无机超薄膨胀型钢结构防火涂料结构优化及机理研究.doc

无机超薄膨胀型钢结构防火涂料结构优化及机理研究目前,钢结构防火涂料主要为有机型的涂料,其易老化、价格昂贵,在阻燃时易氧化且伴有大量有毒气体的释放,与我国绿色环保的理念不符;传统无机型的涂料多为厚型、非膨胀型,其挤占有效空间,施工极为不便。所以迫切需要研制一种廉价、环保、高性能的钢结构防火涂料。本文从绿色环保的理念出发,根据熔体发泡原理,研究新型无机超薄膨胀型钢结构防火涂料(后文简称新型涂料)。我们通过对新型涂料基础组成进行优化,改善膨胀层结构,提高防火性能,并最终得出最优配方,具体如下:(1)在初始配方基础上,研究采用水泥、石灰、内墙腻子、硅酸钠等无机粘结成膜剂对涂料结构和性能的影响。结果表明,硅酸钠成膜剂的成膜性能和高温稳定性优于其他无机粘结剂,采用模数为1.0的固体硅酸钠和模数为3.0的液体硅酸钠复合时防火涂料综合性能最佳,固体硅酸钠掺量约5%,液体硅酸钠掺量约35%时,涂料室温成膜性良好,高温下稳定,阻燃温度约300℃。选用聚醋酸乙烯酯类的可再分散乳胶粉为辅助粘结剂,掺量约2%,增强涂层粘结能力,粘结能力测试时,0.8m自由落体可达12次。(2)研究了氧化硅、氧化铝、氧化镁、碳酸钙等填料对涂料综合性能和结构的影响。结果表明,氧化镁填料膨胀层结构最佳,其掺量为10%防火性能最佳,阻燃温度约288℃。研究氢氧化镁、氢氧化铝、碳酸镁三种发泡剂单掺和复掺对涂料综合性能和防火温度的影响,结果表明,氢氧化铝为阻燃发泡剂,涂料综合性能和结构最好,掺量30%时,阻燃温度约270℃。(3)在新型涂料配方各组分种类确定的基础上,研究各组分对涂料性能的影响机制。对各组分进行掺量的单因素及正交实验,改善配方组成优化膨胀层结构并提高涂料的防火性能,最终得出最佳配方:乳胶粉2%、低熔点玻璃粉7%、氢氧化铝37%、氧化镁10%、固体硅酸钠5.4%、液体硅酸钠37.6%。此时,阻燃温度约240℃。(4)新型涂料与有机型涂料进行对比实验,结果表明,防火测试120min,新型涂料最终温度稳定在240℃左右,膨胀层为致密的类似蜂窝状的无机质结构,其结构强度约是有机膨胀层强度的350倍,而且阻燃时释放毒烟气量大大减少,防火实验时几乎没有异味,阻燃后残余物量较有机型涂料提升近75%。通过TG、XRD等表征手段分析防火阻燃过程中物质的化学变化及膨胀型的形成过程。TG得出新型涂料的无机残余物量较有机型涂料大大提升,因为无机填料等在高温下性质稳定,而有机膨胀层在高温时会不断的被氧化逐渐减少;XRD分析得出无机膨胀层形成中出现了新的硅镁、硅铝矿物质,具有较高的热稳定性,与无机填料共同组成无机膨胀层,能够更持久的阻燃隔热,提升了钢结构的耐火极限。本文所研制的新型涂料在各方面都展现出十分优异的性能,阻燃时,形成的无机质膨胀层中含有氧化镁、氧化铝、硅铝矿物、硅镁矿物等热稳定性极佳的无机材料,耐火性能突出。这种绿色环保、价格优廉、高性能的无机膨胀型钢结构防火涂料将推动未来涂料的发展。