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钢结构防火涂料是施涂于建筑物及构筑物的钢结构表面，能形成耐火隔热保护层以提高钢结构耐火极限的涂料，其中以超薄钢结构防火涂料最为常见。超薄型钢结构防火涂料超薄型钢结构防火涂料是指厚度小于或等于3 mm 钢结构防火涂料[1]，这类涂料受火烧时能膨胀发泡并形成致密的隔热层，从而延缓了钢材的升温，可提高钢结构的耐火极限。
超薄型钢结构防火涂料是20 世纪90 年代兴起的一种新型防火涂料，同时具有优良的装饰作用和防火性能。由于涂料涂层超薄，工程中使用量大大减少，在钢结构能够得到有效防火保护的情况下降低了工程总费用，施工更方便，同时对钢结构起到美化装饰效果，是目前消防部门大力推广的品种[2]。
超薄型钢结构防火涂料与厚涂型、薄涂型相比，粒度更细、涂层更薄，用量更少，施工方便，装饰性更好，是钢结构防火涂料领域研究的热点。因此开发低成本、高性能、多功能复合型的超薄钢结构防火涂料是行业发展趋势。
1 新型超薄钢结构防火涂料研究进展
1.1 水性超薄钢结构防火涂料
水性超薄膨胀型钢结构防火涂料是指涂层使用厚度不超过3 mm，以水作分散介质的钢结构防火涂料，其成膜物可以是有机高分子树脂，一般以乳液型居多，加入发泡剂、阻燃剂、碳源、酸源及其它填料组成防火体系，受火时可形成均匀而致密的蜂窝状或海绵状的碳质泡沫层，对钢材具有良好的防火保护作用[3]。目前，水性防火涂料主要以性能优异的有机、无机和有机-无机复合的膨胀型防火涂料为主。有机乳液型防火涂料主要是以乳液聚合物作基料(乳液聚合物的相对分子质量高，所以作为涂料的成膜物有较好的机械性能)，用水做溶剂，填加适当种类和用量的助剂而制备成
的涂料。常用的水性防火涂料基料的乳胶有：聚丙烯酸乳液、苯乙烯改性聚丙烯酸乳液、聚醋酸乙烯乳液、苯-丙乳液等。另外，要求选用的聚合物乳液必须对基材具有良好的附着力、耐久性和耐水性[4]。无机水性防火涂料是使用无机水性基料而不使用有机乳液树脂，因此更具有省资源、节能耗、无污染的环保优势。它主要以硅酸盐为主体的无机膨胀型防火涂料，一般以水玻璃为基料和发泡基体，添加其他材料所组成。涂层遇火高温作用时，碱金属硅酸盐所含结晶水及水玻璃中氧链上羟基的脱水作用而使涂层共熔变软，并黏度变大。这时由于分解产生的气体不能自由的排出，使涂壁产生气泡，形成了具有隔热功能的多孔质体-硅酸盐泡沫状隔热层[5]。无机材料作为主要成膜物质的防火涂料，其阻燃性优于有机防火涂料，但其耐水性等物理性能较差。若将二者结合起来，就得到性能优良的有机无机复合型防火涂料。特别是膨胀型的有机-无机复合防火涂料，其发泡层既有耐烧、强度好的无机防火涂料的特性，又有泡沫层质地松、导热性小的有机防火涂料的特点，因此有很好的防火隔热效果。但这类防火涂料对有机树脂要求较高，往往需要特别合成，因此提高了其生产成本。
刘芳等[6]以丙烯酸乳液为基体树脂，多聚磷酸铵(APP)、三聚氰胺胺(MEL)和季戊四醇(PTH)构成的膨胀型阻燃剂和阻燃协效剂为阻燃体系，制备了水性超薄膨胀型钢结构防火涂料，得到膨胀型阻燃剂具有最佳的阻燃效果，而且防火涂料中的阻燃协效剂在燃烧时参与炭层的生成，对炭层有增强作用。郭艳红[7]以氯偏与硅丙混合乳液作为成膜物质，聚磷酸按、季戊四醇、三聚氰胺与氯化石蜡拼合作为膨胀阻燃体系，氢氧化镁和氢氧化铝作为复合阻燃添加剂，水为分散介质制备了水性超薄型钢结构防火涂料。利用改性的聚磷酸按明显改善了无机成分在涂料中的分散性，从而改善涂料的理化性能和有效延长了涂料的耐火时间。季宝华等[8]采用改性丙烯酸乳液为成膜物质，聚磷酸铵作脱水催化剂，季戍四醇作炭化剂，三聚氰胺、氯化石腊和可膨胀石墨作发泡剂，得理化性能好的水性薄型钢结构防火涂料，当涂层厚度为3 mm时，耐火极限为60 min，具有良好的阻燃性能。宋军荣[9]用有机硅改性丙烯酸树脂为基料树脂制备水性超薄型钢结构防火涂料。研究结果表明有机硅改性使防火涂料的耐候性、耐沾污性、抗氧化性等性能得到提高。刘成楼[10]采用有机-无机复合基料为成膜物质，苯丙乳液与硅溶胶的质量比为4︰1，基料含量为30 %。较好地解决了水性有机-无机复合涂料的贮存稳定性问题。
1.2 新型可膨胀石墨超薄型钢结构防火涂料
可膨胀石墨(EG)是由一层一层的碳原子组成，用天然晶状石墨片制得。在受到200 ℃以上高温时，可膨胀石墨层间的插层物质(H2SO4)与石墨发生氧化还原反应放出气体，使石墨体积膨胀增大数百倍，膨胀后的石墨由鳞片状变成密度很低的蠕虫状，形成良好的绝热层有效隔热(见图1、图2)[11-12]。膨胀后的主要成分是炭，能够耐700 ℃的高温，自身在火灾中的热释放率低，质量损失小，烟气少，对环境没有危害。
可膨胀石墨是近年来用于改善防火涂料防火性能较多的一种改性剂，在防火材料和环保材料中具有广阔的应用前景。将可膨胀石墨用于钢结构防火涂料中，利用可膨胀石墨的高膨胀倍数，增加炭质层的强度和降低导热系数[13]。可膨胀石墨的阻燃机理属于凝固相阻燃机理，它是通过延缓或中断固态物质产生可燃性物质而达到阻燃，受热到一定程度，可膨胀石墨就会开始膨胀，从而形成一个很厚的多孔碳层，该碳层把阻燃主体和热源隔开，从而延缓和终止聚合物的分解，同时能形成比表面积大的多孔结构，从而具有很强的吸附性，可以吸收涂料产生的大量刺激性气体，达到抑烟环保的作用。
王国建等[14]采用可膨胀石墨来改善防火涂料发泡层的结构。研究了可膨胀石墨对发泡层形貌和钢结构耐火极限的影响。结果表明，可膨胀石墨膨胀后成“蠕虫”状穿插于发泡层中，起到增强作用，使炭质层结构更致密。采用膨胀容积为180 mL/g、粒径为0.18 mm、起始膨胀温度为150 ℃的可膨胀石墨时，当添加量为3 %时具有较好的改性作用。宋君荣[15]将可膨胀石墨用到有机硅改性丙烯酸树脂防火涂料中，利用其膨胀后形成的“蠕虫”状炭穿插于膨胀的涂层中，起到纤维增强涂层的作用，防止涂层开裂和脱落，一方面增加了炭质层强度，另一方面提高了防火涂料的耐火极限。霍海凤等[16]采用钼酸铵(AM)、可膨胀石墨(EG)和AM /EG 对三聚氰胺聚磷酸盐(MPP) /三聚氰胺(MEL) /季戊四醇(PER)超薄型防火涂料进行改性，制备改性涂料。耐火性能测试、TGA 分析表明，与EG 改性相比，AM、EG 协同改性延长了耐燃时间，提高了残炭量。程俊华等[17]针对目前含硫可膨胀石墨抗氧化差等问题，采用高氯酸/高锰酸钾/乙酸酐为复合插层剂并经过抗氧化处理制备Anti-O EG，添加Anti-O EG后防火涂料的阻燃性能和耐火极限显著提高。
1.3 新型纳米超薄型钢结构防火涂料
纳米粒子是指颗粒尺寸在1～100 nm 的超细微粒。纳米粒子由于具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等特殊性质，可以使材料获得新的功能[18]。将粒径小、比表面极大、与高分子基料相容性好的纳米材料运用到超薄钢结构防火涂料中可以增强炭质层的强度，提高钢结构的耐火极限。目前用于涂料的纳米材料主要是某些金属氧化物(如SiO2、TiO2、ZnO 等)、无机盐类(如CaCO3)和层状硅酸盐(如纳米级粘土)等。添加了纳米材料的防火涂料使其在各项理化性能指标得到很大的改善并且具有更好的性价比。如纳米SiO2 是一种无定型白色粉末材料，表面存在不饱和悬键和不同键合状态的羟基，其分子状态呈现出一种三维网状结构[19]，如图3 所示。由于它的尺寸小、表面积大，将其运用到钢结构防火涂料中可以有效提高反应面积，增强发泡层的强度，提高防火性能。
付若愚等[20]将纳米SiO2 应用在水性超薄型钢结构防火涂料中，经耐火实验发现适量的添加可以明显提高涂料燃烧后炭质层的强度，延长其耐火极限；同时纳米SiO2 的紫外屏蔽光谱和涂料的人工老化实验表明纳米SiO2 具有特殊的光学性能，可以屏蔽大部分紫外光，将其使用在钢结构防火涂料中可以有效延缓涂料的老化进程，保持防火性能的稳定。邹敏等[21-22]以纳米TiO2 为添加剂来提高钢结构防火涂料的各项性能.研究了纳米TiO2 的改性。结果显示改性后的钢结构防火涂料耐热极限可提高16℃，耐水极限可提高9 h，黏结强度可提高0.16 MPa，抗菌率也由21 %上升到99 %，改性纳米TiO2 的适宜添加量为0.9 %。同时研究了纳米ZnO晶须对钢结构防火涂料性能研究，使钢结构防火涂料的防火涂料的耐火极限、耐水性能、粘结强度都有很大的提高。咸才军等[23]将多种纳米材料应用到水性超薄膨胀型钢结构防火涂料中，研究其各用量对钢结构防火涂料耐火极限的影响。研究表明：添加纳米SiO2 和TiO2 可以提高防火涂料膨胀后炭质层的强度，促使焦磷酸钛的生成，延长钢结构的耐火极限。王震宇等[24]用Solsperse17000 超分散剂对纳米二氧化硅和纳米氢氧化镁表面进行包覆改性，配制出不同纳米母液含量的纳米改性防火涂料。该防火涂料在加入4 %纳米阻燃母液后不仅提高其耐水性，而且保持了浸水后的纳米防火涂料的防火性能。
2 展望
超薄膨胀型钢结构防火涂料向着树脂的复合改性、新型阻燃剂的开发研究和多种阻燃剂协同作用、纳米技术、低压冷等离子体技术和表面处理技术的应用、功能助剂的使用等方面发展，同时涂层超薄、耐候性好、装饰性好、施工方便、应用范围广是超薄型钢结构防火涂料发展的又一要求。超薄膨胀型钢结构防火涂料可以在以下几方面得到发展：
(l)合成新型本体阻燃基体树脂是提高防火涂料阻燃性能和机械性能的关键，更能有效地增强防火涂料的阻燃时效性，同时采用辐射交联、等离子改性接枝等技术进行高分子材料阻燃改性研究，提高涂层的表面装饰性、耐候性、防火性能和理化性能。
(2)开发性能优异的阻燃剂是提高防火涂料阻燃性能的关键，应着力于膨胀型阻燃剂、抑烟剂、新型阻燃剂等的研发，同时超细化、微胶囊化、表面处理、协同复合增效化是阻燃剂进行技术开发有效途径。
(3)对防火涂料阻燃机理进行研究，探讨各种阻燃剂之间的协同效应，研究膨胀炭化层的形成过程和结构，为提高防火涂料阻燃性能和配方研究提供更有力的依据。
