常用填料对防火涂料性能的影响

摘要：叙述了无机填料在防火涂料中的作用。选取了五种常用的填料（碳酸钙、硅灰石、高岭土、氢氧化铝、滑石粉）进行对比，分别考察了不同填料对防火涂料的隔热效果、炭层质量、膨胀高度的影响。实验表明，硅灰石与氢氧化铝的效果最好，空心微珠的加入会明显增强炭层的强度。

关键词：超薄型防火涂料；钢结构；水性；填料

0 前 言

近年来钢结构在各种大型工程中得到了广泛应用。然而，钢材在高温火焰的直接灼烧下，会很快失去承载能力，将对整个建筑物造成灾难性的后果。因此，钢结构的防火保护问题受到了重视。防火涂料按涂膜厚度分为厚涂型、薄涂型和超薄型三种，其中水性超薄型防火涂料成为研究的热点。

在研究中发现，除了阻燃剂及乳液对防火涂料性能的影响比较大外，填料的影响同样是非常重要的。在普通涂料中，填料通常起降低成本、改善涂料理化性能的作用，而在防火涂料中，又兼具了阻燃的作用。由于每种填料的组成成分、形态、物理性质等的差异，导致在防火涂料中发挥的作用也各不相同。本试验旨在比较几种常用的填料对防火隔热效果的影响。

1 实验部分

1.1 原材料及配方（见表 1 ）

1.2 防火性能检测

1.2.1 火焰源

参考标准《钢结构防火涂料》 GB14907-2002 中的指标。本实验采用自制煤气喷灯燃烧法检测涂料的防火性能（该喷灯火焰温度可达 900 ～ 1 000 ℃ ）。

1.2.2 试验样板制作

在 18 cm × 25 cm 钢板的一侧涂有 2 mm 厚的涂层，室温放置 7 d ，至涂层实干。

1.2.3 耐火试验

使涂层面朝下将实验样板置于喷灯上方 10 cm 处。将测温仪的热电偶与钢板背面接触，记录温度仪显示的温度，用秒表记录耐火时间。

表 1 原材料及参考配方

2 结果与讨论

2.1 选取填料的标准

隔热效果好的膨胀型防火涂料的炭层应该具有以下特点 : 

(1) 炭层应具有一定高度，使火焰与钢材之间产生一定的距离；

(2) 炭层中间为均匀、密实、蜂窝状的骨架结构，这种结构可以延缓热传导的速度；

(3) 炭层表面需有一定强度，防止火焰将其吹垮。

2.2 单一填料对防火性能的影响

在乳液量、助剂量、水量、阻燃助剂量、待考察填料用量及加料顺序均相同的条件下分别考察了碳酸钙、高岭土、滑石粉、硅灰石和氢氧化铝不同填料对防火性能的影响。对比实验中主要组分用量见表 2 。

表 2 不同填料的对比实验

表 3 不同填料对耐火实验的影响

按照表 2 以不同填料进行五组实验，分别制板，进行煤气喷灯燃烧法实验，以板背面温度达到 200 ℃ 为测试终点，实验结果见表 3 。

从表 3 可知，加入碳酸钙的涂料虽然膨胀高度较高，增加了火焰与钢板的距离，但由于中间为大泡状，而不是均匀致密的蜂窝状炭层，隔热效果并不好，耐火时间短 , 所以配方中不宜采用碳酸钙；滑石粉炭层的膨胀高度虽然比碳酸钙的低，但是滑石粉炭层的质量比碳酸钙的好，含滑石粉的涂层耐火时间优于碳酸钙，说明炭层质量的好坏比膨胀高度更重要。

将表 3 中炭层质量情况相同的高岭土、滑石粉、硅灰石进行比较。膨胀高度最高的为硅灰石，其次是高岭土，滑石粉最低。耐火时间的次序是硅灰石 > 高岭土 > 滑石粉。由此可以看出，耐火时间的好坏顺序同膨胀高度的顺序相同，这就说明在炭层质量达到标准的情况下（即炭层中间为密实蜂窝状）时，膨胀的高度越高，防火隔热的效果越好。当然，炭层也不能过高，否则会导致炭层与钢板脱离，起不到防火的作用。

由表 3 可见，含氢氧化铝涂层的发烟量最少，虽然加入氢氧化铝后炭层的膨胀高度并不很高，但其耐火时间却非常好。此结果与文献 [1] 相一致，即烟少，吸热量大，耐火效果好。氢氧化铝是非常好的耐火阻燃添加剂。

综上所述，在上述所考察的五种无机填料中，硅灰石与氢氧化铝的效果最好，高岭土、滑石粉次之，而碳酸钙效果最差。笔者认为碳酸钙不适宜应用到防火涂料中。

表 4 正交实验因素水平表

表 5 正交实验结果

2.3 混合填料对防火性能的影响

将表 3 中耐火效果较好的硅灰石、氢氧化铝结合在一起进行实验，使其发挥各自的优势。保持其余原料的比例不变， 只改变硅灰石、氢氧化铝的用量，采用 L 4 （ 2 2 ）正交法优化配方。正交实验因素水平及结果见表 4 、表 5 。

由表 5 烟量的多少可以看出氢氧化铝对耐火时间的影响较大，硅灰石对耐火时间的影响很小。实验 6 与实验 8 中，氢氧化铝均为 5 g ，烟量均较多，而实验 7 与实验 9 中，氢氧化铝均为 2 g ，烟量均较少。说明氢氧化铝虽有抑烟作用，但如果加多了不仅不抑烟，还产生烟，同时还影响炭层膨胀高度，导致隔热效果不好。由表 5 可见，实验 9 的耐火效果最好，不但耐火时间长而且烟量少，说明硅灰石 5 g ，氢氧化铝 2 g 的搭配比例是最佳的。

2.4 提高炭层强度的方法

由于防火涂料中加入了大量的有机阻燃助剂，在高温作用下，有机物分解成为气体排出，使中间形成了许多微小的孔洞，造成炭层较软，强度不够。为了提高炭层强度，提高其抗气体冲刷能力，避免出现炭层被火焰冲破或炭层脱落等现象，通常可采取两种方法 : ①增加无机填料的用量（如高岭土、滑石粉、硅灰石等）；②加入空心微珠、玻璃纤维、石棉纤维等 [2] 。但是炭层的高度是随无机填料用量的增加而降低的，这就会影响到防火隔热的效果，所以方法①不宜采用。本实验采用方法②，加入空心微珠。即在实验 9 的基础上，多加入 4 g 空心微珠，配方见表 6 ，测试结果见表 7 。

表 6 提高炭层强度的对比实验配方 /g

表 7 空心微珠的对比实验结果

由表 7 可见，空心微珠的加入不但没有影响炭层的质量和耐火时间，反而使炭层的强度有了明显的提高，这样火焰就不会轻易将炭层吹塌。外另，从表 7 中还可以看出，空心微珠的加入使耐火时间有了明显的增加，笔者认为，可能是因为空心微珠本身就是多孔的结构，这种特殊的结构使每一粒空心微珠都 成为一个隔热体。众多的空心微珠在一起，就形成了一个密实的蜂窝状骨架。同膨胀后的炭层骨架的作用相同。 

综上所述，实验 10 的配方为最佳的防火涂料配方，其综合性能（烟量、炭层强度、炭层质量、耐火 时间）均较优异。

3 实验举例及与国内外产品比较

按上述讨论所得最佳配方制得防火涂料，按国家标准 GB14907-2002 《钢结构防火涂料》进行性能检测，并与国内外产品进行比较，结果见表 8 、表 9 。

表 8 本实验产品检测结果

表 9 本实验产品与国内外水性防火涂料产品比较结果

由表 8 、表 9 可见，实验 10 的配方产品在性能上已达到了国家标准 GB14907-2002 《钢结构防火涂料》的指标。在耐火隔热效果上已经达到了国外同类产品的性能，优于国内某产品的性能指标。

4 结 语

(1) 在防火涂料中，填料的作用是同样重要的，虽然填料在整个防火涂料中所占的比例不大，但对防火涂料的性能具有重要影响。 (2) 我们选用硅灰石、氢氧化铝、空心微珠为防火涂料的填料，在配方中各组分分别为 5g ， 2g ， 4g 。其中硅灰石起骨架的作用，氢氧化铝起抑烟、降温的作用，空心微珠起增强炭层强度的作用。 (3) 高岭土、滑石粉的作用同于硅灰石，但性能却不及硅灰石。而碳酸钙不适宜应用到防火涂料中。 (4) 充分利用填料价格低廉的优势，配合其它阻燃助剂，可以制备出性能优异的防火涂料。