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鋼結(jié)構(gòu)防火涂料??絹云母

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2010-09-01 14:11:57 [收藏]
    以絹云母為添加劑來改善鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的性能。研究了偶聯(lián)劑改性絹云母的過程，以及改性云母對鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火極限、耐水性能、粘結(jié)強(qiáng)度的影響，通過掃描電鏡...
    關(guān)鍵詞：
        以絹云母為添加劑來改善鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的性能。研究了偶聯(lián)劑改性絹云母的過程，以及改性云母對鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐火極限、耐水性能、粘結(jié)強(qiáng)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(lián)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(jié)構(gòu)防火涂料相比，絹云母的添加量為12%的鋼結(jié)構(gòu)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(jié)強(qiáng)度由0.45MPa提高到1.44MPa。

        關(guān)鍵詞：絹云母；鋼結(jié)構(gòu)防火涂料；耐熱極限；偶聯(lián)劑

        0.引言

        現(xiàn)代大型建筑的主要承重構(gòu)件大多依賴于堅固的鋼材，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為大型建筑的主要形式，但是，鋼結(jié)構(gòu)建筑的耐火性能遠(yuǎn)比磚石結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)差。一般說來，鋼材的機(jī)械強(qiáng)度是溫度的函數(shù)，可以認(rèn)為鋼材的機(jī)械強(qiáng)度隨溫度的升高而降低。當(dāng)溫度達(dá)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(zāi)，火場的溫度大多在800～1200℃之間，在火災(zāi)發(fā)生的10min內(nèi)，火場的溫度即可達(dá)到700℃以上。對于裸露的鋼材，在這樣的火災(zāi)溫場下，只要幾分鐘就可上升到500℃而達(dá)到臨界值，使得承載能力失效并導(dǎo)致建筑物垮塌[1-2]。為解決鋼結(jié)構(gòu)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(chǎn)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料普遍存在價位高、裝飾性差及耐火能力不強(qiáng)等缺點，其應(yīng)用更是受到了極大的限制[4]。為了克服鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的上述缺點，一般采用制備新型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料和對傳統(tǒng)防火涂料進(jìn)行改性等辦法加以解決。絹云母屬云母類礦物，結(jié)構(gòu)呈二八面體，即由兩層硅氧四面體和一層鋁氧八面體構(gòu)成四面體的頂，氧(活性氧)與附加陰離子(OH-)位于兩層六面網(wǎng)中央，構(gòu)成活性結(jié)晶水基團(tuán)，(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(yōu)點，可以起到二維增強(qiáng)作用，因而廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)防火涂料，并采用納米TiO2、ZnO晶須等納米粒子對其進(jìn)行了改性研究[6-9]。采用偶聯(lián)劑對絹云母進(jìn)行表面改性，再將改性后的絹云母添加到鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中以提高防火涂料的耐熱極限、耐水性能、粘結(jié)強(qiáng)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(jié)構(gòu)防火涂料：自制，當(dāng)涂層厚度為2mm時耐火極限為96min，耐水極限28h，粘結(jié)強(qiáng)度0.45MPa；絹云母：市售，d=40μm，結(jié)構(gòu)呈二八面體；KH550、KH560(硅烷偶聯(lián)劑)、NTC401、CT136、JSC(鈦酸酯偶聯(lián)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(lián)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(jī)內(nèi)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(jìn)行測試；用JSM?5900LV電子掃描電鏡觀察涂層斷面形態(tài)。

        2.結(jié)果與討論

        2.1不同偶聯(lián)劑對絹云母活化指數(shù)的影響

        為了選擇對絹云母進(jìn)行改性的最佳偶聯(lián)劑，試驗將NTC401、CT136、JSC、KH550、KH560等5種偶聯(lián)劑以5%的用量，分別對絹云母進(jìn)行表面改性。將改性后的樣品進(jìn)行活化指數(shù)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?jǐn)嚢璨㈧o置1h以上，然后將沉降于燒杯底部的物料分離，干燥后稱質(zhì)量(m2)。用原樣質(zhì)量(m1)減去其沉降部分質(zhì)量，即可得到樣品中漂浮部分的質(zhì)量(m1-m2)，粉體的活化指數(shù)R=(m1-m2)/m1，實驗結(jié)果如圖1所示。

        圖1 5種偶聯(lián)劑對絹云母活化指數(shù)的影響

        從圖1可以看出，在5種偶聯(lián)劑中，鈦酸酯偶聯(lián)劑JSC對絹云母的活化指數(shù)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(jìn)行表面改性。

        2.2JSC偶聯(lián)劑用量對絹云母活化指數(shù)的影響

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

        圖2 JSC用量對絹云母活化指數(shù)的影響

        從圖2可以看出，對絹云母而言，隨著偶聯(lián)劑用量的增加，絹云母的改性效果越好，當(dāng)偶聯(lián)劑用量超過8%時，活化指數(shù)上升趨勢不明顯，說明偶聯(lián)劑對絹云母的改性效果已經(jīng)趨于完全，因此，適宜的偶聯(lián)劑用量為絹云母質(zhì)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(jìn)行對比。分別測定了涂料的耐熱極限、耐水極限、粘結(jié)強(qiáng)度等物理指標(biāo)，測試結(jié)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(shù)據(jù)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(jié)強(qiáng)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(dá)到了121℃，耐水極限提高了19h，達(dá)到47h以上，粘結(jié)強(qiáng)度提高了1倍以上，達(dá)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xù)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(jī)物在涂料基體中的分散性能的主要因素是無機(jī)粒子之間的團(tuán)聚力，以及無機(jī)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(jīng)偶聯(lián)劑改性處理的絹云母在防火涂料中分散不均勻，出現(xiàn)嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象；經(jīng)偶聯(lián)劑改性處理的絹云母與鋼結(jié)構(gòu)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(xì)小的粒子粘附并鑲嵌在鋼結(jié)構(gòu)防火涂料基體中，絹云母在鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中的鑲嵌保證了絹云母對鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的增強(qiáng)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(jié)果，不但可以賦予防火涂料相對均勻的強(qiáng)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(jié)強(qiáng)度和耐水極限等方面都有了大幅度的提高。

        3.結(jié)語

        為了提高鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的耐熱極限、耐水極限和黏結(jié)強(qiáng)度等性能，采用偶聯(lián)劑對絹云母進(jìn)行了表面改性，并使用改性后的絹云母改善了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的力學(xué)性能和熱學(xué)性能，得出以下結(jié)論。

        (1)偶聯(lián)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(lián)劑中，JSC偶聯(lián)劑的改性效果最好，其適宜用量為云母的8%，相應(yīng)的活化指數(shù)為0.976%。

        (2)經(jīng)絹云母改性后的鋼結(jié)構(gòu)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(yīng)的耐火極限由96℃提高到121℃，耐水極限由28h提高到47h，粘結(jié)強(qiáng)度由0.45MPa提高到1.44MPa。

        (3)SEM顯示，改性絹云母在鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中呈均勻分散狀態(tài)，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(jié)果，不但可以賦予防火涂料相對均勻的強(qiáng)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(jié)強(qiáng)度和耐水極限。
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