鋼結構作為一種常見的建筑結構，具有強度高、自重輕、材質均勻、加工方便、可循環使用、施工工期短等優點，廣泛運用于現代生活中，如鋼結構停車場、工業廠房、體育館、車站、機場、橋梁等建筑物、構筑物。

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然而，鋼結構具有耐腐蝕性差、耐火能力弱等缺點，當溫度達到450℃時其力學性能開始發生劣化，隨溫度的上升其劣化效果愈加嚴重，當溫度達到580℃時其力學強度僅為室溫狀況下的一半，無法滿足對建筑物、構筑物的支撐作用。當年美國世貿大廈被飛機撞擊后倒塌，很大原因就在于建筑中的鋼材升溫后其力學性能大幅下降所致。

2001年9月11日? 美國世貿大廈被飛機撞擊

因此，為提升鋼結構的耐火性能，減少結構損害，研究人員對鋼結構的防火涂料展開了大量的研究，且取得了豐富的研究成果。鋼結構防火涂料按防火原理劃分，可分為膨脹型防火涂料和非膨脹型防火涂料；按分散介質劃分，可分為水溶性防火涂料和溶劑性防火涂料；按基料種類劃分，可分為無機防火涂料和有機防火涂料；按涂覆的基材劃分，可分為鋼結構防火涂料、混凝土結構防火涂料和飾面型防火涂料。

• 防火涂料的防火原理

物體發生燃燒反應必須同時具備助燃氣體、火源、可燃物這三個因素，當其中某個因素不存在時，燃燒反應則不會發生。因此，中斷物體燃燒反應只需使以上三個因素不同時存在即可，而阻止助燃氣體與可燃物接觸則是最簡單也是最方便的方法，防火涂料正是利用此原理進行防火工作，其工作原理如下：

• 鋼結構防火涂料

1 膨脹型防火涂料

膨脹型防火涂料是指涂料在燃燒時發生體積膨脹形成致密的海綿狀或蜂窩狀的碳質泡沫層將鋼構件與火源隔離開，延緩鋼構件升溫速度，從而保護鋼結構穩定性，膨脹型防火涂料燃燒示意圖和膨脹過程示意圖分別如圖1、圖2所示。其中，膨脹型防火涂料可分為有機膨脹型防火涂料與無機膨脹型防火涂料。

（1）有機膨脹型防火涂料

涂料成膜劑采用有機物質，通過體積膨脹增加泡沫層厚度并依靠膨脹炭層起到防火作用的涂料稱為有機膨脹型防火涂料，常見的成膜物質有環氧樹脂、聚丙烯酸酯乳液、聚氨酯等。除此之外，有機膨脹型防火涂料還包括酸源、碳源、發泡劑、填料顏料等成分。

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有機膨脹劑防火涂料的膨脹過程由酸源、碳源、氣源三部分組成，反應體系流程圖如圖3所示。

酸源是指無機酸或者在加熱時能夠形成酸的物質，如硼酸、無鹵雙磷酸酯、聚磷酸銨等，當溫度達到目標溫度后將受熱分解引發碳質化合物的碳化或脫水等化學反應；

碳源是指具有豐富含碳量的多羥基化合物，能夠通過酯化反應進行脫水成碳，如季戊四醇、雙季戊四醇、淀粉等；

氣源是指含氮的多碳化合物，在受熱條件下釋放不燃或難燃性氣體，如二氧化碳、氯化氫、氨氣等，然后在鋼結構表面形成具有碳材料孔壁的泡沫結構，如三聚氰胺、氯化石蠟等。酸源、碳源、氣源三者的不同組合形成了種類繁多的膨脹阻燃體系。

對于酸源、碳源的探索研究有助于提升防火涂料的耐火能力。胡勝利等研究了不同聚合度的聚磷酸銨（MPP）對室外薄型鋼結構防火涂料理化性能(耐水、耐鹽、耐酸、耐堿、耐紫外線)和耐火性能的影響，結果表明利用高聚合度聚磷酸銨制備的防火涂料在理化性能、熱穩定性均優于低聚合度聚磷酸銨。

吳潤澤等研究顯示高聚合度的Ⅱ型聚磷酸銨能夠更好地改善膨脹炭層的性能，耐火時間更久，經過包覆改性后可繼續提高耐火極限。季戊四醇作為一種常見的碳源，Tang等將季戊四醇與C9馬來酸酐共聚物進行酯化反應，結果顯示含有季戊四醇與C9馬來酸酐共聚物的涂層在水中或鹽水中浸泡之后仍表現出良好的耐火性能。

（2）無機膨脹型防火涂料

以無機物質作為主要成分并以膨脹發泡為防火機理的涂料稱為無機膨脹型防火涂料。有機膨脹型防火涂料在燃燒時涂層中有機物易分解，經燃燒后容易釋放有毒煙霧，而無機膨脹型防火涂料在燃燒時具有無煙、無毒的特點。

范春山等以石棉粉、膨脹珍珠巖粉、高鋁土和膨脹蛭石為原料制備防火涂料，采用復合泡層結構，通過梯次發泡來延緩溫度上升，延長了鋼結構變形、結構失穩的時間。

石棉粉

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張仁忠等以氫氧化鎂、碳酸鎂、膨脹石墨、苯丙乳液、磷酸鋁、硼酸鋅為原料以及添加低熔玻璃粉研制了新型無機阻燃劑體系，同時以苯丙乳液、聚磷酸銨、三聚氰胺、季戊四醇、二氧化鈦、膨脹石墨為原料制備了有機膨脹型防火涂料，進行對比試驗發現前者能夠大大降低火災中有毒煙霧的排放量，前者的強度、無機殘余率分別是后者的1.7倍和2.1倍，同時涂層結構更加致密、阻燃效果更加優異。

氫氧化鎂

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張娜娜等以堿性硅溶膠、甲基硅酸鉀、顏填料和助劑制備了水性無機膨脹型防火涂料，經試驗測試獲得了最佳配比且在最佳配比下涂料的膨脹層致密堅硬、耐火性能滿足規范要求，同時揭示了防火涂料在灼燒前期是由甲基硅酸鈉和可膨脹石墨共同發揮阻燃作用，在灼燒中期由白云石發揮阻燃作用，在灼燒后期溫度達到800~1000℃時，體系由固態變成液態、吸收熱量后變成玻璃態，整個灼燒過程表現出對環境的友好性。

2 非膨脹型防火涂料

非膨脹型防火涂料根據成膜物質的不同可分為有機非膨脹型防火涂料和無機非膨脹型防火涂料，前者是以有機物為基料的難燃性防火涂料，后者是以無機物為基料的不燃性防火涂料。

祁學軍等采用水玻璃激發偏高嶺土制備了以地聚合物為基料的非膨脹型防火涂料，測試結果顯示涂料的耐火時間達到2.8h(厚度為25mm)，同時耐水性能、粘結強度、耐堿、耐冷熱循環等均表現良好，但存在干密度過大的問題；

高嶺土

高輝等以磷酸鹽為成膜物質，添加氫氧化鋁、硼酸鹽、膨脹蛭石等材料制備了防火涂料，性能良好且成本較低。

膨脹蛭石

由于非膨脹型防火涂料的涂層厚度在高溫條件下不會發生變化，因此涂層厚度對于非膨脹型防火涂料的耐火性能具有決定性影響。韓君等通過試驗測試了不同涂層厚度下非膨脹型防火涂料的等效熱傳導系數，并對結果進行線性擬合，如圖4所示，結果顯示涂層厚度越厚，防火涂料的等效熱傳導系數越小即耐火性能越好。

但是，較大的涂層厚度也限制了非膨脹型防火涂料的使用范圍，由于涂層厚度較大且用量多，對裝飾性、美觀性要求較高的鋼結構建筑中很少采用，其次，施工工藝較為復雜，在造型復雜的鋼結構中難以施工或全涂覆，當發生破損及脫落現象時將嚴重影響耐火性能。

3 生物型防火涂料

生物材料作為一種綠色環保、可再生的材料，廣泛運用于各個領域中，在防火涂料領域采用生物材料也有不錯的效果。

利用高軟化點改性松香樹脂具有增黏、軟化等特點，馬騰飛等研究了不同牌號、摻量松香樹脂對防火涂料防火性能的影響，結果顯示422松香樹脂的摻量為0.7%時防火涂料的膨脹倍率達到45倍且膨脹層外觀良好，測試鋼板的溫度最低。

松香

蛋殼、貝殼類產品作為最常見的生物材料，其主要成分為碳酸鈣及少量有機物，可作為防火涂料中的填料。邢君等利用硅灰為粘結劑，蛋殼為填料制備了水基膨脹涂料，試驗發現硅灰、蛋殼以及阻燃添加劑的組合對鋼材的熱穩定性、炭層膨脹、表面結構等方面表現良好，蛋殼的加入能夠極大的提升防火性能；楊飛等同樣利用蛋殼作為填料并制備了防火涂料，研究結果亦表明蛋殼作為填料有助于提升防火涂料的性能。

蛋殼

李耀莊等將蛤蜊殼作為填料并制備了防火涂料，結果顯示填料中添加蛤蜊殼后阻燃體系在燃燒過程中形成了豐富的交聯結構使得炭層更加致密，隔熱性能更好，涂層表現出良好的熱穩定性和成炭率，添加2wt%蛤蜊殼填料時防火涂料具有最佳的協效阻燃和抑煙性能，在800℃下涂層的殘炭量為33.7%。

蛤蜊殼

• 鋼結構防火涂料的未來發展方向

鋼結構防火涂料分為無機型防火涂料和有機型防火涂料，前者多為厚型即非膨脹型，具有耐火時間長、防腐性能好等優點，同時具有涂層厚、用量多、裝飾性差、施工繁瑣等缺點；后者多為薄型或超薄型即膨脹型，具有粘結強度高、流平好、美觀、施工方便等優點，但在高溫下會釋放有毒煙霧，影響環境及人員健康。

目前，超薄型防火涂料的市場份額最大，從發展趨勢來看，超薄型防火涂料必將會代替薄型和厚型防火涂料。鋼結構防火涂料的未來發展方向必然是對超薄型防火涂料的進一步研究開發，可分為以下幾個方面：

原文始發于微信公眾號（艾邦高分子）：阻燃新觀察：鋼結構防火涂料的研究