新型耐火耐候结构钢材钢结构力学性能基础理论研究项目摘要

提高钢结构的耐火性能的方法：

由于钢结构耐火性能差，在火灾高温作用下将很快失效倒塌，耐火极限仅15-，因此，对用于重要建筑物的钢结构，需进行耐火保护。以提高其耐火性能。目前，世界各国对钢结构采用多种方法进行保护这些方法从原理上来说可分为两种：截流法和疏导法：

1、截流法截流法的原理是截断或阻滞火灾产生的热流量向构件的传输，从曲使构件在规定的时间内温升不超过其临界温度。其做法足在构件表面设置一层保护材料。火灾产生的高温首先传给这些保护材料，再由保护材料传给构件。由于所选材料的导热系数较小。而热容又较大，所以能很好地阻滞热流向构件的传输，从而起到保护作用。截流法又分为喷涂法、包封法、屏蔽法和水喷淋法。喷涂法是用喷涂机具将防火涂料直接喷涂在构件表而，形成保护层；包封法是用耐火材料如防火板材、混凝土或砖、钢丝网抹耐火砂浆等把构件包裹起来；屏蔽法是把钢构件包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内，主要适用于屋盖系统的保护；水喷淋法是在结构顶部设喷淋供水管网，火灾时自动启动（或手动）开始喷水，在构件表面形成一层连续流动的水膜，从而起到保护作用。

2、疏导法疏导法与截流法不同。疏导法允许热流量传到构件上，然后设法把热量导走或消耗掉，同样可使构件温度不至升高到临界温度，从而起到保护作用。

以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成，供参考，如有问题请及时沟通、指正。

“新型无机耐火纸”科普系列（四）

新型多模式防伪耐火纸

导读

Introduction

中科院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员科研团队多年来对“新型无机耐火纸”进行了坚持不懈的探索与研究，除了研制出能包住火的新型耐火纸、不惧水火的超级纸外，还在不断扩展耐火纸的功能和应用领域。在前一篇系列科普文章中，我们介绍了“新型抗菌耐火纸”。现在让我们一起来了解一种“新型多模式防伪耐火纸”吧。

如今，假冒伪劣商品泛滥，严重影响了人们的日常工作和生活，甚至威胁到普通大众的身体健康与安全。这些假冒伪劣商品突出的特征是在商标标识和包装上使用与名牌产品相同或相似的图案和风格。据估计，全球每年贸易中假冒伪劣商品的总价值大约为5000亿美元。更为严重的是，伪造货币及重要证件也越演越烈。因此，伪造与防伪之间的矛盾越来越尖锐，防伪技术对识别和防止假冒伪劣商品日益彰显其重要性，在产品上附加防伪标志成为制造企业自我保护的一种有效措施。

目前，荧光防伪纸是常用的防伪材料之一。荧光防伪纸具有使用方便、易辨别的优点，广泛应用于钞票、证券、证件及防伪包装材料等。荧光防伪纸通常是将发光物质与植物纤维混合或涂覆在其表面，从而实现荧光防伪功能。但是，传统荧光防伪纸是由植物纤维为原料制备而成的，但植物纤维热稳定性差，遇到高温或者火容易碳化燃烧，并且在空气和光照的作用下纸会逐渐变黄，稳定性不理想。另一方面，如今伪造手段越来越高超，单一的荧光防伪技术难以达到有效防伪的目的。集多种防伪手段于一体的高安全性防伪技术日益受到青睐。众所周知，任何单一或科技含量低的防伪技术，很难有效地起到防伪作用。防伪技术的科技含量和水平越高，仿冒的难度就越大，防伪的效果也就越好。因此，研制集多种防伪手段于一体的新型高安全性多模式防伪技术具有重要的意义和应用价值。

如上所述，荧光防伪纸需要使用发光材料。只要谈到发光材料，人们通常就会想到稀土元素。稀土元素总共有17个元素，包括化学元素周期表中的15个镧系元素以及钪和钇元素。稀土元素因其特殊的电子结构，具有丰富的电子能级和激发态，呈现出一般元素所无法比拟的光谱性质，其发光几乎覆盖了整个固体发光的范围，所以稀土元素是一个巨大的发光宝库。中国是稀土大国，拥有得天独厚的稀土自然资源优势，并且品种齐全，中国无论是储量还是产量在世界稀土市场上都占有举足轻重的地位。

在之前的“能包住火的神奇耐火纸”科普文章中，介绍了中国科学院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员科研团队发明的一种新型无机耐火纸，该新型无机耐火纸的发明使“纸能包住火”成为现实。新型无机耐火纸是由人工合成的羟基磷灰石超长纳米线作为原料制成的，其外观与普通植物纤维纸相似，可以用于书写以及打印机彩色打印，但神奇的是，它可以耐高温，遇火不燃烧，即使在1000℃的高温下仍然可以保持其完整性。该新型耐火纸有望应用于重要文件例如档案和书籍的长久安全保存。此外，新型耐火纸还具有多种其它用途，在多个领域具有良好的应用前景。

在以上研究工作基础上，朱英杰团队成功地研制出一种有望应用于防伪领域的新型多模式防伪耐火纸。该团队通过原位掺杂稀土离子和表面修饰，实现了羟基磷灰石超长纳米线耐火纸的多功能化，使耐火纸具有荧光、防水、自清洁、耐高温、耐火等多种性能，实现了遇火不燃、遇水不侵、还可发出各种颜色的光。

新型多模式防伪耐火纸具有良好的柔韧性及可加工性，可以任意卷曲、剪裁及折叠成各种所需的形状，具有存储和使用便利的优点。此外，新型多模式防伪耐火纸还可以用于书写和打印机彩色打印，便于印刷制作成防伪标签。

新型多模式防伪耐火纸在可见光中呈现优质的白色，但在特定的紫外光照射下可以发出不同颜色的光及显示特定图案。通过调节掺杂到羟基磷灰石超长纳米线中的稀土离子的种类和比例，可以调控其发光颜色和发光强度，这样就可制备出一系列不同发光颜色和可调控发光强度的多模式防伪耐火纸，即使是在高温加热或者在火中灼烧后仍然可以保持良好的发光性能。

新型多模式防伪耐火纸具有优异的耐高温和耐火性能，这一独特的性能为高安全性防伪提供了另一个有效保障，只要用打火机点一下火就可以与普通的易燃防伪标签很方便地区别开来。

新型多模式防伪耐火纸独特的纳米尺度微观结构，可有效地将多模式防伪耐火纸与普通防伪纸区别开来，从而更进一步提高其防伪的效果和安全性。

综上所述，新型多模式防伪耐火纸集多种高科技于一体，其多功能性可大大提高防伪的水平，具有高效和高安全性的防伪效果，有望应用于钞票、证券、证件、防伪标签以及防伪包装等防伪领域，具有良好的应用前景。

图1. 新型多模式防伪耐火纸在可见光中呈现优质的白色，具有良好的柔韧性，可以任意卷曲，还可以用于书写和打印机彩色打印

图2.掺杂不同种类稀土离子或不同浓度稀土离子的新型多模式防伪耐火纸：(a)多模式防伪耐火纸在可见光下都呈现白色；(b) 多模式防伪耐火纸在紫外光照射下发出不同颜色的光；(c)多模式防伪耐火纸具有良好的可加工性，在防伪领域具有良好的应用前景

图3. 新型多模式防伪耐火纸在可见光中呈现优质的白色，但在紫外光照射下可以显现出特制的图案

图4. 新型多模式防伪耐火纸具有超疏水性能，可以防水，放入染色的水中取出后仍然洁白如初，不会被水浸湿，也不会染上颜色；还具有自清洁功能，在纸上的灰尘和泥土用水冲洗即可清洁干净。新型多模式防伪耐火纸可长时间使用而不易被污染。

图5. 新型多模式防伪耐火纸具有优异的耐火性能，在火中灼烧不燃烧

图6.新型多模式防伪耐火纸具有优良的耐高温性能。(a)普通纸在300℃加热10分钟就碳化变黑；(b)新型多模式防伪耐火纸在300℃加热60分钟后仍然洁白如初保持完好；(c)新型多模式防伪耐火纸在高温加热后仍然可以保持良好的发光性能。

作者：中科院朱英杰

来源：中国微米纳米技术学会