阻燃膨脹涂層通過在高溫下的吸熱分解反應(yīng)過程防止火焰，使材料膨脹并發(fā)泡成高度多孔、厚且熱穩(wěn)定的炭層 [ 90 , 91 ]。由于涂層的高空隙率和厚度，它可以作為底層基材的絕緣屏障，防止火焰和熱量 [ 92 ]。膨脹涂層可以通過在結(jié)構(gòu)元件上涂漆或噴涂液體化合物來(lái)應(yīng)用。在一段時(shí)間內(nèi)，這些化合物在空氣中固化形成固體膨脹膜 [ 82 , 93]。通常，使用這種方法可實(shí)現(xiàn)的最大涂層厚度必須小于 5 毫米。如果需要更厚的涂層，可以通過使用高溫粘合劑將纖維膨脹墊直接粘合到基材上來(lái)應(yīng)用。
（i）涂層材料分解，
（ii）分解反應(yīng)產(chǎn)生的惰性氣體以足夠的速度產(chǎn)生以引導(dǎo)熱對(duì)流氣流，最重要的是，
（iii ) 涂層膨脹成高度多孔的炭層，對(duì)從火焰到下面的復(fù)合基材的熱傳導(dǎo)具有很高的抵抗力 。
事實(shí)上，膨脹型涂料由多種化合物組成，每種化合物在膨脹過程中都發(fā)揮著特定的作用。富碳（含碳）化合物、無(wú)機(jī)酸或酸鹽、有機(jī)胺或酰胺和發(fā)泡劑是膨脹型涂料中涉及的四種主要化合物（泡沫）[ 72 ]。為了發(fā)生膨脹，這些化合物必須幾乎同時(shí)以正確的順序經(jīng)歷一系列分解反應(yīng)和物理過程[ 93 ]。圖 5描述了這些過程的順序，這些過程有助于膨脹的發(fā)生。如果兩個(gè)過程之間的時(shí)間太長(zhǎng)，或者如果它們沒有按照正確的順序進(jìn)行，涂層將不會(huì)膨脹 [ 99 ]。
酸分解溫度必須足夠高，以使正常的外部加熱（即陽(yáng)光直射加熱）不會(huì)導(dǎo)致涂層在沒有火焰的情況下膨脹；因此，它必須低于復(fù)合基材的熱解溫度 [ 56 , 87 , 100]。此外，為了確保含碳化合物的脫水，酸必須在涂層中的任何其他化合物之前分解。線性高分子量聚磷酸銨 (APP)、硼酸鋅、有機(jī)酯、三聚氰胺 (MEL) 磷酸鹽以及銨鹽、酰胺鹽或胺鹽是常用的酸性化合物。這些化合物在 100 至 250 °C 的溫度范圍內(nèi)分解，低于復(fù)合材料中使用的大多數(shù)有機(jī)樹脂的熱解溫度。有機(jī)酰胺或胺的使用可以催化酸分解反應(yīng)[ 72 ]。
然后通過與分解的無(wú)機(jī)鹽的脫水反應(yīng)分解碳化物，在該反應(yīng)中轉(zhuǎn)化為碳質(zhì)炭。碳化物是一種富含碳的多元化合物，會(huì)產(chǎn)生大量的炭，通常是聚碳酸酯（淀粉或多元醇）或苯酚（苯酚-甲醛）[ 101 ]。然后通過發(fā)泡劑的分解使熱的粘性炭膨脹。炭的膨脹取決于碳化劑和發(fā)泡劑的同時(shí)分解；否則，涂層將無(wú)法完全膨脹 [ 102]。發(fā)泡劑通過吸熱反應(yīng)分解，產(chǎn)生大量不可燃?xì)怏w，導(dǎo)致炭熔體膨脹。通常使用的發(fā)泡劑是氮化合物，例如尿素、胍、雙氰胺、甘氨酸和 MEL，它們會(huì)產(chǎn)生氨 (NH 3 )、二氧化碳 (CO 2 ) 和水 (H 2 O) 蒸汽 [ 103 ]。同時(shí)，氯化石蠟是另一種可以使用的高效發(fā)泡劑，產(chǎn)生氯化氫、CO 2和H 2O蒸氣。氣體聚集成小氣泡，導(dǎo)致炭起泡和膨脹。涂層最終硬化成厚厚的多細(xì)胞材料，減緩了從火焰到復(fù)合基材的熱傳導(dǎo)。
隨后，當(dāng)發(fā)生膨脹時(shí)，膨脹涂層的厚度從其原始厚度增加許多倍。優(yōu)異的膨脹型涂層可膨脹 50 至 200 倍，形成精細(xì)尺度的多細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)，細(xì)胞尺寸范圍為 20 至 50 μm，壁厚范圍為 6 至 8 μm [ 82 , 93 ]。奧利瓦等人。發(fā)現(xiàn)在膨脹型涂層中添加石墨片可以提高阻燃性 [ 104 ]。加熱時(shí)，薄片會(huì)膨脹多達(dá) 100 倍，從而形成更有效的絕緣層 [ 105 ]。除此之外，添加有助于細(xì)胞成核的惰性填料可用于控制細(xì)胞大小 [ 106 ]。填料，例如氧化鈦（TiO 2) 和二氧化硅，通常用于減小細(xì)胞的平均直徑。事實(shí)上，制造商嚴(yán)格控制商業(yè)膨脹涂料中使用的化合物的確切化學(xué)成分。雖然可用于配制膨脹型組合物的化合物范圍很廣，但在實(shí)踐中僅使用了少數(shù)幾種。
除了控制膨脹過程的化合物之外，涂層還可以包含用于膨脹以外目的的其他添加劑。例如，涂料可能含有聚結(jié)劑、增稠劑、抗氧化劑、研磨纖維和用于結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的著色顏料 [ 91 , 107 ]。
在火焰中，膨脹型涂層是很好的絕熱體，可減慢熱傳遞到基材的速度。膨脹型涂料在延緩燃燒、減緩熱量釋放、抑制火焰蔓延和降低復(fù)合材料中的煙霧密度方面非常有效 [ 85 , 108 ]。雖然膨脹型涂層可以保護(hù)復(fù)合材料免受熱和火焰的影響，但它們也有幾個(gè)缺點(diǎn)。許多商業(yè)涂料產(chǎn)品與基材的結(jié)合力較弱，并且在膨脹過程中經(jīng)常脫落，將底層復(fù)合材料直接暴露在火焰中 [ 109]。因此，當(dāng)涂層應(yīng)用于垂直（即墻壁）或頭頂（即天花板）結(jié)構(gòu)時(shí)，這是常見的情況。因此，為確保充分的防火保護(hù)，涂層必須與基材牢固結(jié)合并具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度 [ 82 ]。膨脹型涂料的其他問題包括與某些制造工藝不兼容、美觀性差、耐用性差、快速風(fēng)化（即紫外線輻射、吸濕）以及耐磨性和侵蝕性低[ 101、110、111 ]。
為了克服這些問題，必須對(duì)基于熱固性環(huán)氧-胺體系的膨脹型配方進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)其熱性能進(jìn)行表征。例如，無(wú)機(jī)酸（即硼酸）和 APP 可單獨(dú)或組合用作膨脹型制造中的阻燃劑 [ 58 , 112 ]。發(fā)現(xiàn)使用不含阻燃劑的配方僅提供與原始基材相似的性能。如果在配方中單獨(dú)加入硼酸或APP，阻燃性能會(huì)有所提高。然而，炭不能有效地粘附在基材上并脫落，導(dǎo)致基材暴露在外 [ 113]。同時(shí)，這兩種阻燃添加劑在體系中的組合產(chǎn)生了較佳性能，并使炭附著在基材上。改進(jìn)的行為部分歸因于磷酸鹽（促進(jìn)基材粘附）和硼酸鹽（產(chǎn)生非常硬的炭）的組合，導(dǎo)致硼磷酸鹽的形成。除此之外，在配方中添加硼酸會(huì)通過形成硬質(zhì)玻璃（氧化硼）來(lái)增加粘度，這種玻璃會(huì)捕獲氣體并產(chǎn)生具有高機(jī)械阻力的炭[ 114 ]。
