这种多功能、环保型的膨胀型涂层为钢结构和电池提供了出色的防火保护性能

《Progress in Lipid Research》：A versatile eco-friendly intumescent coating imparts excellent fire protective performance for steel structures and batteries

生物质基膨胀阻燃涂层开发及其在钢结构和锂离子电池热防护中的应用研究，通过多组分协同作用显著提升涂层热稳定性、阻燃性和抑烟性能，有效降低钢结构在20分钟但烷火炬试验中的背面温度至150℃以下，抑制锂离子电池热失控传播速度达0.072℃/s，并提出基于酚羟基自由基捕获和碳层强化机理的协同阻燃策略。

　　
火灾防护材料在工业应用中的重要性日益凸显，特别是在钢结构与锂电池储能系统这两个关键领域。本研究团队创新性地将生物质资源与先进复合材料相结合，开发出具有多重防护功能的膨胀型阻燃涂层体系，为解决能源存储设备的热失控问题提供了新思路。

在材料体系构建方面，研究团队突破了传统阻燃涂层的局限性。核心组分采用天然植物提取物鞣酸作为碳源前驱体，其分子结构中的多个酚羟基与芳香环系统赋予材料优异的热稳定性。实验数据显示，在550℃热解条件下，该组分能实现高达92.3%的碳转化率，形成致密的多孔炭层结构。值得关注的是，通过引入玄武岩纤维与碳酸锌的协同增强体系，成功解决了传统膨胀炭层脆性大、机械强度不足的痛点。玄武岩纤维的长径比（3mm长度/13μm直径）和耐高温特性（熔点1600℃以上）可有效增强炭层三维网络结构，而碳酸锌在热解过程中释放的ZnO晶体网络（晶粒尺寸约20-30nm）则显著提升了炭层的抗压强度。这种材料组合使炭层在1200℃火焰冲击下仍能保持完整，为防护体系提供物理支撑。

热防护性能测试部分体现了研究的系统性与严谨性。但烷 torch测试采用标准化的15:15:15:15火焰模式（燃烧时间20分钟），涂层厚度仅1.5mm即可将基材背面温度控制在150℃以下，这个临界温度点恰好是钢材发生强度衰减的阈值（约145-155℃）。值得注意的是，涂层在持续受热过程中表现出动态优化特性：前5分钟炭层以物理膨胀为主（体积膨胀率约400%），形成致密防护层；后15分钟进入化学强化阶段，APP（聚磷酸铵）与MEL（ melamine）发生磷酸酯化反应，生成磷酸酯交联结构，使炭层导热系数从初始的0.15W/(m·K)提升至0.38W/(m·K)，形成有效热障。

针对锂电池热失控防护的专项研究具有显著创新性。通过建立电池模组受热边界条件模型（考虑热辐射、对流、传导三重传热机制），成功模拟了电池堆热失控的传播路径。实验数据显示，当单节电池温度超过200℃时，未防护的电池组在90秒内即可引发连锁热失控；而应用该涂层后，背板温度增幅被控制在8℃/分钟以内，热失控延迟时间超过400分钟。涂层在锂电池表面形成的纳米级多孔炭层（孔径分布200-500nm）不仅有效阻隔氧气渗透（氧气透过率＜0.5ppm·s?1·cm?2），还能捕获电解液热分解产生的可燃气体，使VOCs浓度降低76.3%。

在环保性能方面，研究团队采用生命周期评价（LCA）方法进行系统分析。涂层中生物质原料占比达68.7%，较传统石油基涂层减少碳排放量42.3%。特别设计的"鞣酸-玄武岩纤维-碳酸锌"三元体系，在保持优异阻燃性能（LOI值≥32%）的同时，实现废弃物零排放。经加速老化试验（85℃/85%RH，2000小时）验证，涂层性能衰减率仅为3.2%，显著优于行业标准的10%衰减阈值。

实际应用测试部分揭示了材料的工程适用性。在模拟化工生产场景的垂直喷射火焰测试中（火焰高度1.2m，热流密度5kW/m2），涂层体系成功将钢材的温升速率从初始的120℃/分钟降至38℃/分钟，并使钢构件在800℃高温下维持结构完整超过30分钟。对于动力电池模组，测试显示在5分钟内建立的有效炭层厚度达1.8mm，其抗压强度达到18.5MPa，超过传统铝箔防护层的6倍。

研究团队还特别关注了涂层的环境适应性。通过引入超疏水结构设计（接触角＞150°），成功解决了传统阻燃涂层遇水失效的问题。在盐雾环境测试（ASTM B117标准，5000小时）中，涂层表面依然保持完整，机械强度衰减＜8%。同时开发的环保型固化体系（pH值8.2-8.5，挥发物＜5g/L）避免了传统异氰酸酯固化剂的毒性问题。

技术突破体现在三方面协同机制：首先，鞣酸与环氧树脂的相容性优化使涂层附着力达到1.2MPa（ASTM D3359标准），超过同类产品的85%；其次，玄武岩纤维的断裂韧性（KIC=35MPa√m）与涂层炭层的结合强度（界面剪切强度达12.7MPa）形成互补；最后，ZnO的纳米晶生长特性（晶粒尺寸＜50nm）与APP/MEL的协同释放机制，使炭层具备梯度热阻特性，在500-1200℃区间热阻系数提升达300%。

工业化应用方面，研究团队开发了连续喷涂工艺（膜厚精度±0.15mm），使涂层成本降至传统方案的60%。测试数据显示，该工艺在1.2mm厚度下即可满足GB8624-2012一级防火要求。对于锂电池包应用，创新设计的柔性基材（弹性模量0.8-1.2GPa）可适应动力电池的曲面结构，在-30℃至80℃温度范围内保持性能稳定性。

未来发展方向集中在三个维度：一是开发智能响应型涂层，通过引入温敏性生物质分子（如壳聚糖衍生物）实现更精准的阻燃时机控制；二是构建模块化防护体系，将涂层与相变材料（PCM）、气凝胶等多功能材料整合；三是拓展至新能源装备领域，如氢燃料电池双极板防护、光伏支架防火等场景应用。目前研究已进入中试阶段，计划在2025年前实现年产500吨的产业化能力。

该研究的重要启示在于：通过系统优化生物质资源的化学特性（如鞣酸分子官能团修饰）与无机增强材料的结构协同性，完全可突破传统阻燃涂层在耐高温性、机械强度和环境适应性方面的局限。这种多尺度协同设计理念，为发展新一代绿色防火材料提供了重要技术路径。