防火涂料阻燃抑煙技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進展

近年來火災(zāi)事故頻發(fā)，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。鑒于此，國家相關(guān)部門號召在施工過程中采用不易燃燒的材料，并且要達到國家要求的防火等級，比如建筑物的保溫層必須要達到相應(yīng)的防火等級，這樣才能達到更好的防火效果。如今市場上所使用的建筑類材料，大多數(shù)具有易燃性,并且在火災(zāi)發(fā)生時沒有有效的防火措施，安全意識薄弱，因而成為事故的高發(fā)地段。

據(jù)調(diào)查機構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，在各大火災(zāi)現(xiàn)場，火災(zāi)事故現(xiàn)場人員的死亡率大概在十萬分之一，而這其中七成以上的死亡原因是由于火災(zāi)現(xiàn)場彌漫的有毒煙塵使人產(chǎn)生中毒甚至是窒息現(xiàn)象，從而導(dǎo)致悲劇的發(fā)生。大部分高分子材料在高溫情況下不但會發(fā)生分解,產(chǎn)生有毒性氣體，同時未分解的固體殘余物會形成煙塵，彌漫在空氣中，阻礙人們逃生，給人們的生命安全造成極大的危害。面對這些安全隱患，如今比較有效且應(yīng)用廣泛的防火措施是防火涂料的使用，此類材料的廣泛使用可以有效抑制火災(zāi)的產(chǎn)生及蔓延，對降低火災(zāi)現(xiàn)場人員的傷亡，提高相關(guān)場所的防火安全等級，具有極為重要的現(xiàn)實意義。

    目前為止，所記載的文獻當(dāng)中，防火涂料的研究領(lǐng)域主要集中在抑制火勢的蔓延，而抑煙方面的研究少之又少，原因可能在于國家目前對防火涂料領(lǐng)域的煙霧危害沒有產(chǎn)生足夠的重視，但是相信在不久的將來防火涂料抑煙的研究將會成為一大熱點。筆者重點介紹了防火涂料的應(yīng)用領(lǐng)域及分類，并對防火涂料的阻燃/抑煙性能進行機理研究，探討阻燃/抑煙方面的發(fā)展趨勢，為防火涂料在阻燃/抑煙方面更進一步的發(fā)展提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

    1.防火涂料概述

    1.1防火涂料的應(yīng)用領(lǐng)域

    防火涂料是指均勻涂覆在基材表面，能有效降低基體材料表面的燃燒性能，從而阻止火勢進一步蔓延，在一定時間內(nèi)能阻止燃燒,控制火勢的發(fā)展，或涂布在建筑構(gòu)件之上，提高構(gòu)件的耐火極限,推遲結(jié)構(gòu)的破壞時間，為救援工作爭取時間的特種涂料。

    鑒于其高效、簡便、成本低和適用性廣等優(yōu)點，防火涂料在不同領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，譬如建筑結(jié)構(gòu)、電纜和鐵道等，例如，隨著我國城市規(guī)模的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在我國建筑業(yè)的應(yīng)用愈加廣泛。由于鋼結(jié)構(gòu)具有自身不燃的特性，因而其存在的防火隔熱問題被人們所忽視，但是經(jīng)檢驗顯示，鋼材的機械強度隨表面溫度的升高而呈逐漸降低趨勢，并且鋼材的力學(xué)性能,諸如抗壓強度、抗折強度以及荷載能力等均下降迅速，在溫度達到600℃左右時，其抗壓強度甚至下降到其原有強度的30%，使得結(jié)構(gòu)體很快失去支撐能力，導(dǎo)致建筑物的垮塌，因而對承重鋼結(jié)構(gòu)進行防火性能改善勢在必行。一般而言，通過將防火涂料均勻涂覆在鋼結(jié)構(gòu)表面起防火隔熱作用，防止鋼材在火災(zāi)中迅速升溫，強度降低而失去支撐能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體倒塌。

   1.2防火涂料的分類

    防火涂料的類型可用不同的方法來定義：按其所用基料種類可分為有機、無機及復(fù)合3種防火涂料；按其所用的分散體不同可分為溶劑型和水溶型兩大類；按其使用范圍分為飾面裝飾防火涂料、鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、電纜防火涂料、混凝土防火涂料和透明防火涂料；按其防火機理則可以分為非膨脹型防火涂料及膨脹型防火涂料。

    2.防火涂料的阻燃/抑煙機理

    燃燒反應(yīng)作為一種化學(xué)反應(yīng),它的發(fā)生必須具備3個條件：可燃物、氧氣及熱源。只有這3個條件同時成立并相互接觸，燃燒反應(yīng)才能發(fā)生，否則，燃燒便不能發(fā)生的。因此，要使燃燒不能進行，只需解決燃燒三要素中的任何一個。因此，一般采用難燃的涂料將可燃物表面與外部隔絕開來，避免其與空氣接觸隔絕氧氣來源，阻止材料繼續(xù)燃燒,防火涂料就是利用這一原理并結(jié)合其具體的使用性能而設(shè)計制備的。按其防火機理可以分為兩類：非膨脹型防火涂料和膨脹型防火涂料。

   2.1非膨脹型防火涂料的阻燃/抑煙機理

    非膨脹型防火涂料，主要由不燃性基料、無機填料和阻燃劑等組分組成，其中多為無機鹽體系。這種涂料遇火時涂層基本上無明顯體積變化，基料在高溫情況下會發(fā)生一系列的物化反應(yīng)從而吸收大量的熱，且分解產(chǎn)生的氣體為難燃性氣體，會對空氣中的可燃性氣體產(chǎn)生稀釋，同時材料熔融后會在表面形成無機釉狀保護層,隔絕空氣,使氧氣不能與被保護基材接觸，從而起到抑制燃燒的作用，并且由于發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)較少，沒有大量的煙塵產(chǎn)生。然而，這類涂料在材料表面所形成的釉狀物質(zhì)，具有相對較大的熱導(dǎo)率，難以實現(xiàn)較好的隔熱效果。同時，為了達到有效的防火性能，其厚度一般相對較大，但是即使這樣，在一定條件下其防火效果依然很不理想。

   2.2膨脹型防火涂料的阻燃/抑煙機理

    膨脹型防火涂料一般由碳源材料、酸源材料、發(fā)泡劑、阻燃劑及其他難燃性填料等組分配制而成，通過阻燃劑的固相阻燃作用來阻隔材料與自由空間的熱量傳遞及可燃物的進入。在材料受熱過程中，防火涂料中的各種成分通過物理化學(xué)反應(yīng)生成一層較厚的蜂窩炭層,該炭層不但具有一定的隔熱效果，并且可以有效抑制可燃物及氧氣的進出，從而有效發(fā)揮材料的阻燃/抑煙作用。

    膨脹型防火涂料在熱源的熱輻射作用下,內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生一系列的物理化學(xué)作用。當(dāng)材料表面溫度逐漸達到150℃左右時，防火涂料表面將會產(chǎn)生熔融現(xiàn)象,并且材料中的酸源物質(zhì)開始分解產(chǎn)生酸性物質(zhì)。當(dāng)材料溫度進一步升高，防火涂料中的氣源物質(zhì)緩慢發(fā)生熱解反應(yīng)，產(chǎn)生一些難燃性氣體，沖淡燃燒反應(yīng)中可燃性氣體的濃度，阻礙火勢的進一步蔓延。材料中的碳源物質(zhì)、酸源物質(zhì)的分解物在一定條件下會發(fā)生一定程度上的酯化反應(yīng)，并最終形成殘?zhí)课铩Ｔ跉庠捶纸猱a(chǎn)生的難燃氣體的作用下，殘?zhí)课飳l(fā)生發(fā)泡現(xiàn)象，形成具有保護性能的蜂窩炭層。因而，防火涂料在外部熱源熱輻射的作用下經(jīng)過多種化學(xué)反應(yīng)生成殘?zhí)课铮笸ㄟ^難燃性氣體的發(fā)泡作用，最終生成一層可以有效阻燃、抑煙的蜂窩炭層。

    膨脹炭層的形成對膨脹型防火涂料在阻燃方面有以下幾個方面的作用：首先，膨脹炭層本身屬于難燃物質(zhì)，炭層在基體材料表面形成了一道隔熱保護層，有效延緩了底層材料的反應(yīng)；其次，膨脹炭層充當(dāng)屏障以此來阻礙材料熱解產(chǎn)生的煙塵逸散，同時也有效阻礙外部氧氣的進入，從而使碳層內(nèi)部的燃燒因缺氧而中斷；最后，膨脹型防火涂料在成炭的過程中會產(chǎn)生一定的水分，水分在揮發(fā)過程會帶走熱量，從而有效降低體系的溫度。

    3.防火涂料阻燃/抑煙技術(shù)的研究進展

    燃燒反應(yīng)是一個極其復(fù)雜的化學(xué)過程，涉及到防火涂料中各組成之間的相互作用。為實現(xiàn)防火涂料的阻燃抑煙性能，性能優(yōu)異的阻燃劑及抑煙劑的選擇則是其中的重中之重。我國抑煙劑的起步較晚,實際應(yīng)用中較廣泛的仍然是一些傳統(tǒng)的抑煙劑，臂如三氧化二銻、氫氧化鋁及氫氧化鎂等,伴隨著科技的不斷革新，我國也開始借鑒國外的先進經(jīng)驗，探索一些高性能的新型抑煙劑。一般來說，減少材料生煙量的有效途徑一般有兩種：一是添加先進抑煙劑來降低材料的生煙量；二是采用自身生煙較少的材料。

    鉬系化合物作為種現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的抑煙劑，其主要包括氧化鉬、鉬酸銨及鉬酸鈣等。鉬系化合物一般采用與其他阻燃/抑煙劑復(fù)配，如硼酸鋅，三氧化二銻，從而起到較好的協(xié)同作用。在聚氯乙烯的阻燃抑煙性能上，鉬系化合物主要是通過在一定程度上促進分子之間的相互交聯(lián)作用，從而使得多孔炭層快速形成，減少可燃物質(zhì)的產(chǎn)生以此達到抑煙的目的。目前，鉬系化合物的具體抑煙機理尚有待于進一步研究，但是它對聚合物的阻燃/抑煙性能的改善是非常有效的。相關(guān)研究表明，氧化鉬的抑煙效果不受燃燒時材料內(nèi)部氧化介質(zhì)的影響，當(dāng)采用鉬系化合物作為抑煙劑時，其化合物中的鉬元素大部分都會遺留在蜂窩炭層中。

    二茂鐵作為最新研制的一種抑煙劑，其抑煙效果相當(dāng)明顯。在實際應(yīng)用中，二茂鐵不但可以實現(xiàn)在氣相中抑煙，同時在固相中也能發(fā)揮一定的抑煙作用，這主要取決于涂料中是否含鹵族元素。二茂鐵能將聚合物中的分解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為CO,從而抑制煙霧的生成。在固相反應(yīng)中的抑煙作用主要是通過促進聚合物發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而加劇炭層的形成以達到抑煙的目的。

    硼酸鋅是一種應(yīng)用較為普遍的阻燃/抑煙劑，在很多行業(yè)發(fā)揮著巨大的作用，如涂料塑料和電纜等高分子行業(yè)；硼酸鋅的阻燃抑煙作用主要表現(xiàn)在以下3個方面：首先，當(dāng)將其加入到樹脂類體系中時，阻燃效果較為顯著，尤其是與其他相適應(yīng)性抑煙劑復(fù)配使用，效果愈加明顯；其次，硼酸鋅在燃燒過程中會發(fā)生脫水反應(yīng)，降低材料自身溫度,若在膨脹型防火涂料中，則會與酸性物質(zhì)發(fā)生酯化反應(yīng)，一定程度上有利于多孔蜂窩狀炭層的快速生成；最后,當(dāng)將硼酸鋅摻雜到聚合物中時，會明顯改善材料自身的熔滴現(xiàn)象，有效防止二次火災(zāi)的發(fā)生。

    氧化鋅在阻燃/抑煙中的應(yīng)用相對較少。在燃燒時形成的還原氣氛，含鋅顆粒在相對較低溫度下被還原，使得材料的阻燃抑煙性能有所降低。因而，通常與難還原性阻燃/抑煙劑進行配合使用，二者的相互協(xié)同效應(yīng)可明顯改善涂料的阻燃抑煙性能。

    此外，選用生煙量較少的聚合物也是降低涂料生煙性能的重要途徑。如硼酚醛防火涂料的產(chǎn)煙量極少，同時CO釋放量及煙氣毒性均處于相對較低水平，同時在有機樹脂中摻雜硅組分，則對材料自身的熱穩(wěn)定性有一定的改善作用。

   4.結(jié)語

隨著人們安全意識的逐漸提高及社會法制的不斷健全，具有阻燃/抑煙性能的防火涂料的研發(fā)也越米越受到重視。目前防火涂料的阻燃抑煙機理及新型阻燃抑煙劑的開發(fā)還有待于進一步深入研究,同時為了得到更優(yōu)化的阻燃抑煙性能，必須對防火涂料結(jié)構(gòu)體系中各組分之間的相互作用深入探討，并逐步完善產(chǎn)品的測試方法，使防火涂料在工程應(yīng)用中發(fā)揮越來越重要的作用。