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鋼結構防火涂料??絹云母

作者：建筑鋼結構網    
時間：2010-09-01 14:11:57 [收藏]
    以絹云母為添加劑來改善鋼結構防火涂料的性能。研究了偶聯劑改性絹云母的過程，以及改性云母對鋼結構防火涂料的耐火極限、耐水性能、粘結強度的影響，通過掃描電鏡...
    關鍵詞：涂料 防火   云母
        以絹云母為添加劑來改善鋼結構防火涂料的性能。研究了偶聯劑改性絹云母的過程，以及改性云母對鋼結構防火涂料的耐火極限、耐水性能、粘結強度的影響，通過掃描電鏡觀察了絹云母在基體中的分散狀況。研究表明，使用8%的JSC偶聯劑改性后的絹云母具有較好的分散性；與不添加絹云母的鋼結構防火涂料相比，絹云母的添加量為12%的鋼結構防火涂料的性能有較大的提高，其耐熱極限由96℃提高到121℃，耐水極限由28h提高到47h，粘結強度由0.45MPa提高到1.44MPa。

        關鍵詞：絹云母；鋼結構防火涂料；耐熱極限；偶聯劑

        0.引言

        現代大型建筑的主要承重構件大多依賴于堅固的鋼材，鋼結構已經成為大型建筑的主要形式，但是，鋼結構建筑的耐火性能遠比磚石結構和鋼筋混凝土結構差。一般說來，鋼材的機械強度是溫度的函數，可以認為鋼材的機械強度隨溫度的升高而降低。當溫度達到某一值時，鋼材便失去承載能力，這一溫度被定義為鋼材的臨界溫度，一般常用的建筑鋼材的臨界溫度在540℃左右。對于建筑火災，火場的溫度大多在800～1200℃之間，在火災發生的10min內，火場的溫度即可達到700℃以上。對于裸露的鋼材，在這樣的火災溫場下，只要幾分鐘就可上升到500℃而達到臨界值，使得承載能力失效并導致建筑物垮塌[1-2]。為解決鋼結構建筑的耐火問題，常用的方法是采用防火涂料涂覆[3]。但是國產鋼結構防火涂料普遍存在價位高、裝飾性差及耐火能力不強等缺點，其應用更是受到了極大的限制[4]。為了克服鋼結構防火涂料的上述缺點，一般采用制備新型鋼結構防火涂料和對傳統防火涂料進行改性等辦法加以解決。絹云母屬云母類礦物，結構呈二八面體，即由兩層硅氧四面體和一層鋁氧八面體構成四面體的頂，氧(活性氧)與附加陰離子(OH-)位于兩層六面網中央，構成活性結晶水基團，(001)解理完全，可劈成極薄的絹，因此具有高模量(1.8×105Pa)、徑厚比大等優點，可以起到二維增強作用，因而廣泛應用于改性研究中[5]。本文以聚乙烯醇、丙烯酸樹脂和磷酸三聚氰胺為主要原料制備了新型超薄型鋼結構防火涂料，并采用納米TiO2、ZnO晶須等納米粒子對其進行了改性研究[6-9]。采用偶聯劑對絹云母進行表面改性，再將改性后的絹云母添加到鋼結構防火涂料中以提高防火涂料的耐熱極限、耐水性能、粘結強度，使涂料具有更好的使用性能。

        1.實驗

        1.1主要原材料

        鋼結構防火涂料：自制，當涂層厚度為2mm時耐火極限為96min，耐水極限28h，粘結強度0.45MPa；絹云母：市售，d=40μm，結構呈二八面體；KH550、KH560(硅烷偶聯劑)、NTC401、CT136、JSC(鈦酸酯偶聯劑)：南京曙光化工廠。

        1.2樣品制備

        絹云母的改性：室溫下用乙醇將偶聯劑稀釋后加入絹云母，超聲波分散20min，抽濾并干燥樣品后備用。將改性絹云母按一定配比與防火涂料于高速攪拌機內混合后采用超聲波處理2h，在鋼板上涂刷3次，晾干后制得待測樣品。

        1.3性能測試

        涂料性能按GB/T14907?2002進行測試；用JSM?5900LV電子掃描電鏡觀察涂層斷面形態。

        2.結果與討論

        2.1不同偶聯劑對絹云母活化指數的影響

        為了選擇對絹云母進行改性的最佳偶聯劑，試驗將NTC401、CT136、JSC、KH550、KH560等5種偶聯劑以5%的用量，分別對絹云母進行表面改性。將改性后的樣品進行活化指數測定，試驗方法是：分別稱取一定量的改性后的樣品，加入盛有一定量蒸餾水的燒杯中，充分攪拌并靜置1h以上，然后將沉降于燒杯底部的物料分離，干燥后稱質量(m2)。用原樣質量(m1)減去其沉降部分質量，即可得到樣品中漂浮部分的質量(m1-m2)，粉體的活化指數R=(m1-m2)/m1，實驗結果如圖1所示。

        圖1 5種偶聯劑對絹云母活化指數的影響

        從圖1可以看出，在5種偶聯劑中，鈦酸酯偶聯劑JSC對絹云母的活化指數為0.996，粉體基本上不被水所浸潤，而CT136和KH550的改性效果則較差。因此，本文研究了采用JSC對絹云母進行表面改性。

        2.2JSC偶聯劑用量對絹云母活化指數的影響

        選擇對絹云母改性效果較好的偶聯劑JSC，考察偶聯劑用量對絹云母改性效果的影響，實驗結果如圖2所示。

        圖2 JSC用量對絹云母活化指數的影響

        從圖2可以看出，對絹云母而言，隨著偶聯劑用量的增加，絹云母的改性效果越好，當偶聯劑用量超過8%時，活化指數上升趨勢不明顯，說明偶聯劑對絹云母的改性效果已經趨于完全，因此，適宜的偶聯劑用量為絹云母質量的8%。

        2.3絹云母用量對防火涂料性能的影響

        為了考察絹云母用量對防火涂料性能的影響，實驗中分別添加1%、2%、3%、4%、5%和6%的改性絹云母與防火涂料共混后用超聲波處理2h，并與未加絹云母的防火涂料進行對比。分別測定了涂料的耐熱極限、耐水極限、粘結強度等物理指標，測試結果見表1。

        表1 絹云母用量對涂料性能的影響

        從表1中的數據可以看出，改性絹云母的添加可極大地提高涂料的各項性能。未添加絹云母的防火涂料的耐熱極限僅為96℃，耐水極限只有28h，粘結強度只有0.45MPa。而添加12%的改性絹云母后，其耐熱極限提高了25℃，達到了121℃，耐水極限提高了19h，達到47h以上，粘結強度提高了1倍以上，達1.44MPa。10%的添加量與12%的添加量相比，涂料的改善不明顯，因此可以選擇改性絹云母的添加量為10%～12%。

        2.4防火涂料斷面形貌及絹云母的作用

        圖3為鋼結構防火涂料的掃描電鏡照片。圖3(a)為添加8%未改性絹云母的鋼結構防火涂料放大1000倍的照片，圖3(b)為添加8%改性絹云母的鋼結構防火涂料放大1000倍的掃描電鏡照片，圖中顯示出，防火涂料為連續相，絹云母為分散相。

        圖3 防火涂料斷面的掃描圖片

        眾所周知，影響無機物在涂料基體中的分散性能的主要因素是無機粒子之間的團聚力，以及無機粒子與樹脂基體之間的浸潤性和顆粒在分散過程中所受的剪切力。從圖3(a)、(b)中可以看出，未經偶聯劑改性處理的絹云母在防火涂料中分散不均勻，出現嚴重的團聚現象；經偶聯劑改性處理的絹云母與鋼結構防火涂料的界面粘接緊密，分散相粒子尺寸減小及分布性提高，使大量細小的粒子粘附并鑲嵌在鋼結構防火涂料基體中，絹云母在鋼結構防火涂料中的鑲嵌保證了絹云母對鋼結構防火涂料的增強增韌作用。從SEM照片可以看出，防火涂料表面的云母都基本是形成平行于涂料表面的整齊排列。這種高度取向的結果，不但可以賦予防火涂料相對均勻的強度和模量，而且限制了涂料的不均勻收縮。所以防火涂料在耐熱極限、粘結強度和耐水極限等方面都有了大幅度的提高。

        3.結語

        為了提高鋼結構防火涂料的耐熱極限、耐水極限和黏結強度等性能，采用偶聯劑對絹云母進行了表面改性，并使用改性后的絹云母改善了鋼結構防火涂料的力學性能和熱學性能，得出以下結論。

        (1)偶聯劑可極大地改善云母的分散性能，在NTC401、CT136、JSC、KH550、KH560等5種偶聯劑中，JSC偶聯劑的改性效果最好，其適宜用量為云母的8%，相應的活化指數為0.976%。

        (2)經絹云母改性后的鋼結構防火涂料的各項性能都有較大幅度的提高，其適宜添加量為12%時，相應的耐火極限由96℃提高到121℃，耐水極限由28h提高到47h，粘結強度由0.45MPa提高到1.44MPa。

        (3)SEM顯示，改性絹云母在鋼結構防火涂料中呈均勻分散狀態，防火涂料表面的云母基本形成平行于涂料表面的整齊排列。這種高度取向的結果，不但可以賦予防火涂料相對均勻的強度和模量，而且限制了涂料的不均勻收縮，從而大幅度地提高了防火涂料在耐熱極限、粘結強度和耐水極限。
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