阻燃膨胀涂层通过在高温下的吸热分解反应过程防止火焰，使材料膨胀并发泡成高度多孔、厚且热稳定的炭层 [ 90 , 91 ]。由于涂层的高空隙率和厚度，它可以作为底层基材的绝缘屏障，防止火焰和热量 [ 92 ]。膨胀涂层可以通过在结构元件上涂漆或喷涂液体化合物来应用。在一段时间内，这些化合物在空气中固化形成固体膨胀膜 [ 82 , 93]。通常，使用这种方法可实现的最大涂层厚度必须小于 5 毫米。如果需要更厚的涂层，可以通过使用高温粘合剂将纤维膨胀垫直接粘合到基材上来应用。

阻燃膨胀型涂料通过三个反应过程提供防火保护

（i）涂层材料分解，

（ii）分解反应产生的惰性气体以足够的速度产生以引导热对流气流，最重要的是，

（iii ) 涂层膨胀成高度多孔的炭层，对从火焰到下面的复合基材的热传导具有很高的抵抗力 。

事实上，膨胀型涂料由多种化合物组成，每种化合物在膨胀过程中都发挥着特定的作用。富碳（含碳）化合物、无机酸或酸盐、有机胺或酰胺和发泡剂是膨胀型涂料中涉及的四种主要化合物（泡沫）[ 72 ]。为了发生膨胀，这些化合物必须几乎同时以正确的顺序经历一系列分解反应和物理过程[ 93 ]。图 5描述了这些过程的顺序，这些过程有助于膨胀的发生。如果两个过程之间的时间太长，或者如果它们没有按照正确的顺序进行，涂层将不会膨胀 [ 99 ]。

涂层内的无机酸或酸盐的分解引发了膨胀过程

酸分解温度必须足够高，以使正常的外部加热（即阳光直射加热）不会导致涂层在没有火焰的情况下膨胀；因此，它必须低于复合基材的热解温度 [ 56 , 87 , 100]。此外，为了确保含碳化合物的脱水，酸必须在涂层中的任何其他化合物之前分解。线性高分子量聚磷酸铵 (APP)、硼酸锌、有机酯、三聚氰胺 (MEL) 磷酸盐以及铵盐、酰胺盐或胺盐是常用的酸性化合物。这些化合物在 100 至 250 °C 的温度范围内分解，低于复合材料中使用的大多数有机树脂的热解温度。有机酰胺或胺的使用可以催化酸分解反应[ 72 ]。

然后通过与分解的无机盐的脱水反应分解碳化物，在该反应中转化为碳质炭。碳化物是一种富含碳的多元化合物，会产生大量的炭，通常是聚碳酸酯（淀粉或多元醇）或苯酚（苯酚-甲醛）[ 101 ]。然后通过发泡剂的分解使热的粘性炭膨胀。炭的膨胀取决于碳化剂和发泡剂的同时分解；否则，涂层将无法完全膨胀 [ 102]。发泡剂通过吸热反应分解，产生大量不可燃气体，导致炭熔体膨胀。通常使用的发泡剂是氮化合物，例如尿素、胍、双氰胺、甘氨酸和 MEL，它们会产生氨 (NH 3 )、二氧化碳 (CO 2 ) 和水 (H 2 O) 蒸汽 [ 103 ]。同时，氯化石蜡是另一种可以使用的高效发泡剂，产生氯化氢、CO 2和H 2O蒸气。气体聚集成小气泡，导致炭起泡和膨胀。涂层最终硬化成厚厚的多细胞材料，减缓了从火焰到复合基材的热传导。

随后，当发生膨胀时，膨胀涂层的厚度从其原始厚度增加许多倍。优异的膨胀型涂层可膨胀 50 至 200 倍，形成精细尺度的多细胞网络，细胞尺寸范围为 20 至 50 µm，壁厚范围为 6 至 8 µm [ 82 , 93 ]。奥利瓦等人。发现在膨胀型涂层中添加石墨片可以提高阻燃性 [ 104 ]。加热时，薄片会膨胀多达 100 倍，从而形成更有效的绝缘层 [ 105 ]。除此之外，添加有助于细胞成核的惰性填料可用于控制细胞大小 [ 106 ]。填料，例如氧化钛（TiO 2) 和二氧化硅，通常用于减小细胞的平均直径。事实上，制造商严格控制商业膨胀涂料中使用的化合物的确切化学成分。虽然可用于配制膨胀型组合物的化合物范围很广，但在实践中仅使用了少数几种。

除了控制膨胀过程的化合物之外，涂层还可以包含用于膨胀以外目的的其他添加剂。例如，涂料可能含有聚结剂、增稠剂、抗氧化剂、研磨纤维和用于结构增强的着色颜料 [ 91 , 107 ]。

膨胀型涂料的缺陷与解决

在火焰中，膨胀型涂层是很好的绝热体，可减慢热传递到基材的速度。膨胀型涂料在延缓燃烧、减缓热量释放、抑制火焰蔓延和降低复合材料中的烟雾密度方面非常有效 [ 85 , 108 ]。虽然膨胀型涂层可以保护复合材料免受热和火焰的影响，但它们也有几个缺点。许多商业涂料产品与基材的结合力较弱，并且在膨胀过程中经常脱落，将底层复合材料直接暴露在火焰中 [ 109]。因此，当涂层应用于垂直（即墙壁）或头顶（即天花板）结构时，这是常见的情况。因此，为确保充分的防火保护，涂层必须与基材牢固结合并具有足够的机械强度 [ 82 ]。膨胀型涂料的其他问题包括与某些制造工艺不兼容、美观性差、耐用性差、快速风化（即紫外线辐射、吸湿）以及耐磨性和侵蚀性低[ 101、110、111 ]。

为了克服这些问题，必须对基于热固性环氧-胺体系的膨胀型配方进行优化，并对其热性能进行表征。例如，无机酸（即硼酸）和 APP 可单独或组合用作膨胀型制造中的阻燃剂 [ 58 , 112 ]。发现使用不含阻燃剂的配方仅提供与原始基材相似的性能。如果在配方中单独加入硼酸或APP，阻燃性能会有所提高。然而，炭不能有效地粘附在基材上并脱落，导致基材暴露在外 [ 113]。同时，这两种阻燃添加剂在体系中的组合产生了较佳性能，并使炭附着在基材上。改进的行为部分归因于磷酸盐（促进基材粘附）和硼酸盐（产生非常硬的炭）的组合，导致硼磷酸盐的形成。除此之外，在配方中添加硼酸会通过形成硬质玻璃（氧化硼）来增加粘度，这种玻璃会捕获气体并产生具有高机械阻力的炭[ 114 ]。