钢结构耐火性能差存隐患，防火涂料在火灾中作用几何？

涂料工业：

引 言

社会文明不断向前发展，钢结构凭借其高承压能力、低自重、建设方便等特性，在当代建筑行业发挥着关键作用。不过，钢结构在火灾中的耐热能力相对薄弱，潜藏着安全风险。钢材在高温条件下会快速升温，使其力学性能减弱。一旦温度超出某个界限，钢结构的支撑能力会急剧削弱，很容易造成结构失去稳定性和完整性。钢结构在火灾中，一旦温度达到450到650摄氏度，便可能失去支撑功能，进而导致建筑结构坍毁，严重危及公众的人身及财产安全。确保钢结构安全极为关键，防火涂料在火灾防控中作用显著。这种涂料能构成隔热保护层，有效减缓钢结构温度的升高，从而提升其耐热性能。火灾来临时，这种特殊涂层会膨胀、碳化，在钢结构外部形成隔热层，阻挡高温向内渗透，既保护了钢结构的稳固，又极大降低了火灾对建筑造成的损害，从而降低人员伤亡和财产损失的风险。这种涂料是保障建筑安全的关键措施，对于维护社会秩序和促进经济繁荣具有重要作用。

钢结构防火涂料的分类和防火机理

防火涂料大致可以分成三种类型，分别是厚涂式、薄涂式和超薄式。厚涂式涂料主要采用无机绝热成分构成，其涂层厚度通常在25毫米上下，遇到火源不会发生膨胀，有时也被称作非膨胀式防火材料。薄涂式涂料的涂层厚度介于3到7毫米之间。而超薄式涂料的涂层更加纤薄，其厚度一般低于3毫米。薄涂式与超薄式防火涂料，一遇火源受热便会快速膨胀，能发挥隔热防火的效果，这种涂料也被称作膨胀性防火涂料。当下，人们对于防火涂料的防火机理，看法较为一致。

这种防火涂料的涂层本身隔热效果就很出色，依靠物理隔热来降低热量传递到基材的速度，从而实现防火；此外，当温度升高时，涂料中的某些成分会受热挥发或分解，以此吸收火灾产生的热量。而膨胀型防火涂料，大家普遍知道，在高温条件下，其涂层中的基料乳液、膨胀阻燃体系以及填料会经历一连串化学变化。这些化学反应能够吸收热量，减缓基材表面的温度上升速度，并且会散发出水汽、氨气等非易燃性气体，减少基材附近空气中的氧气含量，以此作用来减弱火势的蔓延。更为关键的是，涂层里的膨胀防火配方在高温时会快速发泡并膨胀，构成具备极低导热系数［0.08 ~ 0.15 W/（m·k）］的泡沫状致密膨胀碳层，这样能够减慢热量传递到基材的速度，增强材料的耐高温性能。一般情况下，非发泡型涂层主要采用高密度无机成分，例如硅酸盐、蛭石，依靠物理隔热原理，能够获得耐火极限超过三小时的出色表现，不过它的涂层比较厚，造成表面不够光滑且染色困难，涂装需要多次进行并使用专门工具，耗时较长；而发泡型涂层以发泡阻燃体系为基础，其涂层本身很薄，遇到高温时会快速膨胀，形成五十倍厚度的紧密发泡炭层，因而具备优良的隔热功能，同时具有外观装饰佳和施工方便的优点。

但膨胀型涂料在长期紫外线或湿热等环境下容易产生粉化或剥离问题，其耐候性通常较差。在实际工业应用中，一般会依据具体的使用环境，挑选更加合适的防火涂料种类。目前，非膨胀型防火涂料依然是建筑和工业防火的重要防火材料，主导着钢结构防火涂料的市场。超高层建筑、异形钢结构及装配式建筑不断涌现，促使防火涂料的功能要求不再局限于单一防火能力，而是朝着多种功能融合的方向转变，需要同时满足美观、安装方便等要求，这也促进了膨胀型防火涂料行业的快速进步。然而，膨胀型涂料在严苛环境下的表现仍有不足之处，克服这些局限将是该行业未来发展的关键方向。

膨胀型结构防火涂料的发展现状

防火涂层的防火能力是衡量其优劣的首要标准，而热传导率是决定涂层防火能力的关键因素。低热导率能够有效阻挡热量传递，从而提升防火性能。此外，膨化层的结构稳固性及其与基材的结合力也直接影响涂层的耐火程度。如果结构稳固性不够或结合力不足，在火灾高温环境下，膨化层容易脱落或损坏，进而降低耐火性能。成膜材料的物理化学特性，膨胀阻燃剂体系的组分和比例，以及它们在高温时热分解和进行交联作用的快慢，一起影响着致密膨胀炭层的厚度和坚固程度。防火涂料的耐烧性能，要看膨胀炭层的细部构造和耐热能力，其中多孔构造的密实程度、炭层的均一性，还有在高温时抵抗掉落或开裂的性能，是最关键的决定因素。膨胀型防火涂料中各种成分彼此配合、互相促进，整体上增强了基材的耐火能力。

2.1 成膜物质

膨胀型防火涂料的关键成分是成膜物质，它能在钢结构上构成一个完整且紧密的防护层，并且要保证这个层在高温时依然稳固且能牢牢附着。作为涂料的基础材料，成膜物质必须同时符合涂料在常温状态下的要求和它在高温环境中的表现。具体而言，在常温状态下，构成涂层的材料必须展现出卓越的成膜能力，同时还要具备良好的抗环境侵蚀性能和适度的力学性能，确保涂料在施工及使用过程中能够牢固地附着在基材上，不会出现脱落或开裂现象；此外，在火灾情况下，该材料仍需维持一定的高温粘附特性，并且更关键的是要能够与膨胀阻燃材料相互配合，共同构建稳定的多孔炭化结构，从而有效阻断热量的传递路径。成膜物质介入了碳化过程，它的熔化点与热分解温度必须和酸源的热分解活动相吻合，如此才能形成分布均匀、结构致密且抗压能力强的膨胀性碳层，同时减少挥发性有机化合物，这也是选择防火涂料成膜材料时必须重视的一个方面。

当前通行的成膜材料涵盖了丙烯酸树脂、环氧树脂、聚氨酯以及硅丙乳液等种类。丙烯酸树脂因为抗紫外线老化的效果显著，所以大量应用于户外钢结构防火涂料的制作。环氧树脂则依靠其黏附力强（至少达到5兆帕）且耐受化学性腐蚀，因此适合在化工厂这类高风险场所使用。不过，单一树脂材料通常难以同时满足低温与高温环境下的性能要求，例如聚氨酯材料虽然弹性好，但耐热性差，而硅丙乳液虽然抗热能力强，但价格昂贵。近些年，针对膨胀型防火涂料的生产，重点在于改善成膜材料的特性，通过功能化处理和多种材料结合的方式，来提升整体性能，以克服现有的局限。运用聚丙烯酸与环氧树脂的复合工艺，发挥聚丙烯酸的抗老化特质和环氧树脂的强附着能力，能让涂层在六百度时留下的碳残留量达到四十个百分点以上，并且有助于大幅减少挥发性有机化合物的释出量，将经过改造的木质素、纤维素这类天然高分子材料加入构成薄膜的配方中，也是开拓全新薄膜配方的关键途径。

木质素磺酸盐同丙烯酸进行接枝共聚，能够使碳排放量降低三成，同时于高温环境中有助于实现均匀的碳化过程，生成的碳层其孔隙度可以降至百分之十五以下。现阶段，成膜材料在高温下的附着力，是制约膨胀型防火涂料耐火性能的主要因素之一。许多树脂一旦超过四百度就会发生热解反应，从而造成涂层与钢材基材之间出现分离现象，致使耐火极限急剧下滑。研制出耐热性强的涂膜配方始终是此行业的关键攻关课题，当前市面上不少以溶剂为基础的树脂材料里混有卤素元素，遇火会喷发出剧毒烟气，对于火灾现场的环境破坏和人身安全构成严重隐患，因此构建新型防火涂料的膜层构造时，必须将此问题纳入重点考量范围

2.2 膨胀阻燃体系

膨胀型防火涂料的中心构成部分是膨胀阻燃体系，该体系借助多种组分的相互配合，于高温条件下生成隔热膨胀的炭质层，从而减缓热量对钢基材的侵蚀。早在二十世纪七十至八十年代，脱水催化剂与成炭剂便作为首批阻燃体系，被引入到膨胀型防火涂料之中。科研工作持续开展，相关人员将它同发泡剂实行了有效融合，明显提高了防火涂层的耐热程度，切实推动了该类产品的快速进步。现阶段，膨胀阻燃体系关键由脱水催化剂、成炭剂以及发泡剂这三个主要成分构成。在酷热燃烧情境下，不同成分借助逐步配合方式达成防火功能增强效果：吸水物质先行帮助主体材料脱去水分并转化为炭，增碳物质接着相互连接构成立体碳质构造，与此同时，起泡物质遇热后分解出无活性气体，促使炭体膨胀变成含有闭孔的紧密泡沫状炭层。这种膨胀炭层具有出色的隔热效果,导热率很低,并且耐高温氧化,能够有效阻断热量流动,阻止氧气渗透,并且减缓可燃物分解,因此能为底层材料提供持续的保护层。这种由多种成分共同作用实现的阻燃方式,现在已经成为高分子材料防火技术的重要发展方向。

脱水催化剂是膨胀型阻燃配方中不可或缺的成分之一。 高温条件下，该催化剂可以促进涂层快速分解，推动成炭材料进行脱去水分的反应，由此生成稳固的具有孔隙的炭化层，从而显著降低有毒化合物的散逸，减轻火灾带来的风险。由于含有卤素的阻燃剂存在危害性，它们正逐步被废弃，而磷酸盐类物质及其相关化合物则开始占据主导地位。并且磷酸盐具备优良的水溶性，同时热稳定性也很强，比如聚磷酸铵是一种热稳定性好，而且热解时不会生成腐蚀性气体的磷铵类混合物，它还是目前应用最广泛的无卤阻燃剂，但是这类含磷类脱水催化剂对环境造成的影响，例如引起水体富营养化等，正逐渐引起大家的重视。

发泡剂属于一种特殊物质，能够帮助建筑物抵御火灾的破坏。当火灾发生，发泡剂会释放出HCl、NH3等成分，从而降低建筑物内部的温度。同时，它还能促进脱水催化剂的形成，最终形成一层隔热效果很好的膨胀炭层，为建筑物提供保护。不过，发泡剂的实际作用会受到温度的影响。温度太低时，发泡剂会先释放部分气体，妨碍完整多孔炭层的生成；温度太高时，则会损害既有碳层，削弱整体防火效果。因此，挑选适合基料的发泡剂，是确保涂料防火能力的重要条件之一。

成炭材料是构成膨胀体中碳质骨架的关键成分，在高温条件下，它与脱水物质、发泡物质相互配合，成炭材料借助脱水促进剂的效用，实施脱水并碳化，从而形成具有孔隙的碳状构造，此构造有助于提升结构稳固性，并且能够减缓热量的散播，同时，某些成炭材料还能降低有毒气体的散发量。成炭剂是膨胀型炭层的骨架，其多孔碳层的形成受到多种因素共同影响，包括羟基和碳的比例，热分解的行为，以及交联的速度。这些因素决定了炭层的隔绝效果和耐热程度。工业上，为了制备理想的炭层，人们倾向于选用那些反应较慢、含炭量高，并且分解温度与脱水剂、发泡剂相匹配的材料作为成炭剂。

现阶段，关于由脱水催化剂、成炭剂和发泡剂构成的阻燃膨胀体系的研究与运用已相当完善，其内部各成分间的协同阻燃作用研究已获得明显成效，在钢结构防火涂料方面已实现大规模生产。不过，这种体系在遭遇剧烈温度骤变时，仍然存在炭质层结构不够致密、膨胀性能下降等缺陷，这直接限制了耐火性能的增强。针对这一问题，科研人员当前致力于调整三种成分的混合比例，提升界面间的协调性，并探索添加剂的改进工艺，借助建立渐变热解构造，添加催化形成炭层的辅助材料等新颖途径，克服了常规体系在热稳定性和力学性能方面的局限，这构成了提升防火涂料耐热程度与持久使用功能的核心研究课题。

2.3 无机填料

无机填料是防火涂料的关键组分，使用这类物质能大幅改善涂料的防火能力。相关研究指出，在防火涂料里适当掺入无机填料，能明显加强发泡层的防火特性和密实程度。这类填料种类繁多，例如氢氧化铝、二氧化钛、锡酸锌等，它们常被用来提升防火材料的各项物理化学指标。此外，蒙脱土、水滑石、蛭石以及膨胀石墨等，都具备增强材料阻燃性能的功能，同时也能提高材料的耐热水平。

氢氧化铝具有出色的耐火特质，成本不高，是防火涂料中应用最广的无机填充物之一，也是最早被研究的一种。在高温环境下，它能借助热分解过程吸收众多热量，从而有效阻止火势扩展。此外，它还能与膨胀炭层相互融合，形成一道防火屏障，以此成功抵挡火焰和高温的侵袭。二氧化钛和膨胀石墨这类填充料，能够增强膨胀炭层的韧性，同时它们也拥有很好的着色能力，能够让涂层颜色更加鲜明，因此经常被用在装饰性防火涂料制作中。如果在阻燃涂料里面加入硼酸盐类型的改良剂，就能大幅改善膨胀炭层的构造和质量。硼酸有助于加强炭层的物理韧性，因为它能促进交联反应的发生，同时它还能和磷酸酯类的脱水促进剂配合使用，二者联合作用能够加快炭层形成的过程，进而使防火层在高温下更加稳固。选择无机填料时，要考虑阻燃性能、与基材的契合程度以及工艺的相容性，从多个角度进行整体评估，需要仔细分析填料的颗粒大小分布情况，关注其表面处理的效果，以及填料和基体树脂之间结合的紧密程度，以此保证能够挑选出最合适的填料种类，进而搭建出性能优良的膨胀阻燃系统。

2.4 其他化学助剂

化学添加剂虽然用量不多，却至关重要，能显著改善防火涂料的状况和效果。制作和涂抹防火涂料时，常常会出现气泡，这会损害涂料的品质。为了减少气泡带来的麻烦，可以加入强力去泡剂，用来阻止或减弱这种不良现象，保证涂层牢固且具备防火能力。提升涂料的粘稠度，常会添加专用增稠剂，能够增强其稳定程度、粘附效果和持久性能。科技持续发展，纳米材料逐渐成为热门的跨领域研究方向。纳米材料阻燃聚合物作为交叉学科的新兴领域，在过去二十年时间里在材料科学领域快速成长为研究重点。科学实验证实，当层状硅酸盐纳米体置入高分子材料之中，凭借纳米级别分散现象及物理阻隔效果，能够大幅减缓材料在受热分解时质量传递和能量传递的速度，由此提升材料的抗变形能力与防火效果。

膨胀型钢结构防火涂料的发展趋势

钢结构建筑建设速度加快，市场对防火涂料耐火效果标准提高，研制更优防火材料成为建筑行业重要攻关方向，这类涂料能增强建筑防火能力，其进步受环保法规、材料革新及智能科技共同推动，未来十年该类型防火涂料市场将出现这些主要走向：

绿色化材料的深度开发，以及可持续性材料的探索，正随着全球“双碳”目标的实施而加速，相关环保法规对涂料中挥发性有机物和有毒阻燃剂的管控也愈发严格。与溶剂型防火涂料相比，采用水作为溶剂或稀释剂的水性膨胀型防火涂料，凭借其环保特性、低挥发性排放等优势，在防火涂料行业展现出巨大的发展潜力。在膨胀型防火配方中，原先使用的含磷类防火材料，由于可能引发水域生态问题，正逐渐被无卤素及可再生的替代品所取代，这种转变反映了行业对环境影响的重视，未来的建筑防火涂膜，既要能确保结构安全，也要满足绿色环保的指标，才能满足当代建筑在环保与安全方面的双重目标要求，

纳米技术为复合材料性能带来革新，纳米材料是跨学科新兴材料研究领域的核心构成，与膨胀型阻燃体系结合的设计，是增强防火涂料性能的重要方法，这种复合化策略已成为行业关注的焦点。精确控制纳米复合材料的界面性质和热稳定性，能够大幅提高阻燃材料的高温粘接力，同时增强炭化层的致密程度，由此可以延长涂层的耐热时长，这一技术路径当前是建筑防火材料行业的关键研发课题。

高效施工技术与规范化管理，是膨胀型防火涂料区别于传统非膨胀型涂料的重要特征，其铺设方便且耗时较少是其核心长处。不过，这类涂料具有薄层涂抹的特点，因此对施工的精确度标准要求更高，涂层的厚度是否一致，直接关系到附着牢固程度，并深刻影响材料的防火效果传统手工喷涂存在效率不高、涂层厚度分布不均的情况，可以通过采用智能设备加以改善，让设备根据钢结构的具体形状自动设计喷涂路线，以此提高作业效率并减少涂层厚度的偏差。此外，针对新型防火涂料，需要研发与之相适应的喷涂方法或工艺，目的是为了在特殊场合或恶劣环境下能够顺利实施喷涂作业，这也是防火涂料行业未来需要探索的一个重要方向。

结 语

当前，工业化和城市化步伐显著加快，钢结构在生产活动与日常生活中扮演着关键角色。伴随众多钢结构建筑的出现，防火涂料产业随之兴盛。近些年，钢结构防火涂料经过持续改进，产生了适用于不同环境的多种类型产品。其中，发泡式防火涂料是其中的突出范例，属于当前防火涂料产业的核心发展方向。随着探究持续进行，发泡型隔热涂料的隔热原理逐渐清晰。成膜物，发泡阻燃体系，以及非金属填充物是发泡型隔热涂料的关键构成，也是发泡型隔热涂料的核心研究内容。

总之，钢结构防火涂料的进步既要注重防火作用，也要考虑环境友好，重点研制无卤素、生物来源的防火材料，利用多学科交叉的新材料优势。另外，施工的方便程度和费用控制，也成了行业发展的必然趋势。研制出性能优越的膨胀型钢结构防火涂料，既是科研的重点，也是行业人员急需解决的难题。