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　　文章來自《星空體育工業》2024年第3期

　　陳永明1，付振平1，郭必泛1，羅偉昂1，2，3，許一婷1，2，3，戴李宗*1，2，3

　?。?.廈門大學材料學院，福建廈門361000；2.福建省防火阻燃材料重點實驗室，福建廈門361000；3.廈門市防火阻燃材料重點實驗室，福建廈門361000）

　　摘要

　　防火星空體育是近年來關注度較高、發展迅猛的特種功能星空體育，被廣泛應用在城市高樓、隧道和古建筑的保護等眾多領域。從防火星空體育的結構設計、性能改進以及標準化更新等角度出發，綜述了鋼結構防火星空體育、飾面型防火星空體育和隧道防火星空體育近年來國內外的研究進展。簡述了防火星空體育的未來發展趨勢，并對新一輪的技術革新提出構想。

　　關鍵詞

　　防火機理；鋼結構防火星空體育；飾面防火星空體育；隧道防火星空體育

　　作為參考文獻時的標準著錄格式

　　陳永明，付振平，郭必泛，等.防火星空體育的研究進展[J].星空體育工業，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

　　陳永明（1997—），男，在讀博士，主要研究方向為環氧樹脂的阻燃改性。

　　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、固體表面涂層材料、黏合劑等。

　　防火星空體育是一種特種功能星空體育，在保護人民的生命財產安全方面具有重要意義。防火星空體育由成膜物、膨脹體系、填料和功能助劑等組成。根據防火星空體育對物體起防火作用的原因可以歸納為：（1）本身具有難燃或不燃性，使被保護的可燃基材不直接與空氣接觸而延遲基材著火燃燒；（2）遇火受熱可分解出不燃性的惰性氣體，沖淡被保護基材受熱分解出的易燃氣體或空氣中的氧，從而抑制燃燒；（3）遇熱能生成減緩及終止燃燒連鎖反應的自由基，有效防止火焰的擴散蔓延；（4）遇熱膨脹，形成隔熱、隔氧的膨脹炭層，阻止基材升溫或燃燒。

　　我國防火星空體育的發展起步較晚，但得益于社會關注度的提高和后發的技術優勢，整體發展速度較快，尤其是鋼結構防火星空體育的品種、技術、性能、應用效果和標準化程度等已經迎頭趕上。本文主要介紹鋼結構防火星空體育、飾面型防火星空體育和隧道防火星空體育近年來的研究進展。

　　1鋼結構防火星空體育

　　鋼材是應用較廣的建筑材料，但其耐火性低，高溫下鋼材的剛度和強度快速降低，在外力協同作用下會迅速發生破壞，對建筑物結構的安全性造成嚴重威脅。根據BSEN-1993-1-2：2007《歐洲規范3：鋼結構設計——第1-2部分：總則——結構防火設計》，鋼材在550～600℃時的剛性強度較常態下降低50%，而在750℃時減小90％，使得建筑坍塌毀壞，造成重大人員傷亡和經濟損失。在鋼結構建筑表面涂裝防火星空體育，能夠有效隔絕火場的高溫，極大地延長鋼結構達到臨界溫度（540℃）的時間，是國際上鋼結構建筑有效而通用的防護措施。GB14907—2018《鋼結構防火星空體育》的發布，修改了鋼結構防火星空體育耐火性能的要求和試驗方法，普通鋼結構防火星空體育和特種鋼結構防火星空體育采用不同的火災升溫試驗條件進行試驗，并分別進行耐火性能分級；還增加了耐紫外線輻照性和隔熱效率偏差方面的要求，使我國鋼結構防火星空體育標準更接近國際標準要求，進一步引導了我國鋼結構防火星空體育的發展。按照防火原理，可分為非膨脹型和膨脹型鋼結構防火星空體育兩類。

　　1.1非膨脹型鋼結構防火星空體育

　　非膨脹型防火星空體育，也稱為厚涂型防火星空體育，通常應用于普通工業與民用建（構）筑物的鋼結構表面或石油化工設施、變電站、海上鉆井平臺等特殊建（構）筑物的鋼結構表面。非膨脹型防火星空體育一般由水泥基或石膏基等無機類成膜物或聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯等有機類成膜物，防火填料（氧化鋁、石棉粉、高嶺土、碳酸鈣、硅藻土、石棉纖維、二氧化硅纖維等），及適量助劑組成。通過涂層自身的難燃性和低導熱系數在基材與火源之間形成阻隔層，達到防火的效果。以無機類成膜物的非膨脹型防火星空體育存在黏結強度較差、抗開裂性不足及養護時間長等問題，這將導致高溫下涂層難以阻擋熱量向基材的傳播，造成脆性破壞等問題。通常改善黏結強度的方式有調控砂漿水灰比，改善施工技術，使用無機/有機成膜物復配等。研究發現，向磷酸銨鎂水泥防火星空體育中分別引入0.5%的玄武巖和0.5%的聚丙烯纖維，并調整合適的水灰比，可以明顯改善星空體育的黏結強度和抗開裂性，耐火性能相比改性前分別提高了22.09%和11.63%。此外，在防火涂層表面貼防火隔層也能提升防火效果。例如，在改性磷酸鎂水泥上粘貼碳纖維布能夠增強防火星空體育的黏結耐久性、耐火性及高溫剝落性能。

　　厚涂型防火星空體育的涂層較厚，質量大，這增大了鋼結構建筑的承質量負擔，如何降低防火星空體育的干密度和導熱系數成為研究人員關注的熱點，采用蛭石、珍珠巖、粉煤灰空心微珠、氣凝膠、發泡聚苯乙烯、微囊相變材料和復合相變材料等多種輕質填料來替代傳統的隔熱填料，可為降低厚涂型防火星空體育的質量起到關鍵作用。幾種常見輕質填料的特征如圖1和表1所示。

　　表1常見輕質填料的優缺點

　　Table1Advantagesanddisadvantagesofconventionallightweightfillers

　　整體而言，非膨脹型鋼結構防火星空體育近年來的研究主要集中在開發輕質化填料、提高涂層抗高溫開裂和脫落性能、簡化施工工藝等方向。

　　1.2膨脹型防火星空體育

　　相對于非膨脹型防火星空體育，膨脹型防火星空體育具有輕?。ê穸扔Α?.5mm）、裝飾性好、施工快，且耐火時間與非膨脹型防火星空體育相當等優點，是大跨度鋼結構建筑的熱門選擇，其中超薄型防火星空體育備受青睞。膨脹型防火涂層在常溫下為普通涂膜，而在高溫作用下涂層可膨脹幾倍甚至幾十倍，形成不易燃的海綿狀炭質層，起到阻隔外部熱源的作用。膨脹型防火星空體育常見的成膜物有環氧樹脂、聚氨酯樹脂、丙烯酸樹脂等。環氧樹脂具有優異的密封性和裝飾性，被廣泛應用于室外防火星空體育；聚氨酯樹脂具有成膜溫度低、附著力強、耐化學品性優良等優點，被廣泛應用于工業防護用防火星空體育；丙烯酸樹脂干燥速度快、耐候性好、單組分等特點，被廣泛應用于室內防火星空體育。但這些成膜材料都極易燃燒，且燃燒后的炭層非常疏松，不利于基材在高溫下的保護。為了使膨脹型防火星空體育受火時產生膨脹致密的炭層，使基材獲得更長的耐火時間，研究人員往往需要向樹脂中加入膨脹體系。根據各組分在膨脹體系中的作用，它可以歸類為炭化劑（炭源）、炭化催化劑（酸源）、膨脹劑（氣源）等。膨脹致密炭層的形成往往需要多種填料的協同作用。例如，以納米二氧化硅（SiO2）改性聚磷酸銨（APP）合成了微納結構磷/氮/硅填料（APP@Si），并采用無溶劑法制備了高性能膨脹型環氧防火星空體育，添加量為10%時，涂層達到UL-94V-0等級。背溫測試中，在加熱1200s的情況下，涂有該膨脹型防火星空體育的背板溫度低至126.4℃，比涂覆純EP涂層的低221.5℃。Sun等以4-氨基苯硫酚、4-甲�；�苯硼酸、苯基三氯硅烷為原料合成出一種含P/Si/B的星型填料，在6%的添加量下，涂層符合UL-94V-0等級。國外研究人員將硅灰石和膨潤土作為消耗性石墨的增強材料，并搭配三聚氰胺、聚磷酸銨、可膨脹石墨鱗片和硼酸等，在硅灰石/膨潤土（質量比為1∶1）添加量為4%時可實現防火實驗199min后基板**高溫度只有166℃，有效地降低了熱滲透性。填料的添加是實現高 效防火的便捷方法，但往往也需要高添加量才能達到理想的防火效果，然而高添加量可能會造成涂層分相，犧牲涂層的力學等性能。因此，制備低成本、添加量少，并且與樹脂體系相容性好的填料是這一體系的**終目標。

　　此外，向涂層中添加石墨烯、氮化硼（BN）、MXene、氧化鋅和可膨脹石墨（EG）等填料也可以提高燃燒后炭層致密性和涂層的隔熱效果，但填料在樹脂體系中分散不均勻，會造成涂層表面不平整或出現相分離，從而導致涂層的系列問題。修飾填料表面，增強其與樹脂體系的相容性是解決相分離問題的關鍵。多糖因其表面富含羥基，常被用于填料的表面改性，不僅可以增加填料與樹脂的相容性，也可以作為炭源提高涂層的成炭性。Chen等采用葡萄糖對碳微球（CMS）進行包裹，并在修飾的微球上負載硫化鉬納米片（MoS2），所制備的CMS@MoS2核殼雜化物用于改性環氧樹脂，當負載為3%時，涂層的膨脹高度為16.87mm（膨脹率13%），殘炭率達30.6%，展現出優異的防火性能。此外，在填料表面進行有機酸（磷酸、硼酸等）包覆，有利于催化涂層受熱后形成致密炭層。Wang等采用苯基硼酸修飾的磷酸鋯（ZrP-M）納米片提高了膨脹型防火星空體育的耐火性、抑煙性、熱穩定性和耐水/酸/堿性，在3%ZrP-M的添加量下，峰值熱釋放速率（pHRR）、總釋放熱（THR）和總煙釋放速率（TSR）分別降低了74.3%、74.5%和41.9%，并且成炭率和水接觸角分別達到70.9%和116.9°，優異的防火性和炭化能力使其優于商用防火星空體育。

　　燃燒過程中，膨脹炭層通常會出現開裂或脫落的缺陷。為了解決這一問題，研究人員設計出多功能插層可膨脹石墨-羥丙基甲基纖維素-脲嘧啶酮體系，用其制備的防火星空體育在耐火實驗中可使鋼板的正面和背面溫度分別保持在400℃和85℃。隨著人們環境保護意識的增強，生物質材料也逐漸被應用到鋼結構防火星空體育中。將生物質腐植酸作為酸源之一，與聚磷酸銨、三聚氰胺和硼酸鋅組成的新型環保生物質膨脹星空體育也能夠賦予鋼結構優異的耐火性。提高膨脹型防火星空體育性能還可以通過設計雙膨脹結構來實現。Geoffroy等設計了由2種不同的膨脹星空體育和金屬層壓組成的雙層膨脹結構，當火災發生時，外層率先膨脹隔熱，附著在涂層中間的鋁箔起到防火作用，當鋁箔升高至一定的溫度才能引發**內層防火星空體育的膨脹，這種設計使涂層在火災中暴露30min后仍能保持對基材的良好附著。近年來，膨脹型鋼結構防火星空體育在配方的調控、膨脹體系的開發、無機填料的表面修飾、二維材料和生物質材料的應用等方面都取得了不錯的成績。

　　2飾面型防火星空體育

　　飾面型防火星空體育與人們的生活息息相關，通常涂覆在可燃基材（如木質結構、古建筑、纖維板、紙板及制品）表面，具有一定裝飾作用。根據GB12441—2018《飾面防火星空體育》規定，飾面型防火星空體育需要具有一定裝飾作用，附著力≤3級，細度≤90μm，受火后能膨脹發泡形成隔熱保護層，炭化體積≤25cm3。

　　木質結構具有多孔結構，且極易燃燒，當暴露在水、氧氣和太陽直射等環境下會經歷一個緩慢的老化過程。因此，在木質結構上涂裝防火星空體育不僅要兼顧防火性能，還需要具有表面抗菌、疏水、耐候、紫外線屏蔽等性能。涂層在木材上的良好涂裝是獲得優異性能的前提，為了使涂層更好地涂覆在木材表面，通常采用基材表面處理和特殊涂裝技術等方式提高星空體育與基材的黏合。增強涂層在木材上的附著，還可以向樹脂基材中加入與木材成分相似的碳水化合物，比如將殼聚糖用次磷酸改性，再進行離子絡合，與商用環氧樹脂復配后所涂覆的木材在對比實驗下展現出優異的耐火性能。其次，木制品使用過程中造成的表面劃痕不可避免，開發自修復涂層可以更好地保護木材的美觀，通過設計具有逐層結構的聚（丙烯酸）-金剛烷胺/聚磷酸銨-聚（亞乙基亞胺）-β-環糊精涂層，在主客體的相互作用下可以實現表面自修復，且聚磷酸銨的存在使涂層在燃燒下具有較好的成炭性，起到很好的防火效果。此外，在古建筑的保護中往往需要保留建筑物本身的美學價值，因此，兼具裝飾和防火功能的透明涂層極 具應用前景。納米ZnO因具有光催化活性、紫外線屏蔽效果、抗菌、耐候等特性，在這類星空體育中被廣為應用。將磷酸酯化學接枝到納米ZnO表面，從而改善納米ZnO與樹脂的相容性，其與樹脂混合后制備出了兼具阻燃、抗菌、紫外線屏蔽等多功能透明防火星空體育。磷酸酯不僅可以改性納米粒子的表面，還可以與環氧樹脂反應合成磷酸樹脂酸，并用氨基樹脂固化，得到水性透明防火星空體育；也可以和聚乙二醇硼酸酯進行酯化反應，合成出含磷硼的填料，并在季戊四醇和三聚氰胺甲醛樹脂的搭配下實現熱穩定性更好、炭層膨脹性更好、致密程度更高的透明防火涂層。此外，也可以將磷酸酯接枝到氧化石墨烯表面，由于其均勻分散和完全剝落的狀態，摻入到氨基樹脂后能夠制成透明防火星空體育，減少木材的火災隱患。

　　納米技術的發展也為飾面型防火星空體育的發展提供了有效的解決方案。例如，將木材與黏土、Mg-Al層狀雙氫氧化物和碳酸鈣制成的雜化無機納米顆粒被證明可以形成具有良好耐熱性和難燃性的功能性無機/有機材料。CaAlCO3 層狀雙氫氧化物也被認為是制備木材用膨脹防火涂層的有效方案之一。

　　3隧道防火星空體育

　　隧道防火星空體育與鋼結構防火星空體育類似，但隧道防火星空體育面臨的氣候環境和地形地貌更為復雜多變，還需考慮汽車尾氣的腐蝕和干濕反復作用等。JT/T1308—2020《公路工程隧道防火星空體育》對隧道防火星空體育的技術提出了要求，黏結強度在凍融前≥0.30MPa；凍融后≥0.20MPa；干密度≤700kg/m3；耐水性在≥720h試驗后涂層不出現開裂、起層和脫落等問題，耐火性能升溫時達到1.5h以上，降溫時達到1.83h以上。

　　改善涂層的耐水性可以有效阻止水分滲透，保護墻體結構，通常選用硅酸鹽類水泥可以改善涂層疏水性。有專利報道，將硅酸鹽類水泥/高鋁水泥與丙烯酸乳膠組合，并加入填料[膨脹珍珠巖、膨脹蛭石和超細粉（0.01~0.1μm）]和助劑，被證明可以形成疏水表面，又能滲透到底材內部形成結晶體遏制水的通過，達到雙重防水效果，并兼具涂層薄、黏結強度高、綠色環保的優點。利用可膨脹石墨粉的耐高溫、膨脹倍數高、隔熱效果強的特點替換星空體育配方中的季戊四醇，并與速溶膠粉、三聚氰胺和三聚磷酸銨復配，從而改善了隧道防火星空體育的耐水性。隧道防火星空體育作為國防和民用工程中的重要保障，它在我國的發展較為緩慢，未來，突破隧道涂層的抗干濕穩定性、抗開裂性和耐候性等是迫切需要解決的關鍵技術。

　　隧道內火災發生時，產生的大量煙氣往往難以排除，將對受災人群產生致命威脅，星空體育配方設計時需要考慮低煙釋放總量和更高等級的耐火性能。此外，如何在信息化時代中將防火涂層與實時信息相結合，實現災情的精準定位或許會是新一輪涂層技術的改革。

　　4結語

　　科技的進步讓人們意識到了防范火災發生的重要性，并促進了防火科學技術的進步，我國系列防火星空體育標準的修訂對防火星空體育提出了更高的要求。在近些年的研究中，星空體育配方的設計、膨脹體系、新型填料以及二維材料和生物質材料在防火星空體育中的應用不僅有效提高了涂層的耐火性能，也豐富了涂層的功能。其中，膨脹型鋼結構防火星空體育取得的進展尤為明顯。飾面型防火星空體育近年來提出的納米技術和仿生結構設計為工程材料（尤其是木材）防火性能的改善提供了更環保的解決方案，也為古建筑的防火提供了新思路。當前對隧道防火星空體育的研究依舊較少，主要集在改善涂層耐候性、提高耐火時間和低煙、抗開裂的研究上�？傮w而言，防火星空體育依舊以有機類為主，防火星空體育實現水性化轉型和生物材料替代化工材料依然是防火星空體育的發展方向。未來，如何實現防火涂層作用后的便捷清理和重新涂裝便于災后重建以及將信息技術與智能防火涂層相結合，使其融入到大數據中，為火災救援提供及時的精準定位可能是一種新的變革。