要形成高效防火隔熱炭化層，
鋼結構膨脹型防火
涂料中有機樹脂的熔融溫度、發泡劑的分解溫度及泡沫炭化的溫度必須配合恰當。當涂層受熱時，首先是成膜物軟化熔融，引起整個涂層軟化、塑化，此時發泡劑達到分解溫度，釋放出非燃性氣體，使涂層膨脹成泡沫層，同時成炭催化劑分解生成磷酸、聚磷酸，呈熔融的黏稠體作用于泡沫層，使涂層中的含羥基有機物發生脫水成炭反應。當泡沫達到最大體積時，泡沫凝固炭化，使生成的多孔海綿狀炭化層定形，泡沫的發泡效率取決于組分之間反應速度的協調配合。
1.
鋼結構膨脹型防火涂料組分的選擇
1.1成膜物的選擇
成膜物對膨脹型防火涂料的性能有重大影響，有時對涂料體系膨脹與否起決定性作用。它與其它組分配用，既保證了涂層在正常工作條件下具有普通涂料的各種性能，又能在火焰或高溫下使涂層具有難燃性和優異的膨脹效果。
（1）氨基樹脂、氯化聚乙烯、過氯乙烯、高氯化聚乙烯、氯化橡膠涂膜附著力較好，發泡快但不均勻，發泡持續時間較短，泡沫層松軟較致密，炭化較徹底，炭化物較多，炭化層厚度最高而炭化層硬度差，在強火焰和氣流下容易被燒穿或吹落。這幾種成膜物制成的防火涂料不適用鋼結構耐火極限大于30min的場合，適用于飾面型防火涂料。
（2）醇酸樹脂、聚氨酯樹脂、酚醛樹脂涂膜附著力較好，發泡較慢也不均勻，發泡持續時間短，泡沫層不致密，炭化不徹底，炭化物較少，炭化層厚度最低但硬度好。這幾種成膜物制成的防火涂料發泡倍數不夠，防火隔熱效果較差，也不適合做超薄型鋼結構防火涂料的成膜物。
（3）苯丙乳液、純丙乳液、硅丙乳液與鋼結構的附著力較差，與鋼結構表面的防銹漆附著力較好，發泡較慢且不均勻，發泡持續時間短，泡沫層不致密，炭化不徹底，炭化物較少，炭化層厚度較低但硬度好。這幾種成膜物制成的防火涂料發泡倍數不夠，防火隔熱效果不理想，也不適合做薄型鋼結構防火涂料的成膜物。
（4）丙烯酸樹脂、有機硅樹脂、氯化橡膠改性環氧樹脂，尤其是氯化橡膠改性環氧樹脂與鋼結構的附著力好，且與鋼結構表面的防銹漆附著力較好，發泡較慢而均勻，發泡持續時間長且能夠持續發泡，泡沫層較致密，炭化不徹底，有較多底層物，炭化層厚度較高且硬度好。這幾種成膜物制成的防火涂料發泡倍數高，防火隔熱效果理想，適合做薄型鋼結構防火涂料的成膜物。丙烯酸樹脂適用于耐候性要求高的場合；有機硅樹脂適用于耐高溫的場合；氯化橡膠改性環氧樹脂適用于耐腐蝕的場合，但不適用于室外場合。
1.2成膜物實驗
選用丙烯酸樹脂Sh1作主成膜物，以發泡效果好的氨基樹脂Sh2和具有增塑作用的氯化石蠟70作次成膜物進行實驗。采用德國Netzsch公司STA409C熱分析儀進行熱分析測試。熱分析條件是：空氣氣氛，空氣流量為60mL/min，升溫速率為10℃/min。由丙烯酸樹脂Sh1的熱失重（TG）曲線和差熱分析（DTA）曲線可知：其
玻璃化轉變溫度為65.8℃，在134℃時熱失重幾乎為零；134~357.3℃熱失重達38.67%；在314.2℃有一熔融吸收峰，這主要是由于樹脂中的溶劑和小分子化合物在體系熔融時揮發所致；357.3~406.0℃熱失重達33.18%；在394.5℃有一分解吸收峰，丙烯酸樹脂被氧化分解成炭質層；406.0~750.8℃熱失重達27.31%，炭質層逐漸氧化成CO2而逸出體系；750.8~1000℃熱失重幾乎為零，此時丙烯酸樹脂已分解完畢。Sh2氨基樹脂是由氨基化合物和甲醛縮聚而成的熱固性樹脂。其玻璃化轉變溫度為65.8℃，由其DTA曲線可知：127.8℃時Sh2樹脂熱失重幾乎為零；127.8~306.6℃熱失重達27.93%，主要是由于樹脂中的溶劑和小分子化合物在體系熔融時揮發；306.6~401.8℃熱失重達43.47%；在349.9℃有一分解吸收峰，氨基樹脂逐漸分解釋放出NH3，剩余物形成炭層骨架，氨基樹脂在這一過程中起到發泡劑和成膜物的雙重作用；401.8~699.1℃熱失重達26.35%，炭層骨架逐漸氧化成為CO2；699.1~1000℃熱失重幾乎為零，此時氨基樹脂已分解完畢。由氯化石蠟70的TG曲線和DTA曲線可知：269.4℃之前，熱失重達5.20%；269.4~369.6℃熱失重達63.75%；在314.2℃有一熔融吸收峰，這主要由于樹脂中的溶劑和小分子化合物在體系熔融時揮發所致；369.6~599.3℃熱失重達26.11%；在349.9℃有一分解吸收峰，氯化石蠟70氧化分解釋放出HCl小分子，起到
阻燃作用，剩余物生成炭層，炭層再逐漸氧化生成CO2；599.3~1000℃沒有相關的化學反應發生。氨基樹脂在常溫下所形成的涂膜硬而脆，附著力差，易開裂，耐水性差，增大氨基樹脂用量會嚴重影響涂層的理化性能，但可以提高涂層的膨脹倍數。然而由于氨基樹脂形成的泡沫層疏松，泡沫層硬度較小，在汽油噴燈的強烈火焰沖擊下，泡沫層逐漸脫落或被火焰燒穿，隔熱性能下降，最終導致涂層的耐火時間較短，無法達到鋼結構防火保護的要求。試驗結果表明：隨丙烯酸樹脂用量的增加，涂層的耐水性、炭層的致密性及硬度均有較明顯的改善，但其用量過大將嚴重影響涂層的防火性，主要因為過量的丙烯酸樹脂會導致炭化層厚度不夠，涂層在受火過程中出現向下塌陷脫落的現象，從而使隔熱性能下降。丙烯酸樹脂具有良好的耐候性，對于配制室外防火涂料或延長防火涂料的壽命都必不可少。氯化石蠟70主要為成膜物提供氯元素，在受熱分解的過程中釋放出氯化氫，達到阻燃的目的，但氯化石蠟70用量不宜過多，否則會造成涂層開裂和黃變。在適宜的成膜物配比條件下，可以得到最佳的涂層膨脹高度及耐火時間。一般丙烯酸樹脂、氨基樹脂、氯化石蠟70的質量比約4∶2∶1，成膜物在整個涂料體系中的用量約20%~40%。
1.3成炭催化劑的選擇
成炭催化劑的作用是促進和改變涂層的熱分解進程，如促進涂層內含羥基有機物脫水炭化成非易燃的三維空間結構的炭質層，減少熱分解產生的焦油、醛、酮含量，阻止放熱量大的炭氧化反應發生，在脫水反應中可以再生并重新使用。成炭催化劑主要有聚磷酸銨、磷酸氫銨、磷酸二氫銨等磷酸銨類，但磷酸氫銨、磷酸二氫銨在水中的溶解度較大，影響涂層的耐水性和耐候性，一般不作防火涂料的成炭催化劑。聚磷酸銨（APP）具有催化和發泡的雙重作用，選用聚合度大于1000的聚磷酸銨作為成炭催化劑。聚磷酸銨配比不同，涂層的膨脹效果不同，只有選擇適宜的聚磷酸銨用量，炭化層才能具有較好的膨脹效果。若APP用量太小，燃燒時不能使基料樹脂很好成膜，影響成炭劑脫水；其用量過大時，則會使涂膜干燥變慢且發黏。聚磷酸銨用量以23%（質量分數）左右為宜。
1.4成炭劑的選擇
成炭劑是膨脹型防火涂料形成不易燃三維空間結構泡沫炭化層的物質基礎，對泡沫炭化層起骨架的作用。它們是含高碳的多羥基化合物，在脫水成炭的作用下生成具有多孔海綿結構的炭化層。一般選用含炭量高的多元醇有機物，如淀粉、季戊四醇、二季戊四醇、三季戊四醇、含羥基樹脂等。淀粉在水中的溶解度較大，且在潮濕條件下易發霉而影響涂層的質量；季戊四醇是應用最多的成炭劑；二季戊四醇、三季戊四醇也是合適的成炭劑，但是由于這兩種產品合成工藝復雜，其價格約是季戊四醇的5~6倍。在一定范圍內，成炭劑的用量越大，涂料的防火性能越好，但發現隨著成炭劑用量的增大，涂膜固化速度變慢。另外，成炭劑是可燃材料，其用量太大也會降低防火性能。實驗中發現：由于季戊四醇的分解溫度低于熔融層的炭化溫度，若其用量過大，會導致膨脹涂層的流動；用量較小，又會影響涂層的膨脹高度和膨脹層的質量。因此，必須嚴格控制季戊四醇的用量，一般其用量約占總體系的14%左右。
1.5發泡劑的選擇
膨脹型防火涂料的特點是涂層遇熱時，釋放出不燃性氣體，如氨、二氧化碳、水蒸汽、鹵化氫等，使涂層膨脹，并在涂層內形成蜂窩狀泡沫結構，這些靠發泡劑來實現。發泡劑是否適用，其分解溫度是關鍵。分解溫度過低，釋放氣體在成炭前逸出起不到作用；分解溫度過高，產生的氣體會把炭層頂起或吹掉，不能形成良好的炭質泡沫層。一般選擇胺類化合物發泡劑，包括三聚氰胺、雙氰胺、聚磷酸銨、氯化石蠟、磷酸銨鹽、硼酸銨、雙氰胺甲醛樹脂、氨基樹脂等。體系中聚磷酸銨、氯化石蠟、氨基樹脂已起到大部分發泡劑的作用，用三聚氰胺補充不足部分。實驗結果表明：三聚氰胺用量增大，膨脹速度加快，膨脹倍數增加，但膨脹層太高將影響炭層的質量及在火場中的牢固性。為了控制膨脹速度和膨脹高度，保證涂層質量，三聚氰胺的用量應控制在適宜的范圍，一般為總體系的8%左右。
1.6顏料的選擇
顏料的加入可改善涂料的許多理化性能，但其用量太大，會影響涂層的發泡效果，從而影響涂層的防火性能；用量太小，涂層易脫落，耐火時間短。選用鈦白粉為顏料，它的遮蓋力強且化學性能穩定。銳鈦型鈦白粉對防火涂料的防火性能具有協同作用，其用量以12.0%~13.5%為宜。
1.7填料的選擇
一般選擇耐熱、能增加膨脹層致密性、提高膨脹層硬度的無機物作為填料。適量的膨脹石墨能延長耐火時間；無機鹽晶須可提高涂層及炭化層的強度，避免泡沫氣體造成涂層破裂，同時提高涂層的耐水性和耐凍融性，也可提高涂料的施工厚度和防流掛性。
1.8溶劑的選擇
溶劑對涂料成膜質量的影響不容忽視。溶劑用于溶解或分散成膜物，調節成膜物和顏填料組成的復合體系的黏度和流變性，使其成為易于施工的流體。選用溶劑的標準主要是溶劑的溶解能力、揮發性、閃點、毒性及價格等。基于這些要求的考慮，選擇了不含“三苯”的無毒芳烴作為溶劑，用量約占總體系的15%~20%。
2.超薄型鋼結構防火涂料的膨脹過程分析
超薄型鋼結構防火涂料的TG曲線和DTA曲線分別見圖1和圖2。||
通過對超薄型鋼結構防火涂料TG曲線（圖1）的分析，我們可將涂料的膨脹過程分為4個階段：
第一，平穩階段（20~230℃）。這期間熱失重僅2%左右，主要是涂料中尚未揮發的溶劑和其它易揮發小分子化合物揮發所致。在耐火實驗時看到涂層表層起火燃燒，這主要是涂料內的揮發分著火所致。此時，涂層中的成膜物質開始熔融軟化，由DTA曲線（圖2）可以看出：在180℃有一小的吸熱峰，約47J/g，這主要是成膜物質熔融軟化吸收了外部能量所致。
第二，發泡炭化階段（230~420℃）。這期間熱失重為43%左右。該階段是涂料揮發的過程，防火阻燃體系中的三聚氰胺發泡劑首先熱分解，釋放出非燃性氣體NH3，同時成膜物質中部分組分分解產生NH3、HCl和水蒸汽等，促使第一階段已熔融軟化的成膜物質持續地膨脹發泡，形成泡沫層。此時脫水催化劑聚磷酸銨分解，釋放出能酯化多元醇和作為脫水劑的無機聚偏磷酸，與多元醇成炭劑季戊四醇、成膜物質等含羥基有機化合物發生酯化反應，生成強吸水性物質，在空氣中的吸水率達到原物質量的55%左右。體系中的胺則作為酯化反應的催化劑，使酯化反應加速進行。與此同時，多元酸和酯脫水炭化，形成無機物及炭化殘余物，使體系進一步膨脹發泡。反應接近完成時，體系膠化和固化，脫水成炭，生成的不飽和主鏈再進行環化架橋反應，最后生成致密堅硬的黑色蜂窩狀炭化層。蜂窩狀炭化層的厚度比原有涂層厚度大幾十倍，其導熱系數接近于空氣的導熱系數，可以有效地隔絕外部熱源，保護鋼結構基材。成膜物質、發泡劑、脫水催化劑、成炭劑必須具有良好的匹配性，否則就不能形成理想的炭化層。由DTA曲線可以看出：在330℃左右，有一強吸熱峰，約為350J/g，主要為這階段的發泡炭化過程吸收的外部能量，以使反應得以順利進行。
第三，失炭階段（420~770℃）。這期間熱失重為
18%左右，主要是炭化層中的碳逐漸被氧化成CO2而逸出體系，同時有一部分炭化層由于附著力欠佳而被氣流帶走。從DTA曲線可以看出：在560℃、670℃左右分別有一強放熱峰，約為830J/g、250J/g，主要是炭化層中的碳逐漸被氧化而釋放出能量。
第四，無機層階段（770~1000℃以后）。這期間熱失重為0.24%左右，主要是炭化層中碳被氧化逸出后，剩余的約37%無機材料形成白色無機骨架。超薄型鋼結構防火涂料防火后期，主要是這些無機骨架組成的無機隔熱層在起防火隔熱作用。其主要成分是焦磷酸鈦形成的多孔物質，它由聚磷酸銨和TiO2反應所生成。
3.結語
針對目前市場迫切需求的高性能、裝飾性好、施工方便、涂覆量少、附著力強、耐候性好的超薄型鋼結構防火涂料，通過分析，得出如下結論：（1）丙烯酸樹脂具有良好的耐候性，氨基樹脂具有良好的發泡性，氯化石蠟70為成膜物提供氯元素，三者適量的配用可以制得耐候、阻燃、附著力強的室外型防火涂料。（2）在超薄型鋼結構防火涂料組分中，起膨脹作用的組分（包括顏填料）一般占總質量的45%~60%，成膜物和其它添加劑約占20%~40%，溶劑占15%~20%。另外，起膨脹作用的組分中，成炭催化劑占40%~60%，成炭劑占20%~30%，發泡劑占20%~30%。（3）適量的膨脹石墨能延長耐火時間，無機鹽晶須可提高涂層及炭化層的強度，同時提高涂層的耐水性和耐凍融性，也可提高涂料的施工厚度和防流掛性。
