一种隧道防霉阴燃装饰涂料的研制和应用

前言

    我国的铁路、公路隧道已超过6 875座，总长度近8 000 km，均为世界。隧道不仅承担着交通运输的任务，还起着光缆、电缆甚至是输油管、输水管通道的功能。虽然作为隧道内主体建筑的钢筋混凝土构件是不燃性材料，在火灾发生的短时间内，隧道内着火现场的局部温度会迅速升至1 000℃左右，随着温度的持续升高，混凝土内结合水变成蒸汽膨胀，产生压力，导致混凝土表层发生炸裂，产生大的塌陷，隧道衬砌和结构也受到破坏，加剧了疏散和救援人员的生命危险，其经济损失巨大。随着我国隧道的不断增多，隧道的结构防火保护已经是一个重要的研究课题。我国已出台相关法规对此予以强制执行，以提高隧道在火灾中的安全系数。

目前，在国内生产隧道装饰涂料的厂家很多，虽然其装饰性能达到了一定的标准，但其装饰性较差，而且涂层比较厚，在长期潮湿的情况下易产生霉变，容易脱落，不具有阻燃性，从而导致其装饰使用性能大大降低，本文研制的防霉阻燃装饰涂料与现有各种水性防火涂料相比，具有阻燃、防霉、防水、防潮、附着力强、装饰性强、无毒无味、使用寿命长、施工方便等特点，特别是经过纳米材料改性后在耐碱性、耐水性、耐擦洗性、耐污性方面得到了极大的提高，适用于高速公（铁）路隧道、海底隧道，城市地铁隧道的防霉阻燃和保护。

1试验部分

1.1试验原料

    丙烯酸乳液，市售；二氧化钛、三氧化二锑、氧化锌、硼酸锌、氢氧化铝、氢氧化镁、硅灰石等，工业级，市售；分散剂、润湿剂、消泡剂、增稠剂等，工业级，陶氏；成膜助剂，工业级，伊斯曼；防腐剂，德国舒美。    

1.3防火涂料的制备

    步：将适量的分散剂、润湿剂和消泡剂等分散在定量的水中分散备用；

    第二步：开动搅拌，转速为800 r/min．依次加入阻燃剂和颜填料等；

    第三步：提高转速(大约为2 500 r/min)，搅拌15～20 min后用砂磨机研磨至细度40～50μm;

    第四步：为了防止破乳，调漆时转速降低至800 r／min以下加入乳液，再加入其他助剂等，搅拌均匀；调制黏度，调节PH值为8～9，即得成品。

1.4防火涂料样板的制备

    防霉阻燃隧道装饰涂料防火性能检测样板依据GB 12441-2005《饰面型防火涂料》的要求制备。

1.5检测依据

    防霉阻燃隧道装饰涂料防火性能依据GB12441-2005《饰面型防火涂料》来检测，在国家建筑工程质量监督检验中心检测结果如表2。

    防霉性能检测依据GB/T1741-2007《涂膜耐霉菌性能测定法》来检测，在广东省微生物分析检测中心

分析检测结果如表3。

    检验结果表明，本文研制的防霉阻燃隧道装饰

涂料耐霉菌性能突出，至少可耐8种霉菌。

    防霉阻燃隧道装饰涂料其他指标依据GB/

T9755-2001《合成树脂乳液外墙涂料》和GB/T9756-2009《合成树脂乳液内墙涂料》来检测，经陕西省装饰装修材料质量监督检验站结果如表4。

2结果与分析

  上述检测结果表明：本文研制的防霉阻燃隧道装饰涂料理化性能优良，防霉菌性能突出，防火性能达到国家饰面型防火涂料一级标准要求，是一种应用前景广阔的环保型防火装饰涂料。

2.1基料的选择

    基料对涂料的性能起决定性的作用，对于防火涂料而言，基料还必须与阻燃剂相匹配，构成一个稳定有效的防火体系，在防火涂料中基料含量是一个非常重要的因素。作为防火涂料基料的乳液，不同类型的乳液由于结构上的差异会产生不同的耐火性能，试验中考察了6种不同丙烯酸乳液对涂层耐火性能的影响，其结果如表5。

   从表5中可以看出，上述6种不同的丙烯酸乳液作为基料的耐火时间都能达到要求，但进口的硅丙乳液耐火时间最长，这是由于涂膜与火灼烧时硅丙乳液中的硅原子上的有机基团发生氧化断裂分解，形成的无机硅氧主链结构能使它与底材在高温时紧密结合，而不会发生断裂现象。因此，硅丙乳液作为成膜物质最为理想，经过大量试验，防火涂料的基料用量在22%～25%为宜。

    本文研制的防霉阻燃隧道装饰涂料以丙烯酸乳液作为基料，同时加入了纳米无机硅溶胶，形成有机·无机复合防火涂料。硅溶胶(H2Si02)是以Si02为基本单位在水中的分散体，其粒径尺寸一般在10～40nm，具有高度的渗透性和不燃性，纳米Si02粒子具有极小的尺寸效应和表面界面效应。其极强的活性表面与丙烯酸乳液中的有机聚合物分子链相结合，形成交联结构，对聚合物起增强作用，因此，该有机一无机复合涂料对防火涂料理化性能指标的提高有积极作用，与阻燃剂体系的匹配性、亲和性更好，从而提高了耐火隔热性能如。

2.2阻燃剂的选择

    本文研制的防霉阻燃隧道装饰涂料阻燃剂氢氧化铝、氢氧化镁、三氧化二锑、硼酸锌等组成。涂料中加入了氢氧化铝、氢氧化镁、氧化锑、硼酸锌等无机阻燃剂，氢氧化铝、氢氧化镁都是无卤无材料，在高温下分解，会产生水蒸气并吸收大量的热量，大量的水蒸气也可拟制烟气的生成，另外反应生成的AI203又是无机耐火材料，与燃烧的其他碳化物一起可在表面形成保护层，具有很好的防火隔热效果。防火涂料体系中的硼酸锌在高温时可在保护基材的表面形成玻璃状薄片，从而起到隔绝空气和隔断火焰的作用，对基材提供有效的、持久的防火阻燃保护。三氧化二锑本身的阻燃性不是很明显，但在试验中发现当三氧化二锑与上述阻燃剂合用时有协同增效作用，能明显提高涂层的阻燃性，延长耐火时间，但随着其用量进一步增加，过剩的三氧化二锑只起到无机颜填料的作用，从试验结果可以看出(见图1)，3%～4%的三氧化二锑与其他阻燃剂会产生良好

的协同效果，可明显提高涂料的防火性能。

    通过试验证明防霉阻燃隧道装饰涂料中的复合阻燃剂有相互协同作用，使涂层有效地阻止火焰和热量，降低热量向内部传递速度，推迟其温度升高和强度变弱时间，从而提高了耐火极限。通过大量的试验最终确定m(氢氧化铝)：m(氢氧化镁)：m(三氧化二锑)：m(硼酸锌)为1：1：0.3：0.5时可以得到最佳的防火效果，阻燃剂用量在涂料总量的35%～40%时防火性能最好。

2.3颜填料的选择

    本文研制的防霉阻燃隧道装饰涂料除具备有防火功能外，还具有良好的装饰性，涂料中加入了钛白粉、硅灰石、氧化锌等颜填料。

    钛白粉是最重要的白色颜料，性能稳定，对大气中的各种化学物质的侵蚀成惰性，对光吸收少，而散射能力大，因此其光学性能极好，耐候性特好，耐热性能好。    填料有沉淀硫酸钡和硅灰石等，沉淀硫酸钡化学稳定性好、耐热、熔点大于1500℃以上，在涂料中分散性和渗透性好，可以提高涂膜的厚度、硬度和涂装施工性能。硅灰石是一种针状填料，有着极好的耐光性和耐腐蚀性。绢云母是具有片状结构的填料，能增强涂膜的韧性、耐火和耐水性。

    本文研制的防霉阻燃隧道装饰涂料在水、基料量、助剂量、阻燃剂量相同的条件下，分别考察了硅灰石、云母粉、沉淀硫酸钡等不同埃料对防火性能的影响，通过试验确定，绢云母、硅灰石和沉淀硫酸钡用量在1 0-70使用量涂料性能最佳。

    本文研制的防霉阻燃隧道装饰涂料加入了微量的纳米氧化锌，纳米氧化锌对紫外线有较强的吸收作用，防霉防菌性能好，对微生物（细菌、霉菌等）具有很强的杀菌能力，纳米氧化锌和进口防霉剂复配后，使得该涂料长期在阴暗潮湿的环境下使用，其耐霉菌性能突出。试验发现，纳米氧化锌的加入能显著减少涂料的发烟量，又能提高涂料的阻燃性能，因此能有效地降低火灾时烟气对人体的毒害作用，试验中还发现用餐在l.O%—1.5%较好。同时纳米氧化锌的加入提高了涂膜的耐污性、耐擦洗性、耐老化性、附着力、抗冲击性和耐水性等其他性能。

    通过多次试验确定了防霉阻燃隧道装饰涂料中颜填料用量在15%—20%为宜（见图2），适量的颜填料可提高涂膜的强度、硬度和耐火极限。

2.4助剂的选择

    为了保证防火涂料的性能，在配方中必须加入各种助剂，虽然用量小，但作用大，可以提高和改善防火涂料的贮存稳定性和施工等性能。有润湿分散剂、消泡剂、增稠剂、成膜助剂、防霉剂等。

    3应用

    本文研制的防霉阻燃隧道装饰涂料填补了隧道装饰涂料行业的一项空白（已申请获得国家专利），无论是在防火性能、防霉和装饰性能等各个方面都优子国内其他隧装饰涂料，在国内技术具有领先地位。防霉阻燃隧道装饰涂料已经在多条高速公路隧道装饰工程中得到推广和应用，同时也在实际工程中取得了可喜的成绩，达到了预期的目的，也得到了建设单位的一致好评。

3.1酋用工程

    防霉阻燃隧道装饰涂料于2009年3月首次涂装在国道主干线连云港至霍尔果斯陕西境内全线隧道，涂装面积达15万m2，施工质量正常，两年多运行情况良好，良好的装饰性降低了驾驶员的视觉疲劳，

提高了行车安全。

3.2甘肃天水，定西隧道工程

    防霉阻燃隧道装饰涂料于2010年5月涂装在天水，定西全线隧道，涂装面积达12万mz，一年多来全线装饰效果运行情况良好，得到甘肃高速公路管理处的高度赞扬。

4结语

    在Q、A固定的情况下，和L就成为了关键影响因素。样板的膨胀高度低于样板2#的膨胀高度，缩短了传热的距离，这是造成样板1#比样板2#背温高的原因之一。更重要的是，热老化对氯化石蜡-70阻燃能力的影响。涂层中包括树脂在内的有机可燃物受热会产生大量高能自由基．OH，促使发生链式反应，氯化石蜡-70受热后放出活性很强的Cl．，与合成材料中的氢原子反应生成HCI，HC1捕捉游离基HO．，破坏了燃烧的链式反应，抑制了树脂燃烧的进行。以聚丙烯

为例，氯化石蜡的阻燃机理可简述为： 热老化的氯化石蜡一70中—Cl以HCl气体的形式放出，受热后活性很强的Cl-的减少，终止燃烧链式反应的能力下降，抑制树脂等可燃物燃烧的能力减弱，这样就会增加树脂等可燃物的燃烧量。季四醇、树脂等碳源在酸源的作用下脱掉小分子形成膨胀体碳化层，在燃烧过程中由于C1．对燃烧链式反应

的抑制作用会提高碳化层的厚度．C1．的减少，季戍四醇、树脂等碳源更多的燃烧掉，碳化层质量减少，进一步降低了碳化层的厚度，同时这些可燃物燃烧过程中放出大量的热量也提高了钢板背温，并且碳化层的过分损失对与基材间的附着力会产生明显影响。综上所述原因，热老化后的防火涂层中氯化石蜡．70的一系列性质变化是造成涂层防火能力衰减的重要因素之一。

防火涂料与涂装

3结语

    (1)120℃及150℃氯化石蜡-70发生了明显的热老化现象。

    (2)膨胀型防火涂层中氯化石蜡-70的老化是涂层热老化后整体防火性能衰减的重要影响因素之。

    (3)影响机理为氯化石蜡-70中-Cl以C1的形式提前放出，减少了发气量，更重要的是降低了阻燃能力，增加了烧蚀率，降低了碳化层的厚度。