隨著社會文明持續(xù)發(fā)展與進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)憑借高強(qiáng)度、輕量化、施工便捷等優(yōu)勢，在現(xiàn)代建筑領(lǐng)域占據(jù)重要地位。然而，鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)的耐火性能較差，存在安全隱患。鋼材在高溫環(huán)境下會迅速升溫，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。當(dāng)達(dá)到一定溫度時，鋼結(jié)構(gòu)的承載能力會大幅下降，極易引發(fā)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)與破壞。火災(zāi)發(fā)生時，若鋼結(jié)構(gòu)溫度升至 450~650 ℃，就可能喪失承載能力，致使建筑物垮塌，對人們的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。 保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的重要性不言而喻，防火涂料在火災(zāi)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它能夠形成一層隔熱層，有效延緩鋼結(jié)構(gòu)的升溫速度，提高其耐火極限。在火災(zāi)發(fā)生時，防火涂料通過膨脹、炭化等方式，將熱量隔離在鋼結(jié)構(gòu)表面，減少熱能向內(nèi)部傳遞，不僅可以確保鋼結(jié)構(gòu)的安全性，而且可以大大減少火災(zāi)對建筑物的破壞力，進(jìn)而減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。防火涂料是滿足建筑消防安全要求的重要手段，對于維護(hù)社會穩(wěn) 定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

防火涂料主要分為厚涂型、薄涂型和超薄型3類。厚涂型防火涂料以無機(jī)絕熱材料為主體，涂層厚度一般為25 mm 左右，遇火不會膨脹，也被稱為非膨脹型防涂料薄涂型防火涂料的涂層厚度在3~7 mm 之間；超薄型涂料的涂層更薄在3mm 以下。薄涂型和超薄型防火涂料在遇火受熱后迅速膨脹，起到隔熱防火的作用也被稱為膨脹型防火涂料。目前，人們對防火涂料的防火作用機(jī)制認(rèn)知比較統(tǒng)一。

非膨脹型防火涂料的涂層本身具有很好的隔熱性能， 通過物理隔熱減緩熱量向基材的傳導(dǎo)速率來防火；同時，在高溫作用下，涂料中的部分成分也會受熱蒸發(fā)或分解，消耗火災(zāi)產(chǎn)生的熱量。對于膨脹型防火涂料，人們普遍認(rèn)為，在高溫環(huán)境下，涂層中的基料乳液 、膨脹阻燃體 系以及填料發(fā)生一系列化學(xué)變化。這些化學(xué)反應(yīng)不僅能吸收熱量，降低基材表面升溫速率，同時還會釋放水汽、NH3等不可燃?xì)怏w，降低基材周圍的氧氣濃度，從而延緩燃燒強(qiáng)度。更重要的是，涂層中的膨脹阻燃體系在高溫下會迅速發(fā)泡膨脹，形成具有極低熱導(dǎo)率［0.08 ~ 0.15 W/（m·k）］的海綿狀致密膨脹炭層，進(jìn)而減緩熱量向基材的傳導(dǎo)速率，提升耐火極限。通常來說，非膨脹型涂料通常以高密度無機(jī)材料（如硅酸鹽、蛭石）為主體，通過物理隔熱機(jī)制實現(xiàn)耐火極限＞3 h 的優(yōu)異性能，但其涂層較厚，導(dǎo)致表面粗糙且難以著色，施工需多層涂覆并配合專用設(shè)備，施工周期長；相比之下，膨脹型涂料主要為膨脹阻燃體系，其涂層本身厚度薄，但在火災(zāi)中受熱可迅速形成厚度達(dá)50倍的致密膨脹炭層，達(dá)到良好的隔熱效果，兼具裝飾性好和施工便捷的優(yōu)勢。

但膨脹型涂料在長期紫外線或濕熱等環(huán)境下易發(fā)生粉化或剝離缺陷 耐候性一般。在工業(yè)實踐中，通常根據(jù)實際應(yīng)用場景，選擇更適宜的防火涂料類型。現(xiàn)如今，非膨脹型防火涂料仍然是建筑與工業(yè)防火的關(guān)鍵防火材料之一，占據(jù)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的主要市場。隨著超高層建筑、異形鋼結(jié)構(gòu)及裝配式建筑的快速發(fā)展，防火涂料的性能需求已從單一耐火性向多功能集成演進(jìn)，要同時兼顧裝飾性、施工便捷等多方面因素，這也驅(qū)動著膨脹型防火涂料領(lǐng)域的飛速發(fā)展。值得注意的是，膨脹型涂料在極端環(huán)境下的性能瓶頸仍待突破，也是未來該領(lǐng)域的重點發(fā)展方向。

防火涂層的防火性能是最重要的核心指標(biāo)，而熱傳導(dǎo)率是直接決定涂層防火性能的關(guān)鍵要素。低熱導(dǎo)率可有效抑制熱量傳遞，增強(qiáng)防火效果。同時， 膨化層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其與基材的黏附性也直接關(guān)系到涂層的抗火性能。若結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足或黏附性欠佳，在火災(zāi)高溫下，膨化層易脫落或破損，削弱抗火能力。成膜材料的物化性能，膨脹阻燃體系的組成和配比及其在高溫下熱分解和發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的速率，共同決定致密膨脹炭層的厚度與強(qiáng)度。防火涂料的耐火性能取決于膨脹炭層的微觀結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性，其中多孔結(jié)構(gòu)的致密性、炭層的均勻一致性以及高溫下的抗脫落或破損能力是最核心的影響因素。總體來說，膨脹型防火涂料內(nèi)部各組分相互配合、協(xié)同作用，共同提高了基材的耐火性能。

成膜物質(zhì)是膨脹型防火涂料的核心組分，其作用是在鋼材表面形成連續(xù)、致密的保護(hù)層，并在高溫下維持涂層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與黏附性。作為涂料的基體材料，成膜物質(zhì)需同時滿足涂料的常溫性能和高溫性能。具體來說，在常溫條件下，成膜物質(zhì)必須要具有優(yōu)異的成膜性，還必須有較好的耐候性和適宜的機(jī)械強(qiáng)度，以保證涂料在施工及使用期間很好地涂敷在基材表面不脫落或開裂；另一方面，在火災(zāi)發(fā)生時，成膜物質(zhì)仍需保證一定的高溫黏附性，更重要的是要能與膨脹阻燃體系協(xié)同作用，形成穩(wěn)定的多孔炭層，有效隔絕熱量傳遞。成膜物質(zhì)參與成炭反應(yīng)，其熔融和熱解溫度需與酸源熱解作用相匹配，這樣才能生成均勻、致密、強(qiáng)度高的膨脹炭層。此外，降低揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）排放也是防火涂料中成膜物質(zhì)選材的重要考量之一。

目前常用的成膜物質(zhì)主要包括丙烯酸樹脂、環(huán)氧 樹脂、聚氨酯及硅丙乳液等。例如，丙烯酸樹脂因耐紫外線老化性能突出，廣泛用于戶外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料；環(huán)氧樹脂憑借高黏附強(qiáng)度（≥5 MPa）和耐化學(xué)腐蝕性，適用于化工廠等高危環(huán)境。然而，單一樹脂體系往往難以兼顧常溫與高溫性能的平衡，如聚氨酯柔韌性優(yōu)異但熱穩(wěn)定性不足，硅丙乳液耐高溫性能優(yōu)越但成本較高。近年來，在膨脹型防火涂料的研制過程中，成膜物質(zhì)的研究聚焦于功能化設(shè)計與復(fù)合改性，以突破性能瓶頸。例如，通過丙烯酸-環(huán)氧樹脂共混技術(shù)，結(jié)合丙烯酸的耐候性與環(huán)氧樹脂的高黏附性，可使涂層在600 ℃下的殘?zhí)柯侍嵘?0%以上，同時還能有效降低VOCs排放量。將改性木質(zhì)素、纖維素等天然高分子引入成膜體系，也是開發(fā)新型成膜體系的重要策略。

例如，木質(zhì)素磺酸鹽與丙烯酸接枝共聚后不僅碳足跡減少30%，且在高溫下可促進(jìn)均勻成炭，炭層孔隙率降低至15%以下。目前，成膜物質(zhì)的高溫黏附性仍然是限制膨脹型防火涂料耐火極限的關(guān)鍵要素之一，多數(shù)樹脂在超過400 ℃時發(fā)生熱分解，導(dǎo)致涂層與鋼基體界面剝離， 耐火極限驟降。開發(fā)具有優(yōu)異高溫性能的成膜體系一直是該領(lǐng)域的重要研發(fā)方向。另外，在現(xiàn)有的成膜體系中，部分溶劑型樹脂含鹵素成分，燃燒時釋放有毒氣體，在火災(zāi)場景中，對環(huán)境的影響和受災(zāi)人員的健康威脅很大。這也是未來發(fā)展新型防火涂料成膜體系的重要考慮因素之一。

膨脹阻燃體系是膨脹型防火涂料的核心功能單元，通過多組分協(xié)同作用，在高溫下形成隔熱膨脹炭層，延緩熱量向鋼基體的傳遞。在20世紀(jì)70、80年代，脫水催化劑/成炭劑作為最初的阻燃體系被應(yīng)用于膨脹型防火涂料。隨著研究的不斷深入，科研人員將其與發(fā)泡劑進(jìn)行有效結(jié)合，顯著增強(qiáng)了防火涂層的耐高溫性能，有力地促進(jìn)了此類產(chǎn)品的迅猛發(fā)展。現(xiàn)如今，膨脹阻燃體系主要包含脫水催化劑、成炭劑及發(fā)泡劑3個核心組分。 在高溫火場環(huán)境中，各組分通過分階段協(xié)同機(jī)制實現(xiàn)阻燃增效：脫水催化劑首先促進(jìn)基料脫水炭化，成炭劑隨即交聯(lián)形成三維碳質(zhì)骨架，同時發(fā)泡劑受熱分解產(chǎn)生惰性氣體，使炭層膨脹形成具有閉孔結(jié)構(gòu)的致密泡沫炭層。該膨脹炭層兼具優(yōu)異的熱絕緣性、低導(dǎo)熱系數(shù)和抗高溫氧化特性，可有效阻隔熱量傳遞、抑制氧氣擴(kuò)散并延緩可燃物熱解，從而為基材提供持續(xù)的熱防護(hù)屏障。這種多組分協(xié)同阻燃機(jī)制現(xiàn)已成為高分子材料防火領(lǐng)域的重要技術(shù)路徑。

脫水催化劑是膨脹阻燃體系的關(guān)鍵組分之一。 在高溫下，脫水催化劑能夠加速涂層熱分解，促使成炭劑發(fā)生脫水反應(yīng)，進(jìn)而形成穩(wěn)定的多孔炭層結(jié)構(gòu)，有效減少毒性有機(jī)物的釋放，降低火災(zāi)危害。傳統(tǒng)鹵系阻燃劑因毒性問題逐漸被淘汰，磷酸鹽及其衍生物成為主流。并且磷酸鹽具有較好的水溶性和熱穩(wěn)定性，例如，聚磷酸銨是一種熱穩(wěn)定性良好，且在熱解過程中不產(chǎn)生腐蝕性氣味的磷銨混合物，也是現(xiàn)階段最常用的無鹵阻燃劑。然而，這類含磷類脫水催化劑對環(huán)境的影響，如導(dǎo)致水體富氧化等，也逐漸受到人們的關(guān)注。

發(fā)泡劑是一種能有效保護(hù)建筑物免受火災(zāi)危害的特殊材料。火災(zāi)發(fā)生時，發(fā)泡劑可釋放HCl、NH3等物質(zhì)，降低建筑物內(nèi)部溫度，同時促進(jìn)脫水催化劑的生成，最終形成一層隔熱性良好的膨脹炭層，為建筑物提供防護(hù)。然而，發(fā)泡劑的使用效果與溫度密切相關(guān)。若使用溫度過低，發(fā)泡劑會先釋放一定量的空氣，阻礙充分的多孔炭層形成；若使用溫度過高，則會破壞原有的碳層，降低整個防火體系的性能。因此，選擇與基料相匹配的發(fā)泡劑是保證涂料防火性能的關(guān)鍵因素之一。

成炭劑是膨脹體系中炭層骨架的重要的來源。 在高溫環(huán)境下，成炭劑與脫水劑、發(fā)泡劑協(xié)同發(fā)揮作用，成炭劑在脫水催化劑作用下發(fā)生脫水炭化反應(yīng)，生成多孔炭質(zhì)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，延緩熱量傳遞。此外，有部分成炭劑還可減少有毒煙霧的釋放。 成炭劑作為膨脹型炭層的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，其多孔碳層構(gòu)建受羥基/碳含量配比、熱分解特性及交聯(lián)速率等多參數(shù)協(xié)同調(diào)控，直接影響炭層阻隔性能與熱穩(wěn)定性。在工業(yè)實踐中，通常會選擇反應(yīng)速度較低、炭含量較高，且分解溫度與脫水催化劑、發(fā)泡劑相近的物質(zhì)作為成炭劑。

目前，對脫水催化劑、成炭劑和發(fā)泡劑組成的阻燃膨脹體系的研究和應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，其組分間的協(xié)同阻燃效應(yīng)研究已取得顯著進(jìn)展，在鋼結(jié)構(gòu)防火涂料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。然而，該體系在極端熱沖擊下仍存在炭層結(jié)構(gòu)致密性不足、膨脹效率衰退等問題，直接影響耐火極限的提升。對此，研究人員正聚焦于3組分復(fù)配比例優(yōu)化、界面相容性增強(qiáng)及添加劑改性技術(shù)開發(fā)，通過構(gòu)建梯度熱解結(jié)構(gòu)、引入催化成炭助劑等創(chuàng)新方法，突破傳統(tǒng)體系熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度的技術(shù)瓶頸，這已成為實現(xiàn)防火涂料耐高溫性能 與長效服役特性的關(guān)鍵研究方向。