防火涂料专利技术综述

李凌

摘 要：1837年Louis P研制出第一个防火涂料配方，直至1921年，美国人Wortelmann才获得第一个防火涂料发明专利。本文就防火涂料进行了专利技术概述，从专利角度对该领域国内外的专利申请情况作了初步分析，介绍防火涂料的发展现状及技术热点。

关键词：防火涂料，膨胀型，非膨胀型，专利

一、防火涂料简介

防火涂料是指涂覆于基材表面，能降低被涂材料表面的可燃性、阻滞火灾的迅速蔓延，或是涂覆于结构材料表面，用于提高构件耐火极限的一类物质。它具有普通涂料的装饰性，更重要的是涂料本身具有的特性决定了它具有防火保护功能，在火灾发生时能够阻止燃烧或对燃烧迅速扩展有延滞作用，从而使人们有充分的时间进行火灾扑救工作。

防火涂料的组成一般为基料、阻燃剂、增强填料、溶剂、颜料、助剂六个部分。除基料、阻燃剂外的组成为涂料领域的常规组分。

防火涂料的基料树脂，一方面要有较强的粘结作用，可把涂料中的各个组分粘合在一起，涂料干燥后能形成坚固的涂层，对涂料的理化性能有着决定性的影响。另一方面，涂层遇火时，作为高分子材料同样分解炭化，与小分子不同的是，它的炭化物强度要高得多，尤其是热固型或交联型树脂。

二、防火涂料发展历程

1921年，美国人Wortelmann获得第一个防火涂料发明专利（US1397028A）。该发明专利是其防火涂料发明的典型，主要包括硅酸钠、水、粉状石棉、磷酸钠、硫酸镁、皂化树脂和甘油。

随着阻燃技术的发展及对防火材料性能要求的提高，出现了膨胀型防火涂料。世界上第一种膨胀型防火涂料问世于1924年，这是一类以石棉、氟化钠、立德粉和高岭土为主要原料的防火涂料。1937年，Tramm等第一次提出以磷酸二铵为催化剂，二氰二胺为膨胀发泡剂，甲醛为炭化剂的膨胀型防火涂料，建立了现代膨胀型防火涂料的雏形。

20世纪30年代，出于施工安全和环保性考虑，世界上第一个以水玻璃为粘结剂、矿粉为填料的水性无机防火涂料诞生，这种涂料使用时环保无污染，但防水性能差，浸泡在水中或受雨水淋洗涂层易脱落。

1948年，Abi化学公司较早发表了水性膨胀型防火涂料的专利，其主要成分系脲醛、磷酸二氢铵、淀粉、颜料和改性酚醛树脂组成，这种水性防火涂料的阻燃性较好，但漆膜性能差。

1965年，美国开始将聚磷酸铵（APP）引入防火涂料配方中，形成了磷酸一铵、二铵、磷酸蜜胺和聚磷酸铵三大膨胀型防火涂料体系。

三、防火涂料技术专利分析

通过专利申请量分析防火涂料的发展脉络，可以看出防火涂料的发展大致经历了三个阶段：第一阶段是防火涂料的萌芽阶段（1921-1977），该阶段防火涂料处于被初步认识阶段，从最初的依靠防火填料达到阻燃目的，到膨胀型防火涂料的问世，再到水性涂料的诞生，人们对防火涂料不断摸索，专利申请量也较少，每年仅有几篇专利申请；第二阶段为防火涂料的稳步发展阶段（1977-2000），该阶段防火涂料的专利申请量稳步提升，每年约有防火涂料的几十个专利申请，防火涂料得到稳步发展，研究日趋成熟，钢结构防火涂料、装饰型防火涂料得到初步应用；第三阶段为快速发展阶段（2000-2014），该阶段防火涂料的专利申请量得到大幅度提升，各种防火助剂得以被发现和利用，防火技术也被应用到涂料中以增强防火涂料的性能，各种新型高性能防火涂料被发表在专利中，尤其是2009年至今，防火涂料的专利申请量近似指数式增长，防火涂料在日常生活中的应用已经非常普遍，钢结构、木器、玻璃等基材表面均可看见涂覆有防火涂料，防火涂料朝着多元化发展。

通过历年来不同国家及地区的防火涂料专利申请量情况了解到，尽管中国在防火领域起步较晚，但却占据了将近一半的专利申请量，这可能是因为防火涂料在中国的发展空间较大，引入中国后应用需求广泛，带动了中国对防火涂料的研究，从而使得中国成为防火涂料领域的后起之秀。美国在防火涂料领域发展较早，随着其经济社会的发展，在防火涂料领域的专利申请量稳步提升。日本在防火涂料领域发展较快，其专利申请量仅在美国之后。

我国自1987年申请第一份防火涂料专利以来，直至2003年，国内一直处于防火涂料技术摸索阶段，每年专利申请量低于10件，这其中也跟技术发展过程中对技术保密有关。其次是2004年至2009年，我国对防火涂料的研究处于平稳发展阶段，专利申请量稳步提升，以每年10%的速度增长，这跟防火涂料技术的应用到产业中促进专利申请量的增长有关。自2010年以来，防火涂料专利申请量呈现指数式增长，到2014年专利申请量达到375件，这与世界范围内防火涂料的专利申请量相一致，体现了中国在近年来在防火涂料领域的巨大发展。

从国内防火涂料领域专利申请的主要申请人情况了解到，高校及研究院所在防火涂料领域专利申请中占据优势，跻身前列的有兰州理工大学和厦门大学、同济大学以及研究较早的公安部四川消防研究所，这可能与高校拥有较好的资金资助力度有关，从而更快开展防火涂料领域的技术研究并申报专利。其中兰州理工大学在防火涂料领域专利申请量最大，这在一定程度上映射出该校在防火涂料领域属于专科强项，掌握该领域的前沿技术。

四、防火涂料技术发展热点及趋势

防火涂料技术从开始出现到现在经过了80年的发展，期间出现了膨胀型防火涂料、水性防火涂料等技术革新，大大改善了防火涂料的防火阻燃性能和施工安全性，为防火涂料在装饰基材的应用提供了可能。超薄型防火涂料的出現大大降低了涂料的工程使用量，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，同时对基材起到美化装饰效果。随着科学技术的进步，防火涂料朝着应用多样化、功能全面化发展。

按溶剂分类，防火涂料主要分为油性防火涂料和水性防火涂料。随着防火涂料专利申请量的增长，水性涂料和油性涂料的专利申请量均呈现一定的增长趋势，且油性防火涂料的年专利申请量高于水性防火涂料。虽然水性防火涂料相比油性防火涂料具有较多优势，如环保性能好，阻火时不会产生烟雾和毒性气体，成本也较低，但是水性防火涂料在涂膜性能、附着力、装饰性和耐水性方面不如溶剂型涂料，导致其在很多领域不能代替油性溶剂型防火涂料。目前国内生产的膨胀型防火涂料多是以传统乳液为成膜物，如苯丙乳液、纯丙乳液等，这类成膜物制备的膨胀型防火涂料由于发泡较慢、发泡不均匀、发泡持续时间段、泡层不致密等缺点，造成防火隔热效果不理想，这也是限制水性膨胀型防火涂料性能的主要原因。因此，国内产家在研究开发水性防火涂料的同时，对成膜物质的选择是技术改进的主要问题之一。

按机理分类，防火涂料可分为膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料。2005-2011年，非膨胀型防火涂料和膨胀型防火涂料专利申请量相差不多，2011年以后，膨胀型防火涂料的专利申请量以较快速度增长，其申请量高于非膨胀型防火涂料。这是由于在防火涂料应用过程中，膨胀型防火涂料在火焰和高温下，其表面涂层会熔融、气泡、隆起，然后形成均匀而致密的蜂窝状或海绵状炭质泡沫隔热层，并释放出不燃性气体。这种膨胀的海绵状隔热层厚度，往往是原来涂层厚度的几十倍甚至上百倍，能很好的隔绝氧气和热的传导。此外，膨胀型防火涂料可以做到涂层较薄，能够满足装饰要求。因此，膨胀型防火涂料从其阻燃效果和装饰效果上优越于非膨胀型防火涂料，将会是中长期的研究热点。endprint