防火涂料專利技術綜述

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明專利。本文就防火涂料進行了專利技術概述，從專利角度對該領域國內外的專利申請情況作了初步分析，介紹防火涂料的發展現狀及技術熱點。

關鍵詞：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、阻滯火災的迅速蔓延，或是涂覆于結構材料表面，用于提高構件耐火極限的一類物質。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功能，在火災發生時能夠阻止燃燒或對燃燒迅速擴展有延滯作用，從而使人們有充分的時間進行火災撲救工作。

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

防火涂料的基料樹脂，一方面要有較強的粘結作用，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，它的炭化物強度要高得多，尤其是熱固型或交聯型樹脂。

二、防火涂料發展歷程

1921年，美國人Wortelmann獲得第一個防火涂料發明專利（US1397028A）。該發明專利是其防火涂料發明的典型，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。

隨著阻燃技術的發展及對防火材料性能要求的提高，出現了膨脹型防火涂料。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，二氰二胺為膨脹發泡劑，甲醛為炭化劑的膨脹型防火涂料，建立了現代膨脹型防火涂料的雛形。

20世紀30年代，出于施工安全和環保性考慮，世界上第一個以水玻璃為粘結劑、礦粉為填料的水性無機防火涂料誕生，這種涂料使用時環保無污染，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化學公司較早發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、防火涂料技術專利分析

通過專利申請量分析防火涂料的發展脈絡，可以看出防火涂料的發展大致經歷了三個階段：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識階段，從最初的依靠防火填料達到阻燃目的，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步發展階段（1977-2000），該階段防火涂料的專利申請量穩步提升，每年約有防火涂料的幾十個專利申請，防火涂料得到穩步發展，研究日趨成熟，鋼結構防火涂料、裝飾型防火涂料得到初步應用；第三階段為快速發展階段（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現和利用，防火技術也被應用到涂料中以增強防火涂料的性能，各種新型高性能防火涂料被發表在專利中，尤其是2009年至今，防火涂料的專利申請量近似指數式增長，防火涂料在日常生活中的應用已經非常普遍，鋼結構、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展。

通過歷年來不同國家及地區的防火涂料專利申請量情況了解到，盡管中國在防火領域起步較晚，但卻占據了將近一半的專利申請量，這可能是因為防火涂料在中國的發展空間較大，引入中國后應用需求廣泛，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域的后起之秀。美國在防火涂料領域發展較早，隨著其經濟社會的發展，在防火涂料領域的專利申請量穩步提升。日本在防火涂料領域發展較快，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，國內一直處于防火涂料技術摸索階段，每年專利申請量低于10件，這其中也跟技術發展過程中對技術保密有關。其次是2004年至2009年，我國對防火涂料的研究處于平穩發展階段，專利申請量穩步提升，以每年10%的速度增長，這跟防火涂料技術的應用到產業中促進專利申請量的增長有關。自2010年以來，防火涂料專利申請量呈現指數式增長，到2014年專利申請量達到375件，這與世界范圍內防火涂料的專利申請量相一致，體現了中國在近年來在防火涂料領域的巨大發展。

從國內防火涂料領域專利申請的主要申請人情況了解到，高校及研究院所在防火涂料領域專利申請中占據優勢，躋身前列的有蘭州理工大學和廈門大學、同濟大學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，從而更快開展防火涂料領域的技術研究并申報專利。其中蘭州理工大學在防火涂料領域專利申請量最大，這在一定程度上映射出該校在防火涂料領域屬于專科強項，掌握該領域的前沿技術。

四、防火涂料技術發展熱點及趨勢

防火涂料技術從開始出現到現在經過了80年的發展，期間出現了膨脹型防火涂料、水性防火涂料等技術革新，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，在鋼結構能夠得到有效防火保護的情況下降低了工程總費用，施工更方便，同時對基材起到美化裝飾效果。隨著科學技術的進步，防火涂料朝著應用多樣化、功能全面化發展。

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勢，如環保性能好，阻火時不會產生煙霧和毒性氣體，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，導致其在很多領域不能代替油性溶劑型防火涂料。目前國內生產的膨脹型防火涂料多是以傳統乳液為成膜物，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泡較慢、發泡不均勻、發泡持續時間段、泡層不致密等缺點，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，國內產家在研究開發水性防火涂料的同時，對成膜物質的選擇是技術改進的主要問題之一。

按機理分類，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。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越于非膨脹型防火涂料，將會是中長期的研究熱點。endprint