CN103950259B - 一种复合材料耐火承载一体化点阵结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料耐火承载一体化点阵结构及其制备方法。本发明的复合材料耐火承载一体化点阵结构包括：点阵芯子、上面板、下面板、隔热填充层以及防火涂层；防火涂层包括内层的粘接层和外层的耐火层，粘接层为具有增强纤维的涂层，将耐火层与点阵平板紧密粘接。本发明采用在复合材料的向火面涂覆两层的防火涂层，并在两层面板中的点阵芯子中填充隔热材料，在向火面温度为960℃持续一小时以上，点阵结构在保证完整性不变的情况下，背火面的温度只有150℃，比涂有同等厚度的钢结构背火面的温度低约100℃，保护了器件和人员的安全；本发明能够满足较高的耐火等级，且其制备工艺较为简单，可实现自动化生产，并且成本较低。

Description

一种复合材料耐火承载一体化点阵结构及其制备方法

技术领域

本发明属于工程结构领域，尤其涉及一种复合材料耐火承载一体化点阵结构及其制备方法。

背景技术

蜂窝夹心结构作为典型的轻质结构功能材料具有较高的比刚度、比强度，是一种从结构上解决轻质并兼有一定承载力的结构，其改进结构在耐火领域也有一定程度的应用。现有的通过改进蜂窝结构实现耐火功能的有：对于金属蜂窝，通过在合金蜂窝夹芯板外添加耐火面板实现耐火的目的，其结构体中有一定的孔隙率，在一定程度上减轻重量，但整体的重量受母材合金的密度影响；对于纸质蜂窝夹芯板，通过用浸泡过化学药剂的耐火不助燃植物纤维材料制成有一定耐火作用的纸板，利用纸板本身的耐火性能起到耐火的作用，但是经过特殊处理的纸板本身的耐火性能并不好。现有专利如申请号201310175629、201320217267、201220072327、201220053882和201220683533等，能实现大承载力和高防火性能的耐火结构多为承重结构，重量普遍较大；能实现轻质的结构多为装饰性结构，防火性能并不是太好。因此，为适应特殊需求，设计出在满足承载力的条件下实现低重量和较强防火性能的结构是一个重大急需的问题。

就结构母材而言，复合材料要比传统钢筋混凝土结构、合金结构有着更高的比刚度、比强度；此外，复合材料由于力学的各向异性性能，使其有着很强的可设计性，能大大提高材料的利用率；而且相比与金属材料，复合材料有着更好的耐腐蚀性以及抗疲劳特性。复合材料现已被广泛的用于生产、生活的方方面面，是作为母体结构耐火材料有前景的材料用品。但是由于树脂基复合材料的耐高温性普遍不超过250℃，耐火性能差，而在发生火情时，材料的外延温度达到了1000℃左右。因此，现有的建筑、列车、舰船等耐火设施多以钢筋混凝土结构或钢结构为主，钢筋混凝土结构和钢结构普遍存在耐火间隔较大，质量较重的缺陷；这种传统耐火结构设计给列车、舰船以及建筑结构带来了较大的能耗负担，该结构已经不再满足高效、低能耗的设计需求。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种轻质的具有较高承载能力且兼具耐火特性的点阵结构，以满足建筑、列车以及舰船等领域的需求。

本发明的一个目的在于提供一种复合材料耐火承载一体化点阵结构。

本发明的复合材料耐火承载一体化点阵结构包括：点阵芯子、上面板、下面板、隔热填充层以及防火涂层；其中，点阵芯子包括杆件和加强点，杆件通过加强点分别固定在上面板和下面板上，构成点阵平板；在上面板和下面板之间的点阵芯子的空隙中通过填充隔热材料形成隔热填充层；上面板和下面板均采用复合材料，并在点阵平板的向火面涂覆防火涂层；防火涂层包括内层的粘接层和外层的耐火层，粘接层为具有增强纤维的涂层，将耐火层与点阵平板的向火面紧密粘接。

上面板和下面板采用纤维增强树脂基复合材料，从根本上减轻了耐火承载一体化点阵结构的重量。

点阵芯子包括杆件和加强点，采用四棱锥形的结构，每一个加强点连接四个杆件。通过加强点将杆件与面板连接，增大了结合面积，增强了抗面内剪切力。采用点阵芯子，在进一步减小重量的同时提供较大的承载能力，并且相对于钢筋混凝土结构，厚度较小，节省大量空间。

隔热填充层采用在上面板和下面板之间填充隔热材料，如多晶莫来石纤维或者发泡聚氨酯等，进一步阻止热量从点阵结构的向火面向背火面传导。上面板和下面板粘接点阵芯子的点阵夹心结构特有的开放式的内部空间可以用来填充隔热材料、吸能材料、吸波材料，从而满足多功能耐火/承载一体化的需求。

耐火材料分为膨胀型耐火材料和非膨胀型耐火材料，非膨胀型耐火材料耐火极限长，但是自重较大；膨胀型耐火材料，涂层薄，重量轻，对于有重量严格限制的防火情况，本发明选用膨胀型耐火材料。膨胀型耐火材料的耐火隔热性与材料的膨胀性能有关。膨胀性能好的材料，防火隔热性能也较强。材料的膨胀性能好坏，和其含有的纤维的多少有关，纤维含量高的材料，膨胀性能较弱；但是纤维含量高，能够提高材料的力学性能，若是纤维含量太低，则材料在遇火膨胀后，凝结力差可能发生材料脱落的情况。

本发明在上面板或下面板的向火面涂覆防火涂层，防火涂层包括两层：内层的粘接层和外层的耐火层。上面板和下面板均采用复合材料，由于复合材料具有极性；同时，耐火层的材料在高温时会发生膨胀，若耐火层直接与面板接触，二者的贴合性弱，在高温时容易分开。因此，本发明采用两层的防火涂层，内层的粘接层为具有增强纤维的涂层，与复合材料贴合性强，同时与外层的耐火层也贴合紧密，耐火层通过粘接层能够牢固紧密地粘接在面板上，提高了贴合强度。并且，单层的防火涂层采用的耐火材料的厚度很厚，达到了7～8mm，本发明的双层的防火涂层，外层的耐火层为2～5mm，内层的粘接层可以在1mm以下，大大地减小了结构的厚度。

耐火层采用膨胀型耐火材料，膨胀比为30倍以上，即在温度达到400℃以上(构成火灾的温度)，膨胀后的厚度比膨胀前提高30倍以上。粘接层采用具有增强纤维的膨胀型耐火材料，以增加耐火材料的粘性并降低膨胀性能，在膨胀型耐火材料中加入增强纤维，使膨胀比小于10倍，即材料在温度达到400℃以上，膨胀后的厚度比膨胀前小于10倍。膨胀比是指材料在高温受热后膨胀，膨胀后的厚度与膨胀前的厚度的比值。

本发明采用在复合材料的向火面涂覆两层的防火涂层，并在上面板和下面板中的点阵芯子中填充隔热材料，在向火面温度达到960℃持续一小时以上，点阵结构在保证完整性不变的情况下，背火面温度只有150℃，比涂有同等厚度的钢结构背火面的温度低约100℃，保护了器件和人员的安全。

本发明的另一个目的在于提供一种复合材料耐火承载一体化点阵结构的制备方法。

本发明的复合材料耐火承载一体化点阵结构的制备方法，包括以下步骤：

1)按照消失模法制备点阵芯子；

2)向点阵芯子的空隙中填充隔热材料，形成隔热填充层；

3)采用复合材料面板制作方法制备上面板和下面板；

4)将填充有隔热材料的点阵芯子分别与上面板和下面板粘接；

5)在上面板或下面板的向火面涂覆粘接层，然后在粘接层上涂覆耐火层。

其中，在步骤2)中，向点阵芯子的空隙中填充隔热材料包括干法填充和湿法填充。

在步骤3)中，复合材料面板制作方法包括手糊法、喷射法、压制法、树脂传递模压法、缠绕成型法、离心成型法、袋压法和连续成型法等。

在步骤5)中，粘接层的涂覆方法一般可采取刷涂、滚涂或无气喷涂的方式。

本发明的优点：

本发明采用在复合材料的向火面涂覆两层的防火涂层，并在两层面板中的点阵芯子中填充隔热材料，在向火面温度为960℃持续一小时以上，点阵结构在保证完整性不变的情况下，背火面的温度只有150℃，保护了器件和人员的安全；本发明能够满足较高的耐火等级，且其制备工艺较为简单，可实现自动化生产，并且成本较低。

附图说明

图1为本发明的复合材料耐火承载一体化点阵结构的一个实施例的剖面图；

图2为本发明的复合材料耐火承载一体化点阵结构的一个实施例的点阵芯子的示意图；

图3为本发明的复合材料耐火承载一体化点阵结构的一个实施例的温度载荷曲线图；

图4为本发明的复合材料耐火承载一体化点阵结构的一个实施例的温度响应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例的复合材料耐火承载一体化点阵结构包括：点阵芯子1、上面板2、下面板3、隔热填充层4以及防火涂层5；其中，点阵芯子1包括杆件11和加强点12，杆件11通过加强点12分别固定在上面板2和下面板3上，构成点阵平板；在上面板2和下面板3之间的点阵芯子1的空隙中通过填充隔热材料形成隔热填充层4；上面板2和下面板3均采用复合材料，在上面板的向火面涂覆防火涂层5；防火涂层5包括内层的粘接层51和外层的耐火层52，粘接层51为具有增强纤维的涂层，将耐火层52与上面板2紧密粘接。

如图2所示，在本实施例中，点阵芯子1采用四棱锥形的结构，每一个加强点12连接四个杆件11，形成金字塔形的点阵结构；杆件直径2mm，长25mm，与面板夹角为45℃。上面板2和下面板3均采用纤维增强树脂基复合材料；厚度为3mm。隔热填充层4采用多晶莫来石纤维。粘接层51采用与树脂贴合能力强的、膨胀后力学性能好的材料，在膨胀型耐火材料中加入增强纤维，膨胀比为10，厚度约为1mm；耐火层52采用膨胀性好、有较强隔热性和耐火完整性的材料，膨胀比为30，厚度为3～4mm。

本实施例的复合材料耐火承载一体化点阵结构的制备方法，包括以下步骤：

1)按照消失模法制备点阵芯子，效果如图2所示；

2)向点阵芯子的空隙中填充隔热材料，形成隔热填充层，分为两种方法：

(a)干法填充：把成干燥状态的多晶莫来石纤维直接填充在点阵芯子的空隙中，这种方法效率高，填充完毕后可直接进行下一步粘接面板的工作，缺点是多晶莫来石纤维的碎棉有些会飘散在空气中，落在工人师傅的衣服或皮肤上造成人体不适，因此采用干法填充时需要做好保护措施；

(b)湿法填充：首先把多晶莫来石纤维用水浸湿，然后把浸水的多晶莫来石纤维填充在点阵芯子的空隙中，填充完毕后，等填充在点阵芯子中的多晶莫来石纤维自然干燥或者把填充好的结构放到烘干装置中干燥，干燥完毕即可进行下一步粘接面板的操作，湿法填充避免了大量的碎棉飘散在空气里对人体造成的伤害，但是需要干燥，用时较长；

3)采用复合材料面板制作方法制备上面板和下面板，复合材料面板制作方法包括手糊法、喷射法、压制法、树脂传递模压法、缠绕成型法、离心成型法、袋压法和连续成型法等；

4)将填充有隔热材料的点阵芯子分别与上面板和下面板粘接；

5)在上面板的向火面先涂覆厚度为1mm的粘接层，然后在粘接层上涂覆3mm的耐火层。

粘接层的涂覆方法一般可采取刷涂、滚涂或无气喷涂的方式。刷涂操作简单、灵活，但是工作效率低，适用于小面积涂覆。无气喷涂效率高、工艺性好，适用于大面积涂覆。滚涂介于二者之间，但是只适用于平板的涂覆。涂覆前首先用砂纸打磨面板的表面，除去表面油污层，并用丙酮擦拭干净，然后开始涂覆，在面板表面涂覆一遍之后等至表干再涂覆下一层。等到最后一层粘接层表干后直接涂覆耐火层即可。涂覆完毕即可在通风良好的环境风干，也可以在烘箱内烘干。

采用上述方法制备的复合材料耐火承载一体化点阵结构，进行耐火试验。温度加载曲线如图3所示，实际发生火情时的温度满足实线所示的标准升温曲线，在耐火试验中对点阵结构采用更为苛刻的升温方式，如图中的虚线所示的实验升温曲线，直接达到960℃并持续一个小时。试验一小时后，点阵结构完好，背火面没有孔洞出现。温度响应曲线如图4所示，背火面的温度随着试验时间增加而增加，但是温度升高低于130℃，一小时后背火面温度低于150℃，体现了较强的耐火隔热性能。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种复合材料耐火承载一体化点阵结构，其特征在于，所述点阵结构包括：点阵芯子(1)、上面板(2)、下面板(3)、隔热填充层(4)以及防火涂层(5)；其中，点阵芯子(1)包括杆件和加强点，杆件通过加强点分别固定在上面板(2)和下面板(3)上，构成点阵平板；在上面板(2)和下面板(3)之间的点阵芯子(1)的空隙中通过填充隔热材料形成隔热填充层(4)；所述上面板(2)和下面板(3)均采用复合材料，并在点阵平板的向火面涂覆防火涂层(5)；所述防火涂层(5)包括内层的粘接层(51)和外层的耐火层(52)，粘接层(51)为具有增强纤维的涂层，将耐火层(52)与点阵平板的向火面紧密粘接。

2.如权利要求1所述的点阵结构，其特征在于，所述耐火层(52)采用膨胀型耐火材料，膨胀比为30倍以上。

3.如权利要求1所述的点阵结构，其特征在于，所述粘接层(51)采用在膨胀型耐火材料中加入增强纤维，使膨胀比小于10倍。

4.如权利要求1所述的点阵结构，其特征在于，所述点阵芯子(1)采用四棱锥形的结构，每一个加强点连接四个杆件。

5.如权利要求1所述的点阵结构，其特征在于，所述隔热填充层(4)采用的隔热材料，为多晶莫来石纤维或者发泡聚氨酯。

6.如权利要求1所述的点阵结构，其特征在于，所述耐火层(52)的厚度为2～5mm。

7.一种复合材料耐火承载一体化点阵结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法，包括以下步骤：

1)按照消失模法制备点阵芯子，所述点阵芯子包括杆件和加强点；

2)向点阵芯子的空隙中填充隔热材料，形成隔热填充层；

3)采用复合材料面板制作方法制备上面板和下面板；

4)将填充有隔热材料的点阵芯子分别与上面板和下面板粘接；

5)在上面板或下面板的向火面涂覆粘接层，然后在粘接层上涂覆耐火层。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，向点阵芯子的空隙中填充隔热材料采用干法填充或湿法填充。

9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，复合材料面板制作方法包括手糊法、喷射法、压制法、树脂传递模压法、缠绕成型法、离心成型法、袋压法和连续成型法。

10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，粘接层的涂覆方法采取刷涂、滚涂或无气喷涂的方式。