能起到装饰作用,当火灾发生时能够对燃烧扩展起到延滞作用,降低热量传导至钢结构的速率,从而使钢结构能在高温环境下长时间保持自身机械强度,保证建筑主体结构在长时间内不发生坍塌,降低火灾对人民生命财产安全的威胁,为消防救援提供更为充足的时间。按照GB 149072018 钢结构防火涂料
3、可将钢结构防火涂料分为膨胀型和非膨胀型两种类型,其中膨胀型防火涂料主要由基料、膨胀体系、填料、助剂等构成。膨胀型钢结构防火涂料已经发展为多种基料包括丙烯酸类、环氧类、有机硅类等不同类型的涂料。其中关于基料、膨胀体系对钢结构防火涂料性能影响的研究报道较多1,但关于填料对其性能影响的研究进展报道较少。本研究主要介绍了钢结构防火涂料填料的作用,以及国内外对防火涂料中填料的研究进展和现状。1 填料在钢结构防火涂料中的作用膨胀型防火涂料在发生火灾时其膨胀体系包括Abstract:In order to improve the fire resistance of fireproof coatings f
4、or steel structure,it isnecessary to study the addition of different fillers to improve the residual carbon content,compactness,strength,oxidation resistance and other properties of the coatings,as well as the relationshipbetween the filler and the components.In this article,the functions of fillers
5、 in fireproof coatingsare introduced.The research results of inorganic fillers and new bio-based fillers on the fire resistanceof fireproof coatings are described in particular.The further applications of fillers in fireproofcoatings are given.Keywords:filler;steel structure;fireproof coating;fire r
6、etardance涂层与防护第44卷第10期2023年10月Vol.44 No.10Oct.2023COATING AND PROTECTION27行业视点 INDUSTRY WATCH酸源、碳源和气源能够相互协同,形成较自身几十倍大小的蜂窝状炭层。这些炭层需要具有一定质量、较高的致密性和一定的强度,保证炭层可以在长时间降低热量传输速率的作用,从而延长外部热量传递至钢结构的时间,延长钢结构在高温环境下维持机械强度的时长2-4。填料则是对提高膨胀炭层强度、炭层质量起到至关重要的作用5。在高温环境中,有些填料可以和炭层直接进行反应,提高炭层的强度;有些会高温分解,形成耐高温材料,提高炭层抗烧蚀能力
7、。不同填料的使用对于不同体系的膨胀型钢结构防火涂料,都会对其耐火性起到直接的影响。2 国内外填料的研究进展2.1 无机填料钢结构防火涂料中应用最早、最广泛的是使用无机填料来提高涂层的耐火性能。由于膨胀型防火涂料在高温膨胀后,其炭层热稳定性能会直接影响其耐火性能,因此,通过添加无机填料提高炭层的热稳定性 能 成 为 膨 胀 型 防 火 涂 料 的 研 究 重 点。E.S.Zulkurnain 等人6报道以纳米氮化硼作(BN)为无机填料用来改善炭层质量。结果表明,与未添加纳米 BN填料的涂层相比,添加 4%的 BN,所得炭层残炭量提高了23.82%,同时炭层致密性也得到明显提高,改善APP-EG-
8、MEL涂层的热稳定性,从而实现了对其耐火性能的提高。舒永俊等人7报道了对六方氮化硼和立方氮化硼分别进行了剥离和羟基化改性,将其作为填料分别应用于水性膨胀型防火涂料中。结果表明,它们均能明显提高膨胀型防火涂料的耐火性能,其中添加剥离后的六方氮化硼的防火涂料耐火性能最好。剥离后的六方氮化硼纳米尺寸更小,利于在涂料以及碳层中的均匀分散。但羟基化改性由于提高了立方氮化硼的表面亲水性,因而降低了其涂料的耐水性。付强等人8将六方氮化硼和六方氮化硼纳米片作为填料应用于水性环氧苯丙体系膨胀型防火涂料,二者均可以提高涂料的热稳定性和耐火性能,其中添加7.5%六方氮化硼纳米片的涂料,在耐火性能测试 110min时
9、,与未添加的涂料相比,背温降低48。氮化硼价格昂贵,不利于在防火涂料中进行推广应用。因此,有研究者将目光转向了价格更加具有优势的填料。Sami 等人9报道了硅酸锆作为填料在环氧树脂体系中对其耐火性能的改进。报道指出添加5%硅酸锆提高残炭中的碳含量至60.87%,降低了残炭中的氧含量至 28.09%,有助于提高涂层的耐火性能。Ravindra G.Puri 等人10报道了硅酸锆作为膨胀型涂料中填料改善涂层的耐火性能。报道指出,添加10 质量份的硅酸锆在涂料配方中,其涂层在大板火灾测试 60 min 后,背板温度约 81。通过 TGA 分析涂层的热分解情况,表明硅酸锆可以提高炭层的残炭量。通过扫描
10、电镜(SEM)对炭层的外貌分析发现,增加硅酸锆的用量可以改善炭层的微观结构,同时使炭层更紧凑。通过 XRD 和 FTIR 对炭层进行了分析,表明硅酸锆形成增强硅酸盐保护屏障层,提高了炭层的热稳定性,随着硅酸锆添加量的提高可以增强炭层的抗氧化能力,并使得炭层具有足够的表面机械强度。研究表明,添加硅酸锆到膨胀型防火涂料中,可与基材结合良好,并形成热稳定性高、抗氧化能力强、强度高的优异炭层。但是硅酸锆被主要应用于陶瓷行业,同时受到行业的影响,成本较高且波动较大。为此,研究者对价格更为低廉的填料进行了研究。庞桂林等11报道了采用硬脂酸对新疆哈密硅灰石进行表面改性,应用于防火涂料中,可替代 40%60%
11、的钛白粉填料,从而降低涂料生产成本。O.V.Bezzaponnaya 等人12报道引入 2%20%硅灰石或硅铝酸盐微球可提高有机硅膨胀型防火涂料耐火性能,炭层残炭量增加 27%40%,降低涂料热分解总热效应3 倍以上;添加 5%硅灰石或硅铝酸盐微球,可以增加有机硅膨胀型防火涂料 500900 温度区间内的热容。因为物质热容越大,则该物质提高温度所需要的热量就越大。为此有研究者从提高炭层的热容角度来改善涂层的耐火性能。除上述以外,还有研究者对几种不同填料进行对比研究,以期改善涂层的耐火性能。Zhisheng Xu 等人13报道了以层状双氢氧化物(LDH)、蒙脱土(MMT)和海泡石等 3种不同纳米
12、填料对膨胀型防火涂料耐火性能和热稳定性能影响的研究。实验结果表明,添加 1%海泡石作为填料的防火涂料残炭量为 34.2%,通过大板测试耐火性能,背温仅为 164.5,表明添加纳米海泡石可以提高炭层的热稳定性和成炭性能。对残炭分析表明,几种纳米材料的引入均可以提高残炭的致密性和抗氧化性能。同时,这 3 种填料还表现出优异的协同阻燃性能,阻燃效率顺序为海泡石MMTLDH。Hansen Bruhn 等张帆:填料对钢结构防火涂料耐火性能的研究进展28行业视点 INDUSTRY WATCH人14报道了在膨胀涂料中添加高岭石、重晶石和二氧化钛作为填料,制备了不同的膨胀型防火涂料并对其炭层质量进行研究。通过
13、耐火测试结果结合自定义构建图像分析显示,高岭石、重晶石、二氧化钛 3 者对涂层协同膨胀速率分别为 0.03 mm/s、0.59 mm/s、0.37 mm/s,涂层膨胀系数分别约为7、85、60。FTIR光谱显示TiO2炭形成了热稳定性较好的焦磷酸钛,且焦磷酸钛具有平均气泡尺寸为 2656 m 的均匀闭孔结构,从而形成具有致密均匀多孔稳定结构的膨胀炭层,实现对炭层抗氧化性能的提高。Nasirzadeh 等人15报道分别加入蛭石、硅藻土和氢氧化铝 3 种不同的填料对膨胀型涂料耐火性能的影响研究。与对照样品相比,蛭石的加入使涂层的膨胀性能提高了10%,分析认为是由于蛭石本身的化学结构和物理形态具有较
14、低的热导率,最终形成均匀的炭层形貌,且具有较好的炭层强度。涂层样品成功地将聚丙烯可燃性从高度易燃转变为 UL 94 垂直燃烧试验标准中的 V0 级。研究表明,蛭石可以作为提高膨胀涂料的耐火性能的填料在配方中使用。除了在单一无机填料对防火涂料耐火性能的研究之外,还有研究者对两种或多种无机填料之间相互协同作用在不同的膨胀型防火涂料体系中对涂层的耐火性能的影响进行了报道。王清海16报道了使用钛白粉与不同填料用于改善水性膨胀型防火涂料耐火性能的研究。结果表明,钛白粉的加入可以提高水性膨胀型防火涂料的抗烧蚀性能。使用高岭土与氢氧化铝质量比为 11 的混合填料可使涂料具有良好的协同阻燃防火效果。当钛白粉添
15、加量为10%、高岭土与氢氧化铝质量比为 11 的混合填料的添加量为5%时,能够显著提高炭层强度与炭层质量,实现提高涂料耐火性能的目的。除直接添加无机填料以外,研究者通过对无机填料的表面改性后再添加至防火涂料中,实现无机填料和膨胀体系之间更好的协效作用,从而达到对涂层耐火性能的提高。王跃飞17以经过洗涤、粉碎和表面改性制备钨尾矿填料(TTF)应用于膨胀型防火涂料,研究结果表明,添加3%的TTF时,涂料的协效阻燃和抑烟作用最佳,火焰传播比值为4.3,900 s 时背面平衡温度为 84.8,烟密度等级为14.2%。对炭层分析表明,TTF 的加入能促进涂层在燃烧过程中形成更多的热稳定性交联结构和芳香结
16、构,以促进形成更加致密和稳定的膨胀炭层结构,以阻隔热量和物质的传递,达到较好的协效阻燃和抑烟作用,达到对涂层耐火性能提高的目的。除去炭层宏观尺度下对涂层耐火性能的影响研究之外,研究者通过对炭层内部微观空间尺寸大小的测量和对比,发现了炭层微观空隙尺寸大小对涂层耐火性能的影响。M.Zia-ul-Mustafa 等人18以云母和硅灰石填料制备了膨胀型防火涂料,对其隔热性能、炭层膨胀、炭层组成和炭层形貌的协同作用进行研究。添加 5%的云母和硅灰石涂料通过了 UL 94 1 h 的耐火测试。通过 FESEM 观察炭层微观结构发现,炭层中不大于单元尺寸的空隙分布有助于延迟热传递,若40 m 则会产生对流传
17、递热量,会导致向基材热传导效率增加。采用 XRD 和 FTIR 对炭层组成进行分析,表明在膨胀型防火涂料中添加硅灰石填料可以提高其耐火性能。由此可见,在膨胀型防火涂料对填料的研究从单一填料,发展到后来的多种填料的协同使用;从直接添加填料到对填料进行表面改性后再进行添加使用;从微米尺度的填料到纳米尺度的填料;从填料对炭层的残炭量、炭层的致密性均匀性、炭层强度和抗氧化性等炭层质量,深入到炭层的热容性质和微观尺寸大小,为实现涂层耐火性能的提高从多方向、多角度、多维度进行了研究。除此之外,无机填料还可以实现抑烟、改进涂层理化性能的功能。2.2 生物基填料近年来,随着对产品环保要求的不断提高,以及对防火
18、涂料研究的不断深入,各种新型生物基填料也开始在防火涂料中使用,研究其提高膨胀型防火涂料耐火性能的机理,同时改善涂层的耐火性能。生物基填料的优势在于环保,同时也需要该填料对涂层的基本性能无影响,包括涂层与基材的粘接性能和耐水性能,在此基础上改善涂层的耐火性能。S.A.S.Mustapa 等人19报道了棕榈油熟料(POC)作为新型生物填料在溶剂型膨胀型钢防火涂料中的应用。综合分析表明,POC作为填料可以得到具有最高的炭层厚度、良好的粘结强度、最大限度地降低生产成本、有助于环保的膨胀型防火涂料。由于棕榈油熟料价格较高且主要作为食品消费,不宜作为防火涂料的原材料,由此研究者将目光转向其他的生物基填料。
19、Ming Kun Yew 等人20报道了将蛋壳(ES)废料作张帆:填料对钢结构防火涂料耐火性能的研究进展29行业视点 INDUSTRY WATCH为可再生阻燃纳米生物基填料对膨胀型防火涂料的防火性能、成炭和热释放特性进行了研究。研究表明,分别用添加 3.30%和 2.75%的 ES 纳米生物填料,可以显著降低的总热释放速率,促进形成更厚和更均匀的炭层,从而提高了炭层的耐火性能。为改善涂层的耐火性能,有研究者从填料的本身组成成分分析,结合不同添加量对涂料的耐火性能实验结果,分析填料对涂层耐火性能和理化性能的影响。Li Yaozhuang 等人21报道了生物填料蛤壳(CS)作为填料应用于水性膨胀型
20、防火涂料中。分析表明,CS 生物填料与膨胀型阻燃剂(IFR)复配可以有效降低膨胀型涂料的阻燃性能(FSR)、提高成炭指数、降低炭层失重率、烟密度等级(SDR),二者具有良好的协同作用。但是过量的 CS 将抑制涂层的膨胀过程,从而降低这种效率协同效应。老化测试表明,添加CS 生物填料可以减少涂料的起泡和粉末现象,从而提高涂层的耐老化性能。TG 分析表明,CS 生物填料的引入增加了涂层的炭化能力和热稳定性。焦炭残留分析表明CS生物填料的引入促进了含有更多的P、O 和 C 缩合交联结构,产生更多的致密炭层,从而提高了炭层的质量,实现对涂层耐火性能的提高。因此,CS 生物基填料能有效提高膨胀型防火涂料
21、的耐火性、抑烟性能和抗老化性能。Wang Feiyue 等人22报道了经水洗、超声、粉碎制备海螺壳生物填料(CSBF),应用于水性膨胀型防火涂料中。研究表明,添加3%的CSBF,炭层膨胀系数增加了88.3%,残炭量由未添加 CSBF 的 28.6%上升到 34.6%,具有最佳的阻燃和抑烟效果,表现出优异的协同效应,但过量的CSBF 会降低其在涂层中的协同效应。加速老化试验表明,CSBF 的加入减少了阻燃剂的迁移、分解和黄化、起泡、粉化现象,从而提高了涂层的结构稳定性。除此之外,还有研究者从不同壳体生物填料对涂层耐火性能和理化性能的影响进行了研究。Wang Feiyue等人23使用蛋壳(CES)
22、、海螺壳(CHS)和蛤壳(CMS)3 种贝壳制备了生物填料,应用于膨胀型防火涂料中。研究了不同形态的壳层生物填料对膨胀型防火涂料的阻燃性能和成炭性能的影响,提出了生物填料在膨胀型防火涂料中的阻燃性能和成炭机理。结果表明,壳体生物填料在膨胀型涂料中的协同效率随生物填料的晶型而变化,文石 CaCO3表现出比方解石CaCO3更好的协同效率。当添加相同含量的生物填料时,文石 CaCO3组成的 CMS 表现出最高的协同效率,方解石 CaCO3组成的 CES 表现出最小的效果。因此,壳体生物填料可以有效提高膨胀型阻燃涂料耐火性和成炭性能。除了改善涂层的耐火性能,还有研究者对添加生物基填料提高涂料的阻燃和抑
23、烟性能进行了研究。李耀庄等24以蛤蜊壳生物填料改善防火涂料的耐火性能。结果表明,添加 2%蛤蜊壳生物填料,800 下的残炭量高达 33.7%,同时促进膨胀阻燃体系在燃烧过程中形成更多的交联结构,以增强炭层的致密性和隔热性能,进而使涂层显现出较高的热稳定性和成炭率,从而得到耐火性能更佳的膨胀型防火涂料。除此之外,添加蛤蜊壳生物填料还可以有效提高膨胀型防火涂料的阻燃和抑烟性能,表现出较好的协效阻燃和抑烟作用。但过量的生物填料会降低其在膨胀型防火涂料中的协效作用。由此可见,生物基填料在膨胀型防火涂料中的单独使用或与其他无机填料配合使用尚处于初级开发阶段,但其所表现出的改善炭层致密性、强度、抗氧化性能
24、等具有明显的效果。除此之外,还可以起到改善涂层的抗老化性能、粘接性能、以及抑烟性能。因此,作为新的功能填料,有望在防火涂料中成为了新的热点方向。3结语对填料在防火涂料中的应用效果目前仍在不断探索和改进,尚未形成大家共识的优质填料。现阶段使用最为广泛的仍然是无机填料,其中二氧化钛作为主要颜填料在膨胀型防火涂料中得到广泛应用。虽然报道中有众多的填料研究,但是大多都处于实验室阶段。尽管进行了多样化的测试和分析,还无法在市场进行推广应用。对防火涂料中填料的改进仍然存在较大的困难,这是因为高效的填料价格昂贵,如氮化硼,市场难以接受;有一些填料价格低廉,如海泡石等,但涂料的综合性能并未得到保障,无法进行使
25、用和推广。除此之外,研究机构单位众多,但是研究者的研究方向和市场的需求的方向存在差异,致使研究机构和市场之间存在脱节。因此,现阶段开发既能满足耐火性能,同时也能满足理化性能,还能满足价格需求的填料仍具有挑战性,需要加强研究机构与市场张帆:填料对钢结构防火涂料耐火性能的研究进展30行业视点 INDUSTRY WATCH之间的联系,促进产学研的落地,推动优质填料对防火涂料性能的提高,同时降低产品价格。随着钢结构防火涂料的发展水平日益提高,对防火涂料的防火性能要求也在不断加强,而填料在钢结构防火涂料中的重要作用日益凸显,对其研究也趋于深入。特别是开发新的高效填料,并对填料与基料之间、填料与膨胀体系之
26、间、以及填料与填料之间的协同作用进行更深入的研究和探讨,同时对构建该致密炭层结构提出相应的理论机理或建立相应的模型。其中无机填料的研究最为广泛和深入,如果能在此基础上提出相应的机理或者建立模型对防火涂料有序发展将会起到积极推动作用。与此同时,作为新兴的生物基填料也将受到更多的重视和更加广泛的研究,为提供多元化的防火涂料起到积极的作用,这也将为提高防火涂料综合性能提供了一个重要方向。参考文献1THIRUMAL MARIAPPAN.Recent developments ofintumescent fire protection coatings for structural steelJ.Jou
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36、漆工艺流程(见图 13),开展效果验证检查。结果表明,采用优化后的涂漆工艺流程对 145 个天线涂漆进行验证检查,一次交验合格率100%,天线涂漆表面分界线处无瑕疵,衬套孔位无残漆、残胶以及底盘导电氧化层无划伤,完全满足产品的外观质量要求。8结语采用乐泰 SPOT-ON 阻焊胶及切割成型的耐高温塑料胶带相结合的遮蔽方法对天线进行局部遮蔽,按照天线涂漆优化工艺流程开展涂漆作业,完全满足产品的外观质量要求,具有操作简单、生产效率高以及经济环保的优点,可以为其他产品涂漆表面防护提供一定的参考。参考文献1 刘艳萍.水性 3C1B 一次面漆套色车身涂装质量改进J.上海涂料,2023,61(1):63-6
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