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廣東珠江化工涂料有限公司 技術部副部長 周運吉
0引 言
膨脹型防火涂料因其優良的防火性能，較低的干比重，便捷的施工性能，在室內防火涂料市場受到大家一致的認可，占有較高的市場份額。
膨脹型防火涂料的防火功能主要是通過受熱膨脹失水等環節后形成的碳層來隔熱隔氧，從而減緩基材溫度的持續上升，為建筑物內人員提供寶貴的逃生時間。本文描述了一種新型防火涂料的制備方法，通過將隔熱良好的氣凝膠引入膨脹型防火涂料中，將涂料自身的低導熱性能與受熱膨脹后形成得低導熱碳層有機結合，進一步提升涂層的防火能力。通過設計正交試驗，調節其中的組分和配比，探尋氣凝膠的使用量對防火性能的影響。
1. 概述
1．1氣凝膠因其獨特的物理特性，如超低密度、高孔隙率、高比表面積以及優異的隔熱性能，氣凝膠的導熱系數極低（0.008~0.043 W/(m·K)），這一特性使其在隔熱材料領域具有顯著的優勢。由于氣凝膠內部的納米多孔結構，氣體分子在孔隙中的對流和輻射傳熱受到極大限制，從而實現了卓越的隔熱性能。這種低熱導率的特性，使得氣凝膠在防火涂料中的應用能夠有效阻擋熱量傳遞，提高涂層的防火性能，有助于減緩火勢蔓延和降低基材溫度上升的速度。此外，氣凝膠的高孔隙結構（孔隙率可達80.0%~99.8%）和低表觀密度（0.003~0.35 g/cm3）有助于涂料在膨脹時形成均勻且結構致密的碳層，提高涂料的耐火性能。
1.2膨脹型防火涂料在較高溫度（300℃ - 350℃左右）下，氣源會發生分解反應，釋放出大量的氣體，使涂料迅速膨脹。同時，酸源和碳源的反應同步持續進行，涂料中的有機成分逐漸發生碳化。碳化后的物質與發泡形成的泡沫結構相互結合，形成一個堅固的、多孔的碳質隔熱層。這個碳質隔熱層具有很低的導熱系數，能夠有效地阻止熱量向基材傳遞，從而保護基材在火災條件下不被迅速加熱，實現了在火災條件下的防火保護功能。
1.3試驗
1.3.1材料
原料：乳液 瓦克 ; APP（工業級），達江；PER（工業級）， 湖北宜化；MEL（工業級），金和化工；氣凝膠，市售，纖維素，亞什蘭；分散劑，BASF；消泡劑，BASF；成膜助劑，醇酯十二，陶氏化學；鈦白粉，市售。
1.3.2氣凝膠在膨脹型防火涂料中的應用制備
按照表1的配方，在限定的工藝條件下依次加入相關組分，制成膨脹型防火涂料的測試基礎配方：
表 1 水性膨脹型鋼結構防火涂料基礎實驗配方
Table 1 Basic formulation of waterborne intumescent fire-retardant coating
組分 |
w % |
|||
去離子水 |
23.3 |
22.8 |
22.25 |
21 |
纖維素 |
0.35 |
0.35 |
0.35 |
0.35 |
分散劑 |
1.2 |
1.2 |
1.5 |
2 |
其它助劑 |
0.8 |
0.8 |
0.8 |
0.8 |
成膜助劑 |
1.2 |
1.2 |
1.2 |
1.2 |
鈦白粉 |
6 |
6 |
6 |
6 |
氣凝膠 |
0 |
0.5 |
0.75 |
1.5 |
陶瓷纖維 |
2 |
2 |
2 |
2 |
聚磷酸銨（APP） |
20 |
20 |
20 |
20 |
季戊四醇（PER） |
10 |
10 |
10 |
10 |
三聚氰胺（MEL） |
10 |
10 |
10 |
10 |
乳液 |
25 |
25 |
25 |
25 |
分別取一定量的半成品，分別加入0.5%、0.75%、1.5%、5%的氣凝膠產品，已2000轉每分的轉速分散5分鐘，制成不同氣凝膠含量的防火涂料產品。
1.3.2樣板的制備
樣板的制備及主要性能測試方法按照 GB 14907-2018 鋼結構防火涂料標準。
1.3.3樣版耐火性的評測
采用酒精噴燈作為熱源，試件馬口鐵尺寸150mm*150mm,厚度1mm，涂層厚度2mm。背面將熱電偶緊貼測試基面，外用防火棉進行保護，已避免火焰對其測試形成干擾。通過檢測試樣溫度和試樣時間，背面溫度達到540℃的時間即為防火涂料的耐火極限。
2、試驗結果與討論
2.1氣凝膠的添加對碳層致密性的影響
當氣凝膠添加量適中時，在防火涂料涂層中建立穩固的低導熱體系，有效延緩熱量的傳導速率。同期在受熱膨脹時，能夠較好地填充到碳層的孔隙中，優化碳層的孔隙結構。氣凝膠的納米多孔結構可以與碳層相互交織，使原本較大的孔隙被分割成更小的孔隙，從而提高碳層的致密，形成一個穩定的整體結構，提高防火涂料的隔熱效果和耐火性能。過低的氣凝膠添加量起不到應有的作用，過多的添加，會破壞膨脹型防火涂料碳層的形成，造成碳層機械強度下降，影響產品的整體防火防護性能。
2.2氣凝膠的添加對碳層抗壓性及耐火極限的影響
氣凝膠本身具有多孔結構和低熱膨脹系數的特性。其均勻分散在膨脹防火涂料體系中，與涂料中的其他成分相互作用良好，為碳層提供更多的支撐點和連接點，使碳層的結構更加緊密和堅固。在受到外部壓力時，氣凝膠能夠分散壓力，減少應力集中，從而提高碳層的抗壓能力。同時，氣凝膠的低熱導率可以降低碳層在高溫下的熱應力，進一步增強其抗壓性。同時氣凝膠的低熱傳導性能，它可以在一定程度上限制涂料在受熱時的熱傳導速率，使涂料整體的膨脹時間延長，從而延長耐火極限。
氣凝膠在防火涂料中的添加量需要精心調整，以達到最佳的防火效果。從表二實驗數據顯示，當氣凝膠的添加量為涂料總重量的0.75%時，可以獲得最佳的隔熱效果。過低的添加量無法充分發揮氣凝膠的隔熱性能，而過高的添加量則可能導致涂層的完整性能下降，亦導致耐火時間相應降低。因此，氣凝膠用量在0.5-1.0%時，氣凝膠的自身隔熱效應及膨脹防火涂料協同效益發揮較為充分，耐火時間較未使用氣凝膠的產品提升20%以上，可以達到120min以上。
3、結語
（1）優化發泡效果：氣凝膠的特殊結構可以為膨脹型防火涂料的發泡過程提供更多的成核位點，能夠增強膨脹型防火涂料在高溫下形成的碳質層的強度和穩定性，使其不易破裂和坍塌，使涂料在受熱時能夠更加均勻、充分地發泡，形成更加致密、均勻的蜂窩狀或海綿狀碳質泡沫層。
（2）增強隔熱效果：氣凝膠具有極高的孔隙率和納米級孔洞結構，這使其成為一種極為高效的隔熱材料。，能夠顯著提高涂料的隔熱性能，可有效阻擋熱量的傳遞，延緩防火涂料內部及鋼結構等基材的升溫速度。在0.5-1%的添加量范圍內對碳層的影響趨正面，提高耐火極限。從而保持良好的防火隔熱效果，延長耐火極限。較未添加氣凝膠的產品防火時間延長20%以上，可以實現膨脹型防火涂料120min的最高耐火時間要求。
（3）氣凝膠作為新興的優良隔熱材料，在膨脹型防火涂料中的應用得到試驗驗證及部分實現工業化生產。但由于市售氣凝膠產品質量存在差異，價格依然偏高，對氣凝膠產品在膨脹型防火涂料中的正式應用帶來一定的不利影響。使用氣凝膠制備膨脹型防火涂料對提高膨脹型防火涂料的實際耐火性能及能否大面積商業化應用有待進一步研究。
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