引 言

钢结构自重较轻，且施工简便，广泛应用于大型厂房、场馆、超高层的领域。钢结构在150℃以下时依然可以保持原先的性能，但当温度达到300~400℃时，其强度和弹性模量有显著下降。当温度到达600℃ 时，钢结构的强度趋近于零。例如在著名的911恐怖袭击事件中，飞机撞击世贸大楼时大量的燃油泄漏在大楼内部，造成内部的剧烈高温，使得大楼的钢结构不堪重负，最终整座大楼倒塌。因此，为了将钢结构的耐火极限提高到设计规范范围内，需要对钢结构采取防火保护措施。现有技术中，在钢结构上覆盖一层防火涂料是一种性价比极高的手段。

目前针对室内钢结构常用的防火涂料为膨胀型防火涂料，其基本原理是：（1）本身难燃或不燃，涂层在受热后，经过熔化和膨胀等物理过程，以及炭化剂炭化等化学反应吸收大量热量，从而减缓基材的受热升温过程；（2）受热分解出的不燃气体，可以稀释基材附近的氧气和可燃性气体，抑制燃烧；（3）遇热释放活性自由基，与有机自由基结合后减缓或终止燃烧反应链；（4）膨胀后的涂层可以形成隔热隔氧的炭层，从而阻止基材着火燃烧。

目前流通的防火涂料可能会存在一个问题，即释放出有毒的烟气。据统计，火灾中约有85%的死亡是烟气造成的，其中大部分是吸入了烟尘及有毒气体后昏迷致死。解决这个问题的主要方法就是添加抑烟剂。抑烟剂的作用机制分为两种：（1）钼化合物如MoO3，可以通过lewis酸机理催化树脂脱水、炭化，使可燃烧物减少；（2）部分氢氧化物受热分解时脱水，这部分水分在蒸发时吸收大量热量，减缓燃烧程度，同时形成具有lewis酸性的氧化物，可以对树脂起到炭化作用。

而在添加抑烟剂的防火涂料中，常见由于未全面考虑抑烟剂与填料的协同作用，导致防火涂料的防火性能下降，同时涂层耐候性差，一年甚至数月内开裂脱落，或在湿热环境下变色发黄等。本文描述了一种新型防火涂料的制备方法，通过设计正交试验，调节其中的组分和配比，探寻在保证防火性能和抑烟性能的前提下，机械性能达标的组成。

1.实验

本实验主要研究不同原料或同原料不同添加量，对于防火涂料的耐火极限和发烟情况的影响。

按GB 14907-2018《钢结构防火涂料》在打磨好的工字钢上先涂一层底漆，厚度为2mm，之后将本研究研制的防火涂料每次涂刷2mm左右，待前一道漆干燥后再涂刷后一道，直到厚度达到3.7mm为止。其中用于理化性能测试的样品养护10d，用于耐火性能测试的样品养护60d。

2结果与讨论

2.1 钛白粉和碳酸钙用量对涂料耐候性能的影响

钛白粉/碳酸钙的用量对于涂料耐水性，耐冻融稳定性和耐湿热性的测试结果如下表所示。测试结果标准对应于14907-2018《钢结构防火涂料》中的要求。从试验结果来看，钛白粉和碳酸钙用量的比例均可满足对涂料耐水性、耐冻融稳定性和耐湿热性的需求。限于试验条件，无法测出耐候性的极限。

钛白粉/碳酸钙用量配比对涂料耐候性的影响

2.2 碳源的选择对耐火极限的影响

在P-N-C阻燃助剂体系中，聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇的配比和总占比对于防火涂料性能的影响很大。聚磷酸铵受热后会放出无机酸，在P-N-C防火体系中起脱水炭化剂的功能；三聚氰胺受热会分解产生氨气等不可燃气体，起到发泡剂的作用；季戊四醇在经脱水剂的作用则会发生炭化，膨胀后形成隔热、隔氧层。因此，当P-N-C阻燃助剂的用量提升时，理论上是会提升防火涂料的耐火极限的。但是考虑到P-N-C体系助剂的添加量过高会影响到涂料的理化性能，同时P-N-C体系助剂成本较高，因此其添加量只需满足使用需求即可，实际控制在占总防火涂料质量分数的33%~40%。

在本试验中，控制聚磷酸铵的用量在17%~19%，三聚氰胺和季戊四醇的用量均为7%~9%，控制其中两种物质的用量，改变第3种物质的用量，测试涂料的耐火极限。以此进行正交试验，其结果见下表。可以看出在本防火涂料体系中，聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇的用量分别在19%，8%，9%时涂料的耐火极限最高。

阻燃助剂的用量对防火性能的影响

2.3 抑烟剂用量对烟气生成量的影响

本涂料中采用的阻燃剂是三氧化二锑-氧化锌。根据标准GB/T 8627-2007《建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法》分别测定4个样品在240s的烟释放效率，其结果见图1。其中对比样中未添加抑烟填料，试样1~3中氧化锌的添加量均为0.7%，三氧化二锑的添加量分别为0.3%，0.4%，0.5%。

可以看到对比样中存在两个峰，其中第一个峰是P-N-C体系阻燃助剂遇热作用时产生的烟气；第二个峰则是树脂燃烧时产生的烟气。而添加了抑烟剂的试样1~3中不存在第一个峰，这说明三氧化二锑-氧化锌对于P-N-C体系产生的烟气有着抑制的作用。同时试样1~3中第二个峰，即树脂燃烧产烟的能力也是逐渐变弱，这说明这种抑烟填料对于防火涂料的抑烟效果是全面的，同时与三氧化二锑的添加量有关。

添加不同量抑烟填料后防火涂料的烟密度

结 语

采用P-N-C防火阻燃体系和抑烟填料的防火涂料，防火助剂占比越高，耐火极限也越高，但是考虑到实际涂刷后对于漆膜机械性能的要求和涂料成本，这种助剂的占比并不是越高越好，聚磷酸铵，三聚氰胺，季戊四醇的用量占比最佳值为19%，8%，9%。同时三氧化二锑和氧化锌作为本涂料的抑烟组分可以抑制P-N-C阻燃体系的阻燃助剂发生作用和树脂燃烧时的发烟。同时在本试验中，这些添加量的阻燃助剂和抑烟填料并没有对防火涂料的理化性能造成负面影响。