钢结构是建筑物中的主要承重构件，能够在保持结构完整性的同时承受巨大的重量。然而，当温度超过500°C时，钢材的机械强度会降低一半，导致变形甚至可能逐渐倒塌。[1],[2] 如果没有防护措施，由于钢材的高导热性，未受保护的钢结构在15分钟内温度就可能达到500°C[3]，这不足以让人们安全撤离。因此，提高钢结构的防火性能，有效延长达到临界温度的时间，是一个重要的安全问题。
最有效的方法之一是使用膨胀涂料，这种涂料在高温下会迅速膨胀形成一层隔热炭层，延缓热量传递和钢材软化。常用的配方包括聚磷酸铵（APP，酸源）、三聚氰胺（MEL，发泡剂）和戊糖醇（PER，碳源），并通过醋酸乙烯酯、丙烯酸酯或环氧树脂等聚合物粘合剂进行涂覆[4]。与厚厚的无机涂层（例如混凝土、岩棉、地质聚合物）相比，膨胀涂料的厚度通常低于3毫米，具有美观、防火、重量轻、柔韧性强以及易于施工和维护等优点。它们被广泛应用于体育场、桥梁、车间和商业建筑等现代结构中。
然而，APP/MEL/PER系统在火灾条件下存在一些缺点，如膨胀率低、烟雾释放量大以及炭层形成不稳定[3],[5]。尽管尝试了多种改进方法，如优化成分比例、添加无机填料或改进粘合剂，但效果有限[6],[7],[8]。一个根本问题是APP、MEL和PER在常见粘合剂（环氧树脂、乙烯基树脂、乳胶）中的分散不均匀，导致混合物不均匀[9],[10]。干燥后，这种混合物会形成成分不均匀的粗糙涂层，导致膨胀不均匀、炭层开裂，甚至在火灾中脱落，从而降低防护性能。因此，设计一种能够在粘合剂中均匀溶解或分散的“一体化”阻燃剂是一个有前景的解决方案。
此外，传统涂料通常含有高浓度的有机溶剂，由于挥发性有机化合物（VOC）的排放而引发环境问题[11]。因此，低VOC的水性粘合剂越来越受到青睐。无机水性粘合剂，如硅酸钠、硅酸盐胶体和磷酸盐，可以在满足环境要求的同时增强炭层的强度。其中，铝磷酸二氢盐[Al(H₂PO₄)₃]（ADP）是一种有效的高温阻燃剂，可溶于水[12]。与有机磷酸盐或铵磷酸盐不同，ADP在加热时会释放水蒸气，并形成一种热稳定的无机聚合物结构[–Al–O–P(=O)(–OH)–O–]，能够牢固地附着在氧化物表面[13]。因此，将ADP与膨胀成分结合可能会产生一种有效的钢结构防火涂料。
基于生物的阻燃剂因其高碳含量、反应性和低毒性而受到越来越多的关注[14]。通过用磷（P）、氮（N）、硅（Si）或硼（B）对其进行改性，可以提高其阻燃性和与基材的相容性[15],[16],[17],[18]。环糊精特别具有吸引力，因为它们可溶于水、含有多个反应性羟基，并在燃烧过程中一步分解[19]。在这项工作中，我们整合了这些设计原则，合成了氨基磷酸化的β-环糊精（APCD）作为一种可溶于水的“一体化”阻燃剂。当APCD与ADP溶液结合时，会形成一种粘稠的混合物，在加热时显著膨胀并产生稳定的炭层，有效阻挡热量和火焰的传递。ADP基质还抑制了APCD的热量和烟雾释放，符合环境要求。本研究提出了一种双组分水性涂层，具有优异的钢结构防火性能。此外，它还介绍了一种设计概念，即首先选择合适的粘合剂，然后设计出兼容的“一体化”阻燃剂，这可以为未来高性能防火涂料的开发提供指导。
