通过树脂共聚优化钢结构膨胀型防火涂料的膨胀性能与炭层强度

针对钢结构防火涂料中膨胀效率与炭层强度的矛盾问题，中国科学院过程工程研究所团队通过悬浮聚合法合成苯乙烯(St)、2-乙基己基丙烯酸酯(2Eha)和甲基丙烯酸异丁酯(iBma)三元共聚树脂，构建具有微相分离和氢键交联的多级结构。优化后的涂料使钢材达到535°C失效温度的时间从1276秒延长至3236秒，热释放速率峰值(PHRR)降至30.15 kW/m2，实现了膨胀性能与炭层强度的协同提升。

　　

随着高层建筑的普及，钢结构在火灾中面临严峻挑战。当温度接近500°C临界值时，钢结构会迅速失去承载能力，这对火灾救援和人员疏散构成严重威胁。膨胀型防火涂料(IFRC)作为被动防火策略，通过受热膨胀形成隔热炭层，能有效延缓钢材温升。然而，传统IFRC面临膨胀效率与炭层强度的固有矛盾——高膨胀往往导致炭层结构疏松，而强化炭层又会抑制膨胀。现有研究多聚焦于添加剂改性，但存在添加量高、界面相容性差等问题。中国科学院过程工程研究所团队另辟蹊径，从树脂基体入手，通过分子设计解决这一矛盾。

研究团队采用悬浮聚合法，将具有不同功能的单体——提供苯环结构的苯乙烯(St)、赋予塑化性能的2-乙基己基丙烯酸酯(2Eha)和增强交联的甲基丙烯酸异丁酯(iBma)进行三元共聚。通过密度泛函理论(DFT)计算和实验表征，揭示了聚合诱导相分离(PIPS)形成的塑化填料与氢键交联层的多级结构。关键实验技术包括：悬浮聚合工艺构建树脂多级结构、热重分析评估热稳定性、锥形量热仪测定防火性能参数(PHRR/FPI/FGI/SPR)，以及电子显微镜观察炭层形貌。

【合成与表征】研究发现，2Eha通过微相分离形成塑化填料，使树脂玻璃化转变温度(Tg)从纯St的100°C降至-70°C，显著提升膨胀能力；而St的苯环通过π-π堆积增强炭层石墨化程度，iBma则促进氢键交联网络形成。三者协同作用突破了性能瓶颈。

【防火性能】最优配比树脂(70%St/20%2Eha/10%iBma)制备的IFRC表现卓越：钢材失效时间延长253%，PHRR低至30.15 kW/m²，FPI达4.48 m²s/kW，且烟雾产生率(SPR)仅为0.01649 m²/s。炭层扫描电镜显示其具有连续致密结构。

【结论与意义】该研究开创性地通过树脂分子设计实现IFRC性能突破：2Eha主导膨胀行为，St/iBma调控炭层质量，多级结构协同解决传统矛盾。相比添加剂改性路线，该方法在保持机械性能的同时降低成本，为钢结构防火提供新思路。成果发表于《Progress in Organic Coatings》，对发展绿色建筑安全技术具有重要指导价值。Yibo Li等学者特别指出，这种基于PIPS的树脂设计策略可推广至其他功能涂层领域。