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钢结构由于自质量轻、延性好等特点，已成为大空间建筑最主要的结构形式。钢材虽然是不燃材料，但在火灾高温作用下，其力学性能会迅速降低，钢结构很容易垮塌，使生命财产遭受严重损失，所以必须对钢结构进行防火保护。目前，涂覆防火涂料是钢结构防火最主要的手段 。出于环保、高效和节约资源的目的，水性膨胀防火涂料是大势所趋 。但是，水性膨胀防火涂料形成的膨胀炭层比较疏松，膨胀炭层的抗高温氧化能力不强，致使形成的膨胀炭层在高温的作用下容易氧化和脱落 。为了改进传统水性膨胀防火涂料的这一缺陷，研究者们通常添加具有增强作用的添加剂 ，其中硅酸盐粘土便是一种重要的添加剂 ，并且只要少量的粘土就能使防火涂料的防火性能得到提升。
绢云母是层状结构的硅酸盐粘土，海泡石是纤维形态的水合矿物粘土，两者都具有良好的耐热性，并且都具有亲水性，与水性膨胀防火涂料能够很好地相容，因而本研究将绢云母和海泡石用于改善水性膨胀防火涂料。首先，对传统膨胀阻燃体系各组分进行正交实验，研究各组分对防火涂料性能的影响，制备防火性能最佳的水性膨胀防火涂料。然后，将不同比例的绢云母和海泡石分别添加到水性膨胀防火涂料中，对比研究２ 种无机粘土对水性膨胀防火涂料性能的影响。最后，利用绢云母对传统膨胀阻燃体系进行优化改进，重新调整膨胀体系各组分的配比，制备防火性能优异的水性膨胀防火涂料。
１ 实验部分
１. １ 主要原材料
硅丙乳液：工业级，青岛兴国涂料化工有限公司；聚磷酸铵（ＡＰＰ）：聚合度ｎ≥１ ０００，深圳晶材化工有限公司；三聚氰胺（ＭＥＬ）、季戊四醇（ＰＥＲ）：化学纯，国药集团化学试剂有限公司；绢云母、海泡石：１ ２５０目，市售；去离子水：自制。
１. ２ 试样制备
按照配方称取防火涂料各组分，将各组分放在搅拌器中低速搅拌１５ ｍｉｎ，然后高速搅拌３０ ｍｉｎ 后，再将其放在行星球磨机内低速研磨３０ ｍｉｎ，将研磨分散好的防火涂料过滤，装瓶待用。
将制得的防火涂料涂刷于尺寸为１５０ ｍｍ ×７０ ｍｍ×１. ８ ｍｍ 的钢板上，反复涂刷，每次涂刷厚度不超过０. ２ ｍｍ，且待上次涂覆的涂层完全干燥后再涂刷下一层，直至涂层平均厚度达到１. ２ ｍｍ。将制备好的试样放在室温下养护３ ｄ。
１. ３ 性能测试
采用自制的防火性能测试简易装置（如图１ 所示）测试防火性能。该装置底部是高温电炉，电炉内部四周用保温棉隔热保温，保温棉的外面是一层铁皮，电炉顶部开口尺寸为１００ ｍｍ×７０ ｍｍ，用来放置待测试样，试样底面距电炉丝９ ｃｍ。测试时，将钢板有涂膜的一面朝下放在电炉上，炉底电炉丝产生高温对涂膜正面加热，钢板背面贴上Ｋ型热电偶，热电偶上面覆盖保温棉，热电偶另一端连接的数据记录器记录下钢板的整个升温过程。当钢板背面的温度达到５００ ℃时，电炉停止加热。以钢板背面温度达到５００ ℃的时间作为防火涂料的耐火时间。
２ 结果与讨论
２. １ 膨胀体系各组分对防火涂料性能的影响
ＡＰＰ、ＭＥＬ、ＰＥＲ 组成的膨胀体系是防火涂料发挥防火阻燃作用的关键，三者之间的配比，对防火涂料的防火性能有重大影响，只有合理的配比才能使防火涂料发挥最大的效能。为了研究ＡＰＰ、ＭＥＬ、ＰＥＲ对防火涂料防火性能的影响，本研究设计了正交实验。实验以硅丙乳液为基料，保持硅丙乳液的比例为３０％（占涂料体系的质量分数，后同），添加２０％的去离子水，选用Ｌ９（３３）正交表来设计实验，考察膨胀体系各组分对水性膨胀防火涂料防火性能的影响。正交实验因子水平表如表１ 所示，表２ 为正交实验数据表，按表中各组分配比配制防火涂料试样，进行防火性能测试。
表２ 中，耐火时间极差Ｒ 是同一组分的最大水平均值与最小水平均值之差，极差分析可以确定各组分之间的主次关系。对实验数据的进一步分析可见，ＡＰＰ 的极差最大，ＭＥＬ 次之，ＰＥＲ 的极差最小。因此，膨胀体系中ＡＰＰ 的用量对水性膨胀防火涂料防火性能的影响最大，其次是ＭＥＬ 的用量，ＰＥＲ 的用量对涂料防火性能影响最小。虽然ＡＰＰ、ＭＥＬ、ＰＥＲ 三组分对防火涂料防火性能的影响不同，但只有当三组分以合适的比例配制防火涂料时，才能使涂料的耐火时间达到最长，从表２ 可见，以防火涂层耐火时间为衡量标准，当ＡＰＰ、ＭＥＬ、ＰＥＲ 的用量分别为２５％、１５％、１０％时，防火涂料的防火性能最佳，耐火时间为１ ８２０ ｓ。
２. ２ 无机粘土用量对防火涂料性能的影响
在防火性能最佳的防火涂料的配方的基础上，分别添加不同比例的绢云母和海泡石，研究２ 种无机粘土对水性膨胀防火涂料性能的影响。为便于研究，绢云母的添加量分别为２. ５％和５％，海泡石的添加量也分别为２. ５％和５％。表３ 是无机粘土用量对防火涂料性能的影响，图２ 是含有不同粘土防火涂料的膨胀炭层，图３ 为含有不同粘土的防火涂料的钢板背面升温曲线。
从表３ 和图２ 可见，当绢云母的添加量为２. ５％时，涂层受热形成的膨胀炭层较疏松，耐火时间为１ ８００ ｓ，比不含粘土的防火涂料的耐火时间少了２０ ｓ；当绢云母的添加量为５％时，涂层受热形成了致密的膨胀炭层，耐火时间为２ ３１０ ｓ，比不含粘土的防火涂料的耐火时间长４９０ ｓ。当添加２. ５％的海泡石时，涂层受热形成了致密的膨胀炭层，耐火时间为２ ４９０ ｓ，比不含粘土的防火涂料的耐火时间长６７０ ｓ；而当海泡石的添加量为５％时，涂层受热形成的膨胀炭层较致密，耐火时间为２ ２２０ ｓ，比不含粘土的防火涂料的耐火时间长４００ ｓ。
从图３ 可见，涂覆了防火涂料的钢板的耐火时间显然比空钢板的耐火时间长，这主要得益于膨胀炭层的保护，延缓热量向基材的传递。添加了无机粘土的防火涂料在受热初期的升温速率小于不含无机粘土的防火涂料：从室温到３００ ℃，添加２. ５％和５％绢云母的防火涂料的升温时间分别为１ ０６５ ｓ和１ ２１５ ｓ，添加２. ５％和５％海泡石的防火涂料的升温时间分别为１ ２１５ ｓ和１ ３５０ ｓ，而不含无机粘土的防火涂料的升温时间是９６０ ｓ。但是，从３００ ～４００ ℃，含有无机粘土的防火涂料的升温速率大于不含粘土的防火涂料，尤其是添加了２. ５％绢云母的防火涂料在这一阶段的升温更快。从４００～５００ ℃，含有粘土的防火涂料的升温又比较缓慢，这是由于无机粘土加固了膨胀炭层，使膨胀炭层牢牢地附着在钢板上。结合表３、图２ 和图３，添加５％的绢云母、添加２. ５％或５％的海泡石都能够提高水性膨胀防火涂料的防火性能，而添加２. ５％的绢云母不能明显提高水性膨胀防火涂料的防火性能。
２. ３ 绢云母改进膨胀体系对水性防火涂料性能的影响
绢云母是层状结构的粘土，在水性防火涂料中会分散成绢云母薄片，延缓势量向基材传导，而纤维状的海泡石在延缓热量传导方面不如薄片状绢云母，因此，选择绢云母来进一步膨胀体系。膨胀防火涂料在膨胀过程中，绢云母薄片会在一定程度上抑制炭层的膨胀，同时增强炭层的强度，而炭层的过度发泡膨胀势必会冲破绢云母薄片层，使绢云母失去应有的增强作用。因此，需要对传统膨胀阻燃体系进行优化改进，重新调整膨胀体系各组分与绢云母的配比，配制出新型水性膨胀防火涂料，并对其进行防火性能测试。表４ 是防火涂料配方及耐火时间，图４ 所示为防火涂料的钢板背面升温曲线。
由表４ 可见，在防火涂料Ｆ１、Ｆ２ 和Ｆ３ 中，保持硅丙乳液、Ｈ２Ｏ、ＡＰＰ、ＭＥＬ 的用量不变，逐步减少ＰＥＲ的用量并增加绢云母的用量，保持ＰＥＲ 与绢云母的用量之和为１０％；而防火涂料Ｆ４ 将ＭＥＬ 的用量降低到１０％，ＰＥＲ 的用量为５％，绢云母的用量为１０％。当ＰＥＲ 与绢云母的质量比为７. ５ ∶２. ５ 和５ ∶５时，防火涂料Ｆ１ 和Ｆ２ 的耐火时间分别为１ ７１０ ｓ和１ ６８０ ｓ；而当ＰＥＲ 与绢云母的质量比为２. ５ ∶７. ５ 时，防火涂料Ｆ３ 的耐火时间为２ ４３０ ｓ。这说明当ＰＥＲ 与绢云母的质量比达到合适的比例时，尽管膨胀炭层的高度有所降低，但是膨胀炭层的强度和致密性得到增强，提高了防火涂料的防火性能。为进一步降低发泡剂ＭＥＬ 释放的气体冲破致密炭层，将ＭＥＬ 的用量减少５％，ＰＥＲ 与绢云母的质量比为５ ∶１０，得到的防火涂料Ｆ４ 的耐火时间超过了３ ６００ ｓ，膨胀炭层致密、强度高，为基材提供良好的防火保护。绢云母作为无机添加剂，随着添加量的增加，炭层致密性逐步增加，但是膨胀炭层的膨胀高度却逐步降低，当绢云母用量超过１０％后，炭层不能有效膨胀发泡，反而使整个膨胀体系的防火性能大大降低，因此绢云母用量最好不超过１０％。
从图４ 可见，防火涂料Ｆ１ 和Ｆ２ 的升温曲线几乎一样，而且从３００～５００ ℃的升温速率很快；而防火涂料Ｆ３ 从３００～５００ ℃ 的升温速率相对缓慢。防火涂料Ｆ４ 从３００～４００ ℃的升温十分缓慢，这主要是由于涂层受热形成了一层坚硬的陶瓷状保护层，大大延缓了热量向基材的传递，从而更好地保护基材免受高温的炙烤。
从以上的研究可见，通过调整膨胀体系各组分与绢云母的配比，适当减少发泡剂和成炭剂的用量，添加适量的绢云母，不仅降低了防火涂料的成本，还能够使水性膨胀防火涂料的防火性能得到提高。
３ 结 语
（１）在防火涂料的膨胀体系中，ＡＰＰ 对防火涂料性能的影响最大，其次是ＭＥＬ，ＰＥＲ 的影响最小。
（２）适量的绢云母或海泡石能够增强炭层的强度，降低防火涂料在受热初期的升温速率，使涂料的耐火时间延长，从而提高水性膨胀防火涂料的防火性能。
（３）通过调整膨胀体系各组分与绢云母的用量，优化改进水性膨胀防火涂料的配方，减少发泡剂和成炭剂的用量，添加适量的绢云母，能够制备出成本低、防火性能优异的水性膨胀防火涂料。当ｍ（ＡＰＰ） ∶ｍ（ＭＥＬ） ∶ｍ（ＰＥＲ）ｍ（绢云母）＝ ２５ ∶１０ ∶５ ∶１０ 时，防火涂料的防火性能得到了极大提高。
