广东珠江化工涂料有限公司 技术部副部长 周运吉

0引 言

膨胀型防火涂料因其优良的防火性能，较低的干比重，便捷的施工性能，在室内防火涂料市场受到大家一致的认可，占有较高的市场份额。

膨胀型防火涂料的防火功能主要是通过受热膨胀失水等环节后形成的碳层来隔热隔氧，从而减缓基材温度的持续上升，为建筑物内人员提供宝贵的逃生时间。本文描述了一种新型防火涂料的制备方法，通过将隔热良好的气凝胶引入膨胀型防火涂料中，将涂料自身的低导热性能与受热膨胀后形成得低导热碳层有机结合，进一步提升涂层的防火能力。通过设计正交试验，调节其中的组分和配比，探寻气凝胶的使用量对防火性能的影响。

1. 概述

1．1气凝胶因其独特的物理特性，如超低密度、高孔隙率、高比表面积以及优异的隔热性能，气凝胶的导热系数极低（0.008~0.043 W/(m·K)），这一特性使其在隔热材料领域具有显着的优势。由于气凝胶内部的纳米多孔结构，气体分子在孔隙中的对流和辐射传热受到极大限制，从而实现了卓越的隔热性能。这种低热导率的特性，使得气凝胶在防火涂料中的应用能够有效阻挡热量传递，提高涂层的防火性能，有助于减缓火势蔓延和降低基材温度上升的速度。此外，气凝胶的高孔隙结构（孔隙率可达80.0%~99.8%）和低表观密度（0.003~0.35 g/cm3）有助于涂料在膨胀时形成均匀且结构致密的碳层，提高涂料的耐火性能。

1.2膨胀型防火涂料在较高温度（300℃ - 350℃左右）下，气源会发生分解反应，释放出大量的气体，使涂料迅速膨胀。同时，酸源和碳源的反应同步持续进行，涂料中的有机成分逐渐发生碳化。碳化后的物质与发泡形成的泡沫结构相互结合，形成一个坚固的、多孔的碳质隔热层。这个碳质隔热层具有很低的导热系数，能够有效地阻止热量向基材传递，从而保护基材在火灾条件下不被迅速加热，实现了在火灾条件下的防火保护功能。

1.3试验

1.3.1材料

原料：乳液 瓦克 ; APP（工业级），达江；PER（工业级）， 湖北宜化；MEL（工业级），金和化工；气凝胶，市售，纤维素，亚什兰；分散剂，BASF；消泡剂，BASF；成膜助剂，醇酯十二，陶氏化学；钛白粉，市售。

1.3.2气凝胶在膨胀型防火涂料中的应用制备

按照表1的配方，在限定的工艺条件下依次加入相关组分，制成膨胀型防火涂料的测试基础配方：

表 1 水性膨胀型钢结构防火涂料基础实验配方

Table 1 Basic formulation of waterborne intumescent fire-retardant coating

   分别取一定量的半成品，分别加入0.5%、0.75%、1.5%、5%的气凝胶产品，已2000转每分的转速分散5分钟，制成不同气凝胶含量的防火涂料产品。

1.3.2样板的制备 

样板的制备及主要性能测试方法按照 GB 14907-2018 钢结构防火涂料标准。

1.3.3样版耐火性的评测

采用酒精喷灯作为热源，试件马口铁尺寸150mm*150mm,厚度1mm，涂层厚度2mm。背面将热电偶紧贴测试基面，外用防火棉进行保护，已避免火焰对其测试形成干扰。通过检测试样温度和试样时间，背面温度达到540℃的时间即为防火涂料的耐火极限。

2、试验结果与讨论

2.1气凝胶的添加对碳层致密性的影响

当气凝胶添加量适中时，在防火涂料涂层中建立稳固的低导热体系，有效延缓热量的传导速率。同期在受热膨胀时，能够较好地填充到碳层的孔隙中，优化碳层的孔隙结构。气凝胶的纳米多孔结构可以与碳层相互交织，使原本较大的孔隙被分割成更小的孔隙，从而提高碳层的致密，形成一个稳定的整体结构，提高防火涂料的隔热效果和耐火性能。过低的气凝胶添加量起不到应有的作用，过多的添加，会破坏膨胀型防火涂料碳层的形成，造成碳层机械强度下降，影响产品的整体防火防护性能。

2.2气凝胶的添加对碳层抗压性及耐火极限的影响

气凝胶本身具有多孔结构和低热膨胀系数的特性。其均匀分散在膨胀防火涂料体系中，与涂料中的其他成分相互作用良好，为碳层提供更多的支撑点和连接点，使碳层的结构更加紧密和坚固。在受到外部压力时，气凝胶能够分散压力，减少应力集中，从而提高碳层的抗压能力。同时，气凝胶的低热导率可以降低碳层在高温下的热应力，进一步增强其抗压性。同时气凝胶的低热传导性能，它可以在一定程度上限制涂料在受热时的热传导速率，使涂料整体的膨胀时间延长，从而延长耐火极限。

气凝胶在防火涂料中的添加量需要精心调整，以达到最佳的防火效果。从表二实验数据显示，当气凝胶的添加量为涂料总重量的0.75%时，可以获得最佳的隔热效果。过低的添加量无法充分发挥气凝胶的隔热性能，而过高的添加量则可能导致涂层的完整性能下降，亦导致耐火时间相应降低。因此，气凝胶用量在0.5-1.0%时，气凝胶的自身隔热效应及膨胀防火涂料协同效益发挥较为充分，耐火时间较未使用气凝胶的产品提升20%以上，可以达到120min以上。

3、结语

（1）优化发泡效果：气凝胶的特殊结构可以为膨胀型防火涂料的发泡过程提供更多的成核位点，能够增强膨胀型防火涂料在高温下形成的碳质层的强度和稳定性，使其不易破裂和坍塌，使涂料在受热时能够更加均匀、充分地发泡，形成更加致密、均匀的蜂窝状或海绵状碳质泡沫层。

（2）增强隔热效果：气凝胶具有极高的孔隙率和纳米级孔洞结构，这使其成为一种极为高效的隔热材料。，能够显着提高涂料的隔热性能，可有效阻挡热量的传递，延缓防火涂料内部及钢结构等基材的升温速度。在0.5-1%的添加量范围内对碳层的影响趋正面，提高耐火极限。从而保持良好的防火隔热效果，延长耐火极限。较未添加气凝胶的产品防火时间延长20%以上，可以实现膨胀型防火涂料120min的最高耐火时间要求。

（3）气凝胶作为新兴的优良隔热材料，在膨胀型防火涂料中的应用得到试验验证及部分实现工业化生产。但由于市售气凝胶产品质量存在差异，价格依然偏高，对气凝胶产品在膨胀型防火涂料中的正式应用带来一定的不利影响。使用气凝胶制备膨胀型防火涂料对提高膨胀型防火涂料的实际耐火性能及能否大面积商业化应用有待进一步研究。