硼酸对防火涂料附着力的改进

硼酸对防火涂料附着力的改进

膨胀型防火涂料在火灾中会形成蓬松的炭层，炭层与基材之间的附着力是决定涂料能否长时间保护钢结构、木质结构或电缆的关键因素。传统中，随着聚磷酸铵（APP）、季戊四醇（PER）等组分用量的增加，炭层发泡倍率提高，但炭层脆性增大，在火灾震动的条件下容易脱落。近年来的试验表明，适量引入硼酸可以改善炭层的致密性，降低收缩内应力，从而显著改进防火涂料的初始附着力、耐水附着力和耐火后残余附着力。

硼酸在受热时于约 170℃ 开始脱水，逐步生成偏硼酸和三氧化二硼（B₂O₃）。B₂O₃在较低温度下形成玻璃态液相，能填充炭层内部的微孔和裂纹，形成连续、致密的陶瓷化结构。与此同时，硼酸可与聚磷酸铵分解产生的磷酸或聚磷酸反应，生成硼磷酸盐或含硼交联结构，使炭层的交联密度增加。交联密度的提高可减少炭层高温收缩造成的界面剪切应力，使炭层“钉扎”在钢基材或木质基材表面，避免起泡和剥离。因此，硼酸改进附着力的本质是“界面结合力增强”和“内应力释放”双重作用的结果。

以下数据根据实验室标准试验整理。拉拔附着力测试参照 GB/T 5210，划格法附着力参照 GB/T 9286，耐水性能为浸水 24h 后取出、室温干燥 2h 测得的残余拉拔强度。基材为喷砂除锈钢板，干膜厚度 300μm，养护 28d。

表1 硼酸添加量对防火涂料附着力的影响

硼酸添加量（占固体质量%）	划格法附着力（级）	拉拔附着力（MPa）	耐水24h后拉拔附着力（MPa）	漆膜表观状态
0.0%	1级	0.85	0.58	炭层较脆，表面有微裂纹
0.5%	1级	0.92	0.69	炭层较完整，光泽均匀
1.0%	0级	1.18	0.88	炭层致密，泡孔较均匀
2.0%	0级	1.26	1.02	炭层泡孔细密，无开裂
3.0%	1级	1.05	0.72	局部轻微鼓泡，边缘附着下降
5.0%	3级	0.54	0.31	表面析出白色结晶，耐水性变差

从表1可以看出，硼酸添加量并非越多越好。当添加量在 1.0%～2.0% 时，拉拔附着力最高，耐水后残余强度保持在 0.88～1.02 MPa，明显优于未添加体系。这是因为少量硼酸改善了乳液与填料之间的润湿性和氢键作用，使涂层与基材的接触面积增大。而当添加量超过 3.0% 后，硼酸的水溶性和结晶析出倾向导致涂层内出现可溶性盐迁移，漆膜在干燥过程中产生内应力，耐水性和附着力同时下降。

硼酸还会影响炭层的膨胀行为。添加适量硼酸后，炭层在高温下的强度提高，膨胀倍率不会过高，从而避免了炭层因过度膨胀而“浮起”和剥离。表2给出了硼酸添加量对膨胀炭层和防火性能的影响，其中残炭率由 TGA 在 600℃ 氮气气氛下测得，耐火时间参考大板燃烧法试验。

表2 硼酸添加量对炭层性能与耐火性能的影响

硼酸添加量（%）	膨胀倍率	600℃残炭率（%）	炭层结构描述	耐火时间（min）
0.0%	12倍	23.5	孔洞大而松散，局部塌陷	48
1.0%	15倍	27.2	泡孔均匀，外层较硬	55
2.0%	18倍	29.8	泡孔细密，炭层连续	63
3.0%	16倍	28.5	炭层致密但表面有少量鼓泡	58
5.0%	11倍	25.1	炭层脆化，边缘卷起	42

在设计中，建议将硼酸用量控制在总固体质量的 1.5%～2.0% 左右。硼酸应先溶于少量去离子水中，在搅拌状态下缓慢加入浆料，避免局部浓度过高与乳液发生破乳。硼酸加入后，浆料 pH 值会略有下降，可配合适量 pH 调节剂稳定体系。对于需要更高耐火极限的厚涂型防火涂料，硼酸可与可膨胀石墨、玻璃粉、硅烷偶联剂等配合使用，利用玻璃粉的低熔点烧结效应进一步增强炭层与基材之间的无机锚固力。

表3 含硼防火涂料参考（质量份）

组分	质量份	主要作用
聚磷酸铵（APP）	18～22	酸源，促进成炭
季戊四醇（PER）	8～10	炭源，提供膨胀碳骨架
三聚氰胺（MEL）	6～8	气源，产生不燃气体
硼酸	1.5～2.0	成炭强化剂，改进附着力
钛	3～5	遮盖力，耐候性
苯丙乳液	20～25	成膜物质，附着载体
分散剂、消泡剂、增稠剂	适量	施工性能调节
水	补足至100	分散介质

除了附着力之外，硼酸对防火涂料的其他性能也有扩展性影响。适量硼酸可以提高涂层的抗火焰冲击能力，使炭层在高温气流冲刷下不易脱落。硼酸分解产生的 B₂O₃ 还具有一定的抑烟作用，与三聚氰胺复配时可减少烟气中未燃碳颗粒的释放。但在潮湿环境下，硼酸含量过高会增大涂层的吸湿率，因此南方高湿地区或户外钢结构涂层中，建议采用硼酸锌或硼酸铵部分替代硼酸，以平衡附着力与耐水性。

综合现有研究和试验数据可以得出：硼酸是膨胀型防火涂料中兼具阻燃与附着力改进功能的关键助剂。在 1.0%～2.0% 的添加范围内，它能够通过生成玻璃态 B₂O₃、提高炭层交联密度、降低内应力，使涂层在常温和高温条件下均保持良好的界面结合力。超过 3.0% 后，附着力和耐水性显著恶化。因此，优化时应以“硼酸溶解度、树脂相容性、炭层强度”三者平衡为核心，并通过划格试验、拉拔试验和耐水试验进行系统验证。今后，将硼酸与纳米填料或有机硼化合物复配，是进一步提升防火涂料附着力的重要发展方向。