防火涂料專利技術(shù)綜述

李凌

摘 要：1837年Louis P研制出第一個防火涂料配方，直至1921年，美國人Wortelmann才獲得第一個防火涂料發(fā)明專利。本文就防火涂料進(jìn)行了專利技術(shù)概述，從專利角度對該領(lǐng)域國內(nèi)外的專利申請情況作了初步分析，介紹防火涂料的發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：防火涂料，膨脹型，非膨脹型，專利

一、防火涂料簡介

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、阻滯火災(zāi)的迅速蔓延，或是涂覆于結(jié)構(gòu)材料表面，用于提高構(gòu)件耐火極限的一類物質(zhì)。它具有普通涂料的裝飾性，更重要的是涂料本身具有的特性決定了它具有防火保護(hù)功能，在火災(zāi)發(fā)生時能夠阻止燃燒或?qū)θ紵杆贁U(kuò)展有延滯作用，從而使人們有充分的時間進(jìn)行火災(zāi)撲救工作。

防火涂料的組成一般為基料、阻燃劑、增強(qiáng)填料、溶劑、顏料、助劑六個部分。除基料、阻燃劑外的組成為涂料領(lǐng)域的常規(guī)組分。

防火涂料的基料樹脂，一方面要有較強(qiáng)的粘結(jié)作用，可把涂料中的各個組分粘合在一起，涂料干燥后能形成堅(jiān)固的涂層，對涂料的理化性能有著決定性的影響。另一方面，涂層遇火時，作為高分子材料同樣分解炭化，與小分子不同的是，它的炭化物強(qiáng)度要高得多，尤其是熱固型或交聯(lián)型樹脂。

二、防火涂料發(fā)展歷程

1921年，美國人Wortelmann獲得第一個防火涂料發(fā)明專利（US1397028A）。該發(fā)明專利是其防火涂料發(fā)明的典型，主要包括硅酸鈉、水、粉狀石棉、磷酸鈉、硫酸鎂、皂化樹脂和甘油。

隨著阻燃技術(shù)的發(fā)展及對防火材料性能要求的提高，出現(xiàn)了膨脹型防火涂料。世界上第一種膨脹型防火涂料問世于1924年，這是一類以石棉、氟化鈉、立德粉和高嶺土為主要原料的防火涂料。1937年，Tramm等第一次提出以磷酸二銨為催化劑，二氰二胺為膨脹發(fā)泡劑，甲醛為炭化劑的膨脹型防火涂料，建立了現(xiàn)代膨脹型防火涂料的雛形。

20世紀(jì)30年代，出于施工安全和環(huán)保性考慮，世界上第一個以水玻璃為粘結(jié)劑、礦粉為填料的水性無機(jī)防火涂料誕生，這種涂料使用時環(huán)保無污染，但防水性能差，浸泡在水中或受雨水淋洗涂層易脫落。

1948年，Abi化學(xué)公司較早發(fā)表了水性膨脹型防火涂料的專利，其主要成分系脲醛、磷酸二氫銨、淀粉、顏料和改性酚醛樹脂組成，這種水性防火涂料的阻燃性較好，但漆膜性能差。

1965年，美國開始將聚磷酸銨（APP）引入防火涂料配方中，形成了磷酸一銨、二銨、磷酸蜜胺和聚磷酸銨三大膨脹型防火涂料體系。

三、防火涂料技術(shù)專利分析

通過專利申請量分析防火涂料的發(fā)展脈絡(luò)，可以看出防火涂料的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：第一階段是防火涂料的萌芽階段（1921-1977），該階段防火涂料處于被初步認(rèn)識階段，從最初的依靠防火填料達(dá)到阻燃目的，到膨脹型防火涂料的問世，再到水性涂料的誕生，人們對防火涂料不斷摸索，專利申請量也較少，每年僅有幾篇專利申請；第二階段為防火涂料的穩(wěn)步發(fā)展階段（1977-2000），該階段防火涂料的專利申請量穩(wěn)步提升，每年約有防火涂料的幾十個專利申請，防火涂料得到穩(wěn)步發(fā)展，研究日趨成熟，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、裝飾型防火涂料得到初步應(yīng)用；第三階段為快速發(fā)展階段（2000-2014），該階段防火涂料的專利申請量得到大幅度提升，各種防火助劑得以被發(fā)現(xiàn)和利用，防火技術(shù)也被應(yīng)用到涂料中以增強(qiáng)防火涂料的性能，各種新型高性能防火涂料被發(fā)表在專利中，尤其是2009年至今，防火涂料的專利申請量近似指數(shù)式增長，防火涂料在日常生活中的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，鋼結(jié)構(gòu)、木器、玻璃等基材表面均可看見涂覆有防火涂料，防火涂料朝著多元化發(fā)展。

通過歷年來不同國家及地區(qū)的防火涂料專利申請量情況了解到，盡管中國在防火領(lǐng)域起步較晚，但卻占據(jù)了將近一半的專利申請量，這可能是因?yàn)榉阑鹜苛显谥袊陌l(fā)展空間較大，引入中國后應(yīng)用需求廣泛，帶動了中國對防火涂料的研究，從而使得中國成為防火涂料領(lǐng)域的后起之秀。美國在防火涂料領(lǐng)域發(fā)展較早，隨著其經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，在防火涂料領(lǐng)域的專利申請量穩(wěn)步提升。日本在防火涂料領(lǐng)域發(fā)展較快，其專利申請量僅在美國之后。

我國自1987年申請第一份防火涂料專利以來，直至2003年，國內(nèi)一直處于防火涂料技術(shù)摸索階段，每年專利申請量低于10件，這其中也跟技術(shù)發(fā)展過程中對技術(shù)保密有關(guān)。其次是2004年至2009年，我國對防火涂料的研究處于平穩(wěn)發(fā)展階段，專利申請量穩(wěn)步提升，以每年10%的速度增長，這跟防火涂料技術(shù)的應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)中促進(jìn)專利申請量的增長有關(guān)。自2010年以來，防火涂料專利申請量呈現(xiàn)指數(shù)式增長，到2014年專利申請量達(dá)到375件，這與世界范圍內(nèi)防火涂料的專利申請量相一致，體現(xiàn)了中國在近年來在防火涂料領(lǐng)域的巨大發(fā)展。

從國內(nèi)防火涂料領(lǐng)域?qū)＠暾埖闹饕暾埲饲闆r了解到，高校及研究院所在防火涂料領(lǐng)域?qū)＠暾堉姓紦?jù)優(yōu)勢，躋身前列的有蘭州理工大學(xué)和廈門大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)以及研究較早的公安部四川消防研究所，這可能與高校擁有較好的資金資助力度有關(guān)，從而更快開展防火涂料領(lǐng)域的技術(shù)研究并申報(bào)專利。其中蘭州理工大學(xué)在防火涂料領(lǐng)域?qū)＠暾埩孔畲?，這在一定程度上映射出該校在防火涂料領(lǐng)域?qū)儆趯？茝?qiáng)項(xiàng)，掌握該領(lǐng)域的前沿技術(shù)。

四、防火涂料技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)及趨勢

防火涂料技術(shù)從開始出現(xiàn)到現(xiàn)在經(jīng)過了80年的發(fā)展，期間出現(xiàn)了膨脹型防火涂料、水性防火涂料等技術(shù)革新，大大改善了防火涂料的防火阻燃性能和施工安全性，為防火涂料在裝飾基材的應(yīng)用提供了可能。超薄型防火涂料的出現(xiàn)大大降低了涂料的工程使用量，在鋼結(jié)構(gòu)能夠得到有效防火保護(hù)的情況下降低了工程總費(fèi)用，施工更方便，同時對基材起到美化裝飾效果。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，防火涂料朝著應(yīng)用多樣化、功能全面化發(fā)展。

按溶劑分類，防火涂料主要分為油性防火涂料和水性防火涂料。隨著防火涂料專利申請量的增長，水性涂料和油性涂料的專利申請量均呈現(xiàn)一定的增長趨勢，且油性防火涂料的年專利申請量高于水性防火涂料。雖然水性防火涂料相比油性防火涂料具有較多優(yōu)勢，如環(huán)保性能好，阻火時不會產(chǎn)生煙霧和毒性氣體，成本也較低，但是水性防火涂料在涂膜性能、附著力、裝飾性和耐水性方面不如溶劑型涂料，導(dǎo)致其在很多領(lǐng)域不能代替油性溶劑型防火涂料。目前國內(nèi)生產(chǎn)的膨脹型防火涂料多是以傳統(tǒng)乳液為成膜物，如苯丙乳液、純丙乳液等，這類成膜物制備的膨脹型防火涂料由于發(fā)泡較慢、發(fā)泡不均勻、發(fā)泡持續(xù)時間段、泡層不致密等缺點(diǎn)，造成防火隔熱效果不理想，這也是限制水性膨脹型防火涂料性能的主要原因。因此，國內(nèi)產(chǎn)家在研究開發(fā)水性防火涂料的同時，對成膜物質(zhì)的選擇是技術(shù)改進(jìn)的主要問題之一。

按機(jī)理分類，防火涂料可分為膨脹型防火涂料和非膨脹型防火涂料。2005-2011年，非膨脹型防火涂料和膨脹型防火涂料專利申請量相差不多，2011年以后，膨脹型防火涂料的專利申請量以較快速度增長，其申請量高于非膨脹型防火涂料。這是由于在防火涂料應(yīng)用過程中，膨脹型防火涂料在火焰和高溫下，其表面涂層會熔融、氣泡、隆起，然后形成均勻而致密的蜂窩狀或海綿狀炭質(zhì)泡沫隔熱層，并釋放出不燃性氣體。這種膨脹的海綿狀隔熱層厚度，往往是原來涂層厚度的幾十倍甚至上百倍，能很好的隔絕氧氣和熱的傳導(dǎo)。此外，膨脹型防火涂料可以做到涂層較薄，能夠滿足裝飾要求。因此，膨脹型防火涂料從其阻燃效果和裝飾效果上優(yōu)越于非膨脹型防火涂料，將會是中長期的研究熱點(diǎn)。endprint