文章来自《涂料工业》2024年第3期

　　陈永明1，付振平1，郭必泛1，罗伟昂1，2，3，许一婷1，2，3，戴李宗*1，2，3

　　（1.厦门大学材料学院，福建厦门361000；2.福建省防火阻燃材料重点实验室，福建厦门361000；3.厦门市防火阻燃材料重点实验室，福建厦门361000）

　　摘要

　　防火涂料是近年来关注度较高、发展迅猛的特种功能涂料，被广泛应用在城市高楼、隧道和古建筑的保护等众多领域。从防火涂料的结构设计、性能改进以及标准化更新等角度出发，综述了钢结构防火涂料、饰面型防火涂料和隧道防火涂料近年来国内外的研究进展。简述了防火涂料的未来发展趋势，并对新一轮的技术革新提出构想。

　　关键词

　　防火机理；钢结构防火涂料；饰面防火涂料；隧道防火涂料

　　作为参考文献时的标准著录格式

　　陈永明，付振平，郭必泛，等.防火涂料的研究进展[J].涂料工业，2024，54（3）：54-58，65.

　　CHENYM，FUZP，GUOBF，etal.Researchprogressoffireretardantcoatings[J].Paint&CoatingsIndustry，2024，54（3）：54-58，65.

　　DOI

　　10.12020/j.issn.0253-4312.2023-350

　　第 一作者

　　陈永明（1997—），男，在读博士，主要研究方向为环氧树脂的阻燃改性。

　　通信作者

　　戴李宗（1959—），男，博士，教授，主要研究方向是防火阻燃材料、固体表面涂层材料、黏合剂等。

　　防火涂料是一种特种功能涂料，在保护人民的生命财产安全方面具有重要意义。防火涂料由成膜物、膨胀体系、填料和功能助剂等组成。根据防火涂料对物体起防火作用的原因可以归纳为：（1）本身具有难燃或不燃性，使被保护的可燃基材不直接与空气接触而延迟基材着火燃烧；（2）遇火受热可分解出不燃性的惰性气体，冲淡被保护基材受热分解出的易燃气体或空气中的氧，从而抑制燃烧；（3）遇热能生成减缓及终止燃烧连锁反应的自由基，有效防止火焰的扩散蔓延；（4）遇热膨胀，形成隔热、隔氧的膨胀炭层，阻止基材升温或燃烧。

　　我国防火涂料的发展起步较晚，但得益于社会关注度的提高和后发的技术优势，整体发展速度较快，尤其是钢结构防火涂料的品种、技术、性能、应用效果和标准化程度等已经迎头赶上。本文主要介绍钢结构防火涂料、饰面型防火涂料和隧道防火涂料近年来的研究进展。

　　1钢结构防火涂料

　　钢材是应用较广的建筑材料，但其耐火性低，高温下钢材的刚度和强度快速降低，在外力协同作用下会迅速发生破坏，对建筑物结构的安全性造成严重威胁。根据BSEN-1993-1-2：2007《欧洲规范3：钢结构设计——第1-2部分：总则——结构防火设计》，钢材在550～600℃时的刚性强度较常态下降低50%，而在750℃时减小90％，使得建筑坍塌毁坏，造成重大人员伤亡和经济损失。在钢结构建筑表面涂装防火涂料，能够有效隔绝火场的高温，极大地延长钢结构达到临界温度（540℃）的时间，是国际上钢结构建筑有效而通用的防护措施。GB14907—2018《钢结构防火涂料》的发布，修改了钢结构防火涂料耐火性能的要求和试验方法，普通钢结构防火涂料和特种钢结构防火涂料采用不同的火灾升温试验条件进行试验，并分别进行耐火性能分级；还增加了耐紫外线辐照性和隔热效率偏差方面的要求，使我国钢结构防火涂料标准更接近国际标准要求，进一步引导了我国钢结构防火涂料的发展。按照防火原理，可分为非膨胀型和膨胀型钢结构防火涂料两类。

　　1.1非膨胀型钢结构防火涂料

　　非膨胀型防火涂料，也称为厚涂型防火涂料，通常应用于普通工业与民用建（构）筑物的钢结构表面或石油化工设施、变电站、海上钻井平台等特殊建（构）筑物的钢结构表面。非膨胀型防火涂料一般由水泥基或石膏基等无机类成膜物或聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯等有机类成膜物，防火填料（氧化铝、石棉粉、高岭土、碳酸钙、硅藻土、石棉纤维、二氧化硅纤维等），及适量助剂组成。通过涂层自身的难燃性和低导热系数在基材与火源之间形成阻隔层，达到防火的效果。以无机类成膜物的非膨胀型防火涂料存在黏结强度较差、抗开裂性不足及养护时间长等问题，这将导致高温下涂层难以阻挡热量向基材的传播，造成脆性破坏等问题。通常改善黏结强度的方式有调控砂浆水灰比，改善施工技术，使用无机/有机成膜物复配等。研究发现，向磷酸铵镁水泥防火涂料中分别引入0.5%的玄武岩和0.5%的聚丙烯纤维，并调整合适的水灰比，可以明显改善涂料的黏结强度和抗开裂性，耐火性能相比改性前分别提高了22.09%和11.63%。此外，在防火涂层表面贴防火隔层也能提升防火效果。例如，在改性磷酸镁水泥上粘贴碳纤维布能够增强防火涂料的黏结耐久性、耐火性及高温剥落性能。

　　厚涂型防火涂料的涂层较厚，质量大，这增大了钢结构建筑的承质量负担，如何降低防火涂料的干密度和导热系数成为研究人员关注的热点，采用蛭石、珍珠岩、粉煤灰空心微珠、气凝胶、发泡聚苯乙烯、微囊相变材料和复合相变材料等多种轻质填料来替代传统的隔热填料，可为降低厚涂型防火涂料的质量起到关键作用。几种常见轻质填料的特征如图1和表1所示。

　　表1常见轻质填料的优缺点

　　Table1Advantagesanddisadvantagesofconventionallightweightfillers

　　整体而言，非膨胀型钢结构防火涂料近年来的研究主要集中在开发轻质化填料、提高涂层抗高温开裂和脱落性能、简化施工工艺等方向。

　　1.2膨胀型防火涂料

　　相对于非膨胀型防火涂料，膨胀型防火涂料具有轻薄（厚度应≥1.5mm）、装饰性好、施工快，且耐火时间与非膨胀型防火涂料相当等优点，是大跨度钢结构建筑的热门选择，其中超薄型防火涂料备受青睐。膨胀型防火涂层在常温下为普通涂膜，而在高温作用下涂层可膨胀几倍甚至几十倍，形成不易燃的海绵状炭质层，起到阻隔外部热源的作用。膨胀型防火涂料常见的成膜物有环氧树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂等。环氧树脂具有优异的密封性和装饰性，被广泛应用于室外防火涂料；聚氨酯树脂具有成膜温度低、附着力强、耐化学品性优良等优点，被广泛应用于工业防护用防火涂料；丙烯酸树脂干燥速度快、耐候性好、单组分等特点，被广泛应用于室内防火涂料。但这些成膜材料都极易燃烧，且燃烧后的炭层非常疏松，不利于基材在高温下的保护。为了使膨胀型防火涂料受火时产生膨胀致密的炭层，使基材获得更长的耐火时间，研究人员往往需要向树脂中加入膨胀体系。根据各组分在膨胀体系中的作用，它可以归类为炭化剂（炭源）、炭化催化剂（酸源）、膨胀剂（气源）等。膨胀致密炭层的形成往往需要多种填料的协同作用。例如，以纳米二氧化硅（SiO2）改性聚磷酸铵（APP）合成了微纳结构磷/氮/硅填料（APP@Si），并采用无溶剂法制备了高性能膨胀型环氧防火涂料，添加量为10%时，涂层达到UL-94V-0等级。背温测试中，在加热1200s的情况下，涂有该膨胀型防火涂料的背板温度低至126.4℃，比涂覆纯EP涂层的低221.5℃。Sun等以4-氨基苯硫酚、4-甲酰基苯硼酸、苯基三氯硅烷为原料合成出一种含P/Si/B的星型填料，在6%的添加量下，涂层符合UL-94V-0等级。国外研究人员将硅灰石和膨润土作为消耗性石墨的增强材料，并搭配三聚氰胺、聚磷酸铵、可膨胀石墨鳞片和硼酸等，在硅灰石/膨润土（质量比为1∶1）添加量为4%时可实现防火实验199min后基板**高温度只有166℃，有效地降低了热渗透性。填料的添加是实现高 效防火的便捷方法，但往往也需要高添加量才能达到理想的防火效果，然而高添加量可能会造成涂层分相，牺牲涂层的力学等性能。因此，制备低成本、添加量少，并且与树脂体系相容性好的填料是这一体系的**终目标。

　　此外，向涂层中添加石墨烯、氮化硼（BN）、MXene、氧化锌和可膨胀石墨（EG）等填料也可以提高燃烧后炭层致密性和涂层的隔热效果，但填料在树脂体系中分散不均匀，会造成涂层表面不平整或出现相分离，从而导致涂层的系列问题。修饰填料表面，增强其与树脂体系的相容性是解决相分离问题的关键。多糖因其表面富含羟基，常被用于填料的表面改性，不仅可以增加填料与树脂的相容性，也可以作为炭源提高涂层的成炭性。Chen等采用葡萄糖对碳微球（CMS）进行包裹，并在修饰的微球上负载硫化钼纳米片（MoS2），所制备的CMS@MoS2核壳杂化物用于改性环氧树脂，当负载为3%时，涂层的膨胀高度为16.87mm（膨胀率13%），残炭率达30.6%，展现出优异的防火性能。此外，在填料表面进行有机酸（磷酸、硼酸等）包覆，有利于催化涂层受热后形成致密炭层。Wang等采用苯基硼酸修饰的磷酸锆（ZrP-M）纳米片提高了膨胀型防火涂料的耐火性、抑烟性、热稳定性和耐水/酸/碱性，在3%ZrP-M的添加量下，峰值热释放速率（pHRR）、总释放热（THR）和总烟释放速率（TSR）分别降低了74.3%、74.5%和41.9%，并且成炭率和水接触角分别达到70.9%和116.9°，优异的防火性和炭化能力使其优于商用防火涂料。

　　燃烧过程中，膨胀炭层通常会出现开裂或脱落的缺陷。为了解决这一问题，研究人员设计出多功能插层可膨胀石墨-羟丙基甲基纤维素-脲嘧啶酮体系，用其制备的防火涂料在耐火实验中可使钢板的正面和背面温度分别保持在400℃和85℃。随着人们环境保护意识的增强，生物质材料也逐渐被应用到钢结构防火涂料中。将生物质腐植酸作为酸源之一，与聚磷酸铵、三聚氰胺和硼酸锌组成的新型环保生物质膨胀涂料也能够赋予钢结构优异的耐火性。提高膨胀型防火涂料性能还可以通过设计双膨胀结构来实现。Geoffroy等设计了由2种不同的膨胀涂料和金属层压组成的双层膨胀结构，当火灾发生时，外层率先膨胀隔热，附着在涂层中间的铝箔起到防火作用，当铝箔升高至一定的温度才能引发**内层防火涂料的膨胀，这种设计使涂层在火灾中暴露30min后仍能保持对基材的良好附着。近年来，膨胀型钢结构防火涂料在配方的调控、膨胀体系的开发、无机填料的表面修饰、二维材料和生物质材料的应用等方面都取得了不错的成绩。

　　2饰面型防火涂料

　　饰面型防火涂料与人们的生活息息相关，通常涂覆在可燃基材（如木质结构、古建筑、纤维板、纸板及制品）表面，具有一定装饰作用。根据GB12441—2018《饰面防火涂料》规定，饰面型防火涂料需要具有一定装饰作用，附着力≤3级，细度≤90μm，受火后能膨胀发泡形成隔热保护层，炭化体积≤25cm3。

　　木质结构具有多孔结构，且极易燃烧，当暴露在水、氧气和太阳直射等环境下会经历一个缓慢的老化过程。因此，在木质结构上涂装防火涂料不仅要兼顾防火性能，还需要具有表面抗菌、疏水、耐候、紫外线屏蔽等性能。涂层在木材上的良好涂装是获得优异性能的前提，为了使涂层更好地涂覆在木材表面，通常采用基材表面处理和特殊涂装技术等方式提高涂料与基材的黏合。增强涂层在木材上的附着，还可以向树脂基材中加入与木材成分相似的碳水化合物，比如将壳聚糖用次磷酸改性，再进行离子络合，与商用环氧树脂复配后所涂覆的木材在对比实验下展现出优异的耐火性能。其次，木制品使用过程中造成的表面划痕不可避免，开发自修复涂层可以更好地保护木材的美观，通过设计具有逐层结构的聚（丙烯酸）-金刚烷胺/聚磷酸铵-聚（亚乙基亚胺）-β-环糊精涂层，在主客体的相互作用下可以实现表面自修复，且聚磷酸铵的存在使涂层在燃烧下具有较好的成炭性，起到很好的防火效果。此外，在古建筑的保护中往往需要保留建筑物本身的美学价值，因此，兼具装饰和防火功能的透明涂层极 具应用前景。纳米ZnO因具有光催化活性、紫外线屏蔽效果、抗菌、耐候等特性，在这类涂料中被广为应用。将磷酸酯化学接枝到纳米ZnO表面，从而改善纳米ZnO与树脂的相容性，其与树脂混合后制备出了兼具阻燃、抗菌、紫外线屏蔽等多功能透明防火涂料。磷酸酯不仅可以改性纳米粒子的表面，还可以与环氧树脂反应合成磷酸树脂酸，并用氨基树脂固化，得到水性透明防火涂料；也可以和聚乙二醇硼酸酯进行酯化反应，合成出含磷硼的填料，并在季戊四醇和三聚氰胺甲醛树脂的搭配下实现热稳定性更好、炭层膨胀性更好、致密程度更高的透明防火涂层。此外，也可以将磷酸酯接枝到氧化石墨烯表面，由于其均匀分散和完全剥落的状态，掺入到氨基树脂后能够制成透明防火涂料，减少木材的火灾隐患。

　　纳米技术的发展也为饰面型防火涂料的发展提供了有效的解决方案。例如，将木材与黏土、Mg-Al层状双氢氧化物和碳酸钙制成的杂化无机纳米颗粒被证明可以形成具有良好耐热性和难燃性的功能性无机/有机材料。CaAlCO3 层状双氢氧化物也被认为是制备木材用膨胀防火涂层的有效方案之一。

　　3隧道防火涂料

　　隧道防火涂料与钢结构防火涂料类似，但隧道防火涂料面临的气候环境和地形地貌更为复杂多变，还需考虑汽车尾气的腐蚀和干湿反复作用等。JT/T1308—2020《公路工程隧道防火涂料》对隧道防火涂料的技术提出了要求，黏结强度在冻融前≥0.30MPa；冻融后≥0.20MPa；干密度≤700kg/m3；耐水性在≥720h试验后涂层不出现开裂、起层和脱落等问题，耐火性能升温时达到1.5h以上，降温时达到1.83h以上。

　　改善涂层的耐水性可以有效阻止水分渗透，保护墙体结构，通常选用硅酸盐类水泥可以改善涂层疏水性。有专利报道，将硅酸盐类水泥/高铝水泥与丙烯酸乳胶组合，并加入填料[膨胀珍珠岩、膨胀蛭石和超细粉（0.01~0.1μm）]和助剂，被证明可以形成疏水表面，又能渗透到底材内部形成结晶体遏制水的通过，达到双重防水效果，并兼具涂层薄、黏结强度高、绿色环保的优点。利用可膨胀石墨粉的耐高温、膨胀倍数高、隔热效果强的特点替换涂料配方中的季戊四醇，并与速溶胶粉、三聚氰胺和三聚磷酸铵复配，从而改善了隧道防火涂料的耐水性。隧道防火涂料作为国防和民用工程中的重要保障，它在我国的发展较为缓慢，未来，突破隧道涂层的抗干湿稳定性、抗开裂性和耐候性等是迫切需要解决的关键技术。

　　隧道内火灾发生时，产生的大量烟气往往难以排除，将对受灾人群产生致命威胁，涂料配方设计时需要考虑低烟释放总量和更高等级的耐火性能。此外，如何在信息化时代中将防火涂层与实时信息相结合，实现灾情的精准定位或许会是新一轮涂层技术的改革。

　　4结语

　　科技的进步让人们意识到了防范火灾发生的重要性，并促进了防火科学技术的进步，我国系列防火涂料标准的修订对防火涂料提出了更高的要求。在近些年的研究中，涂料配方的设计、膨胀体系、新型填料以及二维材料和生物质材料在防火涂料中的应用不仅有效提高了涂层的耐火性能，也丰富了涂层的功能。其中，膨胀型钢结构防火涂料取得的进展尤为明显。饰面型防火涂料近年来提出的纳米技术和仿生结构设计为工程材料（尤其是木材）防火性能的改善提供了更环保的解决方案，也为古建筑的防火提供了新思路。当前对隧道防火涂料的研究依旧较少，主要集在改善涂层耐候性、提高耐火时间和低烟、抗开裂的研究上。总体而言，防火涂料依旧以有机类为主，防火涂料实现水性化转型和生物材料替代化工材料依然是防火涂料的发展方向。未来，如何实现防火涂层作用后的便捷清理和重新涂装便于灾后重建以及将信息技术与智能防火涂层相结合，使其融入到大数据中，为火灾救援提供及时的精准定位可能是一种新的变革。