钢结构作为一种常见的建筑结构，具有强度高、自重轻、材质均匀、易加工、可回收、施工周期短等优点，在现代生活中应用十分广泛，如钢结构停车场、工业厂房、体育馆、车站、机场、桥梁等建筑物、构筑物等。
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但钢结构存在耐腐蚀、防火性能差等缺点，当温度达到450℃时，其力学性能就开始劣化，随着温度的升高劣化更加严重，当温度达到580℃时，其力学强度仅为常温下的一半，不能满足建筑结构物的支撑作用。美国世贸中心被飞机撞击后倒塌，很大程度上就是由于建筑物中的钢材受热后力学性能急剧下降造成的。
2001 年 9 月 11 日，世界贸易中心被飞机撞击
因此，为了提高钢结构的耐火性能，减少结构破坏，研究人员对钢结构防火涂料进行了广泛的研究，并取得了丰富的研究成果。钢结构防火涂料按防火原理可分为膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料；按分散介质分为水溶性防火涂料和溶剂型防火涂料；按基材种类分为无机防火涂料和有机防火涂料；按涂装基材分为钢结构防火涂料、混凝土结构防火涂料和装饰性防火涂料。
物体要发生燃烧反应，必须有助燃气体、火源、可燃物三个因素同时存在，其中任何一个因素不存在，燃烧反应就不会发生。因此，要中断物体的燃烧反应，只要阻止上述三个因素同时存在即可。阻止助燃气体与可燃物接触是最简单、最方便的方法。防火涂料就是利用这一原理来防止火灾的。其工作原理如下：
（1）膨胀型防火涂料受热时膨胀，在钢结构表面形成一层泡沫层，一方面可以隔绝助燃气体，另一方面形成的泡沫层质地疏松，有利于减缓传热速度。
（2）膨胀型防火涂料泡沫层的形成过程为吸热过程，可以降低燃烧时的热量；
（3）非膨胀性防火涂料受热时体积不发生变化，但其热导率却很低，可以有效减缓热量传递至钢材的速度；
⑷ 非膨胀性防火涂料不燃，燃烧时生成釉质状保护层，能将钢材与火源隔离，减缓钢材因温度升高而引起的性能下降；
⑸ 防火涂料在燃烧过程中某些成分发生反应，生成不燃气体，这是一个吸热过程，会消耗一部分热量，在一定程度上有助于降低温度。
1 膨胀型防火涂料
膨胀型防火涂料是指在燃烧过程中，涂料体积膨胀，形成致密的海绵状或蜂窝状炭泡沫层，将钢构件与火源隔离，减缓钢构件温升，从而保护钢结构的稳定性。膨胀型防火涂料的燃烧示意图和膨胀过程示意图分别如图1和图2所示。其中，膨胀型防火涂料又可分为有机膨胀型防火涂料和无机膨胀型防火涂料。
（1）有机膨胀型防火涂料
涂料成膜剂采用有机物质，通过体积膨胀增加发泡层厚度，依靠膨胀碳层发挥防火作用的涂料称为有机膨胀型防火涂料。常见的成膜物质有环氧树脂、聚丙烯酸酯乳液、聚氨酯等。此外，有机膨胀型防火涂料还包括酸源、碳源、发泡剂、填料、颜料等成分。
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有机膨胀剂防火涂料的膨胀过程由酸源、碳源、气源三部分组成，反应系统流程图如图3所示。
酸源是指无机酸或受热能形成酸的物质，例如硼酸、无卤二磷酸盐、聚磷酸铵等，当温度达到目标温度时，会发生热分解，诱发碳质化合物的碳化或脱水等化学反应；
碳源是指含碳丰富的多羟基化合物，可通过酯化反应脱水变成碳，例如季戊四醇、双季戊四醇、淀粉等；
气源是指在加热条件下释放出不燃或阻燃气体的含氮多碳化合物，如二氧化碳、氯化氢、氨气等，并在钢结构表面形成具有碳材料孔壁的泡沫结构，如三聚氰胺、氯化石蜡等。酸源、碳源、气源的不同组合，形成种类繁多的膨胀型阻燃体系。
酸源和碳源的探索有助于提高防火涂料的耐火性能。胡胜利等研究了不同聚合度的聚磷酸铵（MPP）对室外薄型钢结构防火涂料理化性能（耐水、耐盐、耐酸、耐碱、抗紫外线）和耐火性能的影响。结果表明，采用高聚合度聚磷酸铵制备的防火涂料在理化性能和热稳定性方面均优于低聚合度聚磷酸铵。
吴润泽等研究表明，高聚合度Ⅱ型聚磷酸铵能较好地改善膨胀炭层性能，具有较长的耐火时间，且涂层改性后能进一步提高耐火极限。季戊四醇是一种常见的碳源。唐等将季戊四醇与C9马来酸酐共聚物进行酯化。结果表明，含有季戊四醇和C9马来酸酐共聚物的涂层在经水或盐水浸泡后仍表现出良好的耐火性能。
（2）无机膨胀型防火涂料
以无机物质为主要成分、以膨胀发泡为防火机理的涂料称为无机膨胀型防火涂料。有机膨胀型防火涂料在燃烧时，涂料中的有机物易分解，燃烧后释放出有毒烟雾，而无机膨胀型防火涂料则具有燃烧时无烟、无毒的特点。
范春山等人以石棉粉、膨胀珍珠岩粉、高铝粉和膨胀蛭石为原料制备防火涂料，采用复合泡沫层结构，通过分步发泡延缓温度上升，从而延长钢结构变形和结构失稳的时间。
石棉粉
张仁忠等以氢氧化镁、碳酸镁、膨胀石墨、苯丙乳液、磷酸铝、硼酸锌为原料，添加低熔点玻璃粉，研制出新型无机阻燃体系。同时，以苯丙乳液、聚磷酸铵、三聚氰胺、季戊四醇、钛白粉、膨胀石墨为原料，制备出有机膨胀型防火涂料。对比试验发现，前者可大大降低火灾中有毒烟雾的排放量，前者的强度和无机残留率分别是后者的1.7倍和2.1倍，同时涂层结构更致密，阻燃效果更佳。
氢氧化镁
张娜娜等以碱性硅溶胶、甲基硅酸钾、颜填料及助剂为主要原料，制备了水性无机膨胀型防火涂料，通过实验测试获得了最佳配比，在此配比下涂层膨胀层致密坚硬，耐火性能满足规范要求。同时揭示了在燃烧初期，甲基硅酸钠和可膨胀石墨共同发挥阻燃作用，在燃烧中期，以白云石发挥阻燃作用，在燃烧后期，当温度达到800~1000℃时，体系由固态变为液态，吸收热量后变为玻璃态，整个燃烧过程对环境友好。
2 非膨胀型防火涂料
非膨胀型防火涂料根据成膜物质的不同可分为有机非膨胀型防火涂料和无机非膨胀型防火涂料，前者是以有机物为基料的阻燃型防火涂料，后者是以无机物为基料的不燃型防火涂料。
齐学军等采用水玻璃激发偏高岭土制备了一种土聚物基非膨胀性防火涂料，试验结果表明，该涂料耐火时间可达2.8h(厚度25mm)，耐水性、粘结强度、耐碱性、耐冷热循环性均较好，但存在干密度过大的问题。
高岭土
高辉等以磷酸盐为成膜物质，添加氢氧化铝、硼酸盐、膨胀蛭石等材料，制备出了一种性能良好、成本低廉的防火涂料。
膨胀蛭石
由于非膨胀型防火涂料的涂层厚度在高温条件下不会发生变化，因此涂层厚度对非膨胀型防火涂料的耐火性能有着决定性的影响。韩俊等对不同涂层厚度下非膨胀型防火涂料的等效导热系数进行了测试，并对结果进行了线性拟合，如图4所示。结果表明，涂层厚度越厚，防火涂料的等效导热系数越小，即耐火性能越好。
但较大的涂层厚度也限制了非膨胀型防火涂料的使用范围，由于涂层厚度大、用量大薄型钢结构防火涂料，在对装饰性和美观性要求较高的钢结构建筑中很少使用；其次薄型钢结构防火涂料，施工工序相对复杂，在复杂的钢结构中难以施工或满涂，一旦出现破损、脱落，将严重影响防火性能。
3 生物基防火涂料
生物材料作为一种绿色环保、可再生的材料，被广泛应用于各个领域，生物材料在防火涂料领域的运用也有着良好的效果。
马腾飞等利用高软化点改性松香树脂具有增粘、软化等特点，研究了不同品牌、不同用量的松香树脂对防火涂料防火性能的影响，结果表明：当422松香树脂用量为0.7%时，防火涂料的膨胀倍数可达45倍，膨胀层外观良好，试验钢板温度最低。
松香
蛋壳及壳制品是最常见的生物质，其主要成分是碳酸钙及少量的有机物，可作为填料应用于防火涂料中。杏军等以硅粉为黏合剂，蛋壳为填料，制备了水性膨胀型防火涂料。实验发现，硅粉、蛋壳和阻燃剂复配后对钢材的热稳定性、碳层膨胀、表面结构等方面均有良好的表现，蛋壳的加入能大大提高其耐火性能。杨飞等也以蛋壳为填料，制备了防火涂料，研究结果还表明，蛋壳作为填料有助于提高防火涂料的性能。
蛋壳
李耀庄等以蛤壳为填料，制备了防火涂料。结果表明，填料中添加蛤壳后，阻燃体系在燃烧过程中形成了丰富的交联结构，使得炭层更加致密，隔热性能更好。涂层表现出良好的热稳定性和成炭率。当添加2wt%蛤壳填料时，防火涂料具有最佳的协同阻燃和抑烟性能。800℃时涂层的残炭率为33.7%。
蛤壳
钢结构防火涂料分为无机防火涂料和有机防火涂料，前者多为厚型即不膨胀型，具有耐火时间长、防腐性能好的优点，同时也存在涂层厚、用量大、装饰效果差、施工复杂等缺点；后者多为薄型或超薄型即不膨胀型，具有粘结强度高、流平性好、外观漂亮、施工简便等优点，但在高温下会释放有毒烟雾，影响环境和人员健康。
目前超薄型防火涂料占有的市场份额最大，从发展趋势来看，超薄型防火涂料必将取代薄型和厚型防火涂料。钢结构防火涂料未来的发展方向一定是对超薄型防火涂料的进一步研发，具体可分为以下几个方面：
（1）扩大防火涂料的应用范围，简化施工工序；
（2）研究开发绿色环保防火材料，减少对环境的污染和对人体健康的危害；
（3）探索新的防火涂料配比设计，添加新材料开发高性能产品，或研究添加其他行业废弃物进行二次利用；
（4）加强复合防火涂料的研究开发，在提高防火性能的同时，提高耐水性、耐腐蚀性、隔热性等性能。
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