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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，鋼材的機械強度是溫度的函數(shù)，可以認(rèn)為鋼材的機械強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(tuán)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(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)強度和耐水極限。
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