CN105693153A - 一种氧化石墨烯改性的非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氧化石墨烯改性的非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料及方法，成分包括：氧化石墨烯、常用非膨胀型防火涂料。其特征是：利用氧化石墨烯具有的优异力学性能，较好的热稳定性、化学稳定性以及耐腐蚀性等特点，将其以一定的质量百分比加入常用非膨胀型防火涂料中制得。在经济实用的基础上，一定量氧化石墨烯的加入可以明显改善涂料与基材的粘结性能，具有良好的防火、防腐双功能效果，尤其能显著改善现有非膨胀型钢结构防火涂层力学性能差的特点，可有效预防涂层在施工和使用过程中各种荷载作用下的空鼓、剥落、开裂等现象，保证防火防腐涂层的可靠性和安全性，可广泛用于各类钢结构构件的防火、防腐防护。

Description

一种氧化石墨烯改性的非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料及方法

技术领域

本发明属于涂料技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯改性的非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料。

背景技术

钢材因其自身强度高、重量轻、抗震性能佳和可靠性高等众多优点被工程师们所青睐，越来越多的以钢结构或钢混结构为主的大跨度，大悬挑，超高层等超高超限结构不断诞生。与此同时，由火灾和腐蚀所带来的问题就亟待解决。钢材本身的耐火性能较差，当温度为500℃时，钢材的屈服强度将降至常温下强度的一半，温度达到600℃时，钢材将基本丧失全部强度和刚度。

火灾会给人类社会造成巨大的生命财产损失，尤其是在经济发达地区，人口越稠密，物资越集中，火灾越容易发生、扩展和蔓延，火灾造成的损失更惨重。根据我国公安部消防局统计公布的数据显示：2011年，全国共接报火灾12.5万起，死亡1108人，受伤571人，直接财产损失20.6亿元；2012年，全国共接报火灾15.2万起，死亡1028人，受伤575人，直接财产损失21.8亿元。

腐蚀给人类带来的损失也是很大的。据有关资料统计，世界上每年因腐蚀而报废的金属材料和设备相当于生产量的20％以上，其中钢铁的腐蚀是最主要的。

石墨烯是最近几年发展起来的一种新型无机纳米材料。单层石墨烯仅有一个碳原子的厚度，它是由碳原子以SP²杂化轨道连接形成并可无限扩展的二维晶体，碳原子规整的排列于平面六边形蜂窝状点阵结构单元之中，可以看成是剥离的单层石墨分子。石墨烯独特的二维结构使得它具有出众的力学、电学、光学等性能，被认为是当今世界上发现的最优质的材料。

石墨烯具有热稳定性、化学稳定性以及耐腐蚀性等特点，将其作为填料加入聚合物纳米复合材料中，不仅能发挥其自身的纳米尺寸效应，也可以将其所具备的优异性能赋予聚合物基体，使复合材料的相关性质有所提高，甚至出现质的飞跃。

多种钢结构防火保护材料和方法相继被各国开发和采用，如粘贴无机防火板、柔性卷材、纤维板，钢结构防火涂料和结构内部通水等，其中防火涂料因其重量轻，耐火时间长，耐久性好，施工方便等诸多优点而被广泛采用。

钢结构防火涂料根据防火机理分为膨胀型和非膨胀型二大类，膨胀型防火涂料厚度较薄，遇火后自身发泡膨胀，形成比原始厚度大数十倍的碳质层而起到防火阻燃效果；非膨胀型防火涂料主要成分为无机绝热材料。现有防火、防腐涂料大都比较单一，防火涂料的防腐性能较差，而防腐涂料的防火性能又不好。很多时候基材进行防火的同时需要先进行防腐处理，目前普遍采用的是将两种涂料混合使用，这会导致施工周期增长，成本增加；有时两种涂料的结合不理想，容易出现剥离脱落等现象。目前现有技术制备防火防腐双功能涂料的方法主要集中在膨胀型，对于非膨胀型防火防腐双功能涂料主要有以下几种方法：

1，中国专利申请日为2006年11月15日，申请号为200610022262.3，公布号为CN1948404A，公布日为2007年4月18日，专利名称为“非膨胀型钢结构防火防腐涂料”所述的涂料是由如下重量份的组分组成：基料50～60，膨胀蛭石4～8，云母粉8～12，空心漂珠6～10，膨胀珍珠岩10～15，三聚磷酸二氢铝8～14，SiO₂改性偏硼酸钡6～9，水105～115。该涂料是一种用于钢结构防火防腐保护的非膨胀型双功能涂料。

2，中国专利申请日为2011年5月16日，申请号为201110125726.4，公布号为CN102249708A，公布日为2011年11月23日，专利名称为“一种厚型钢结构防腐、防火一体化涂层的制备方法”所述的涂料是一种先分别制备耐火型钢结构防腐底漆和厚型钢结构防火涂料，再经过钢结构表面清洁处理、涂敷防腐底漆、打磨、涂覆防火涂料等步骤而获得的乳液——水泥——硅酸铝纤维体系厚型钢结构防腐、防火涂层。该发明综合成本低，具有集防腐、防火于一体，适用于航天、石油、化工、电力、冶金、国防、轻纺工业等各类建筑物承重钢结构构件的防腐、防火防护。

虽然已经有一些制备非膨胀型防火防腐双功能涂料的方法，但将石墨烯优异的特性应用到非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料的报道至今还没有；另外，现有技术制备的非膨胀型防火防腐双功能涂料虽然具有一定的防火防腐功能，但其粘结性能和力学性能很难同时得到很好地满足。

发明内容

本发明的目的在于为解决现有非膨胀型钢结构防火防腐涂料粘结性能和力学性能差、耐腐蚀性和耐火性能仍需提高的缺陷，现提供一种氧化石墨烯改性的非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料。它提高了涂层的粘结性能，具有良好的防火、防腐双功能效果，尤其能显著改善现有非膨胀型涂料力学性能差的特点。

为了达到上述目的，本发明的各个技术方案如下：

本发明第一个技术方案，按照质量百分比，面料组成成分及质量配比包括：

所述多孔型材料材料，按照质量百分比，其组成成分及质量配比又包括为：

本发明第二个技术方案，底层料组成成分及质量配比包括：

面料30～45％，直接采用技术方案一中的面料；

界面剂15～20％，为乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液，简称VAE乳液；

去离子水，为余量。

本发明第三个技术方案，一种氧化石墨烯改性的非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料，其特征在于，利用氧化石墨烯具有的优异力学性能，较好的热稳定性、化学稳定性以及耐腐蚀性等特点，分别将氧化石墨烯加入常用的非膨胀型钢结构防火涂料的面料和底层料中，制得石墨烯改性的防火涂料。所述非膨胀型钢结构防火涂料，选择能够和氧化石墨烯良好地混溶而不发生不良反应的防火涂料。

基于本发明第三个技术方案，需要保护的两个实施例技术方案：

一种氧化石墨烯改性的非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料使用方法，包括如下步骤：

第一步，打底层施工：

按照各个组分质量相对于总质量的百分比进行配比，用专用界面剂：YC-1：氧化石墨烯：水＝1：3：0.03：2.5，具体说，先将氧化石墨烯放入水中，采用搅拌机搅拌均匀，再将专用界面剂倒入搅拌均匀，最后将YC-1涂料倒入，搅拌均匀呈厚浆状；

然后刷涂在钢板件表面，厚度达到1～2mm；

等待打底层全部凝固硬化；

第二步，面料涂抹：

按照各个组分质量相对于总质量的百分比进行配比，设定YC-1:氧化石墨烯：水＝1：0.01：0.99，具体说，先将氧化石墨烯放入水中，采用搅拌机搅拌均匀，再将YC-1涂料倒入，用搅拌机搅拌5～10min成均匀厚浆状。

一种氧化石墨烯改性的非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料使用方法，包括如下步骤：

第一步，打底层施工：

按照各个组分质量相对于总质量的百分比进行配比，用专用界面剂：NH(LG)：氧化石墨烯：水＝1：3：0.06：2.5，具体说，先将氧化石墨烯放入水中，采用搅拌机搅拌均匀，再将专用界面剂倒入搅拌均匀，最后将NH(LG)涂料倒入，搅拌均匀呈厚浆状；

然后刷涂在钢板件表面，厚度达到1～2mm；

等待打底层全部凝固硬化；

第二步，面料涂抹：

按照各个组分质量相对于总质量的百分比进行配比，设定NH(LG):氧化石墨烯：水＝1：0.02：1.05，具体说，先将氧化石墨烯放入水中，采用搅拌机搅拌均匀，再将NH(LG)涂料倒入，用搅拌机搅拌5～10min成均匀厚浆状。

在实施方式中，其中所述的氧化石墨烯，可用石墨烯，或者用石墨烯和氧化石墨烯的混合物来代替。所述的石墨烯为片状结构，或为氧化石墨烯片状结构，均能够均匀分散于去离子水中。

在实施方式中，其中所述的常用防火涂料是指正常使用情况下能够和石墨烯或氧化石墨烯良好的混溶而不发生不良反应的防火涂料。

在实施方式中，其中所述的底层料是和该常用防火涂料搭配的打底层，并且该打底层在正常使用情况下能够和石墨烯或氧化石墨烯良好的混溶而不发生不良反应。

本发明中，利用石墨烯的小尺寸效应可以有效填充到涂层中的孔洞和缺陷中去，以及石墨烯具有的二维片层结构可以在涂料中层层叠加，从而形成致密的物理隔绝层，阻止小分子腐蚀介质的浸入，起到良好的防腐效果。

本发明中，利用石墨烯纳米材料的表面与界面效应，使得石墨烯纳米粒子很容易和涂料中大分子中的原子结合，增加涂层的致密性；另外其表面效应还会使石墨烯与水的接触角很大，对水的浸润性很差，从而表现出防水性，阻止水分子通过涂层进入到金属基体表面，进一步提高涂层的防腐性能。

本发明中，利用石墨烯具有快速导电的性能，即使由于缺陷使得部分腐蚀性介质进入涂料里面与基材发生电化学腐蚀，石墨烯能将负极反应产生的电子迅速传递到涂层表面，使正负极反应分开，并随着正负极反应产物的不断积累抑制了腐蚀的进行，从而对基材进行保护。

本发明中，利用石墨烯具有良好的导热性，可在构件的四周形成一张巨大的散热层，将热量迅速均匀的传送开来，防止因局部温度过高而使涂层和构件提前破坏。

本发明中，利用加入石墨烯改性后的防火涂料具有良好的防腐性能，防止在基材和防火涂料之间由于腐蚀产物的堆积造成的涂层粘结力下降；另外底层料中加入石墨烯增强了分子间交联的程度，使涂层和基材接触更加紧密，更好的形成一个整体，具有良好的防剥落性能。

本发明中，利用石墨烯作为填料加入到涂料中，可以将其优异的性能赋给涂层。石墨烯具有优异的力学性能和片层结构，可以在防火涂料中均匀的分散成致密网状结构，具有较高的韧性，提高了防火涂料的抗拉、抗压、抗冲击性能等，有效预防了防火涂层在施工和使用过程中各种荷载作用下的剥落、开裂等现象。

本发明中，利用石墨烯的热稳定性和化学稳定性，凭借受热时形成的致密保护炭层，可以隔绝热量、气体的流通，使热分解产生的可燃气体不再参与燃烧，提高了防火涂料的热稳定性和阻燃性能。

本发明中，利用石墨烯具有原料易得、价格低廉、无卤、无毒，符合环境友好型特征；制备简单，适合工业化生产。

本发明的有益效果是：本发明氧化石墨烯改性的非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料的粘结性能、防腐防火性能较传统的非膨胀型钢结构防火防腐涂料有了较大的提高，尤其是改善了其力学性能差的缺点。

氧化石墨烯改性的非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料不仅保留了传统非膨胀型防火涂料原材料来源广、价格低，遇火时不会放出有毒有害气体，袋装、运输施工方便、不受钢构件的几何形状限制等优点；而且还具有粘结强度高、不易剥落，力学性能好，不易开裂，耐火时间长，耐久性好等优点，具有良好的经济性和实用性，在涂料工程领域具有广阔的应用前景。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明不局限于此。

下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

本发明所述的氧化石墨烯，是由化学掺杂或者化学改性而获得的功能化石墨烯，为本领域公知内容。

以下实施例1、实施例2提供了氧化石墨烯改性的非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料和实施方法，是以上海宜川防火涂料有限公司提供的YC-1型室内厚型隔热防火涂料和江苏兰陵高分子材料有限公司生产的NH(LG)室内厚型钢结构防火涂料为例。这些材料无毒不燃，不含有石棉成分，具有重量轻、干燥快、耐潮湿、耐冻融、耐腐蚀性、耐酸性、隔热性和抗老化等优良的理化性质。

实施例1

第一步，打底层施工：

用专用界面剂(乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液)：YC-1：氧化石墨烯：水＝1：3：0.03：2.5(按照各个组分质量相对于总质量的百分比)进行配比。具体说，先将氧化石墨烯放入水中，采用搅拌机搅拌均匀，再将专用界面剂倒入搅拌均匀，最后将YC-1涂料倒入，搅拌均匀呈厚浆状。

然后刷涂在钢板件表面，厚度达到1～2mm。

等待打底层全部凝固硬化(根据周围环境约12～24小时)。

第二步，面料涂抹：

YC-1:氧化石墨烯：水＝1：0.01：0.99(按照各个组分质量相对于总质量的百分比)进行配比。具体说，先将氧化石墨烯放入水中，采用搅拌机搅拌均匀，再将YC-1涂料倒入，用搅拌机搅拌5～10min成均匀厚浆状(稠度在8～10cm内)。

采用手工涂抹方法，每次涂抹厚度控制在2cm以内，二次涂抹时间间隔在12～24小时(气温20℃)。

实施例2

第一步，打底层施工：

用专用界面剂(乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液)：NH(LG)：氧化石墨烯：水＝1：3：0.06：2.5(按照各个组分质量相对于总质量的百分比)进行配比。具体说，先将氧化石墨烯放入水中，采用搅拌机搅拌均匀，再将专用界面剂倒入搅拌均匀，最后将NH(LG)涂料倒入，搅拌均匀呈厚浆状。

然后刷涂在钢板件表面，厚度达到1～2mm。

等待打底层全部凝固硬化(根据周围环境约12～24小时)。

第二步，面料涂抹：

NH(LG):氧化石墨烯：水＝1：0.02：1.05(按照各个组分质量相对于总质量的百分比)进行配比。具体说，先将氧化石墨烯放入水中，采用搅拌机搅拌均匀，再将NH(LG)涂料倒入，用搅拌机搅拌5～10min成均匀厚浆状(稠度在8～10cm内)。

采用手工涂抹方法，每次涂抹厚度控制在2cm以内，二次涂抹时间间隔在12～24小时(气温20℃)。

实施例3

面料

按照质量百分比，面料组成成分及质量配比包括：

所述多孔型材料材料，按照质量百分比，其组成成分及质量配比又包括为：

本实施例使用方法，面料涂抹：先将氧化石墨烯放入水中，采用搅拌机搅拌均匀；再将剩余所有组分倒入，用搅拌机继续搅拌，至均匀厚浆状(稠度在8～10cm内)；采用手工涂抹，每次涂抹厚度控制在2cm以内。

实施例4

底层料

组成成分及质量百分配比包括：

面料30％，直接采用实施例3中的面料；

界面剂20％，为乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液；

去离子水，为余量。

本实施例使用方法，打底层施工。具体说，先取实施例3中的面料、水，采用搅拌机搅拌均匀，再将界面剂倒入搅拌均匀，搅拌均匀呈厚浆状；然后刷涂在钢板件表面，厚度达到1～2mm。

实施例5

面料

按照质量百分比，面料组成成分及质量配比包括：

所述多孔型材料材料，按照质量百分比，其组成成分及质量配比又包括为：

本实施例使用方法参照实施例3

实施例6

底层料

组成成分及质量百分配比包括：

面料45％，直接采用实施例5中的面料；

界面剂17％，为乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液；

去离子水，为余量。

本实施例使用方法参照实施例4.

实施例7

面料

按照质量百分比，面料组成成分及质量配比包括：

所述多孔型材料材料，按照质量百分比，其组成成分及质量配比又包括为：

本实施例使用方法参照实施例3.

实施例8

底层料

组成成分及质量百分配比包括：

面料35％，直接采用实施例7中的面料；

界面剂15％，为乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液；

去离子水，为余量。

本实施例使用方法参照实施例4.

该氧化石墨烯改性的防火防腐双功能涂料涂装在基材表面后，具有比常规防火防腐涂料更好的防火防腐性能，尤其在力学性能方面有很大的改善。应当指出的是，熟悉本领域技术人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种氧化石墨烯改性的非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料面料，其特征在于，按照质量百分比，面料组成成分及质量配比包括：

所述多孔型材料材料，按照质量百分比，其组成成分及质量百分配比又包括为：

2.一种氧化石墨烯改性的非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料底层料，其特征在于，按照质量百分比，

底层料组成成分及质量配比包括：

权利要求1中的面料30～45％

界面剂15～20％

去离子水，为余量。

3.一种氧化石墨烯改性的非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料，其特征在于，将氧化石墨烯分别加入常用的非膨胀型钢结构防火涂料的面料和底层料中，制得石墨烯改性的防火涂料。

4.一种氧化石墨烯改性的非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料使用方法，包括如下步骤：

第一步，打底层施工：

按照各个组分质量相对于总质量的百分比进行配比，用专用界面剂：YC-1：氧化石墨烯：水＝1：3：0.03：2.5，具体说，先将氧化石墨烯放入水中，采用搅拌机搅拌均匀，再将专用界面剂倒入搅拌均匀，最后将YC-1涂料倒入，搅拌均匀呈厚浆状；

然后刷涂在钢板件表面，厚度达到1～2mm；

等待打底层全部凝固硬化；

第二步，面料涂抹：

按照各个组分质量相对于总质量的百分比进行配比，设定YC-1:氧化石墨烯：水＝1：0.01：0.99，具体说，先将氧化石墨烯放入水中，采用搅拌机搅拌均匀，再将YC-1涂料倒入，用搅拌机搅拌5～10min成均匀厚浆状。

5.一种氧化石墨烯改性的非膨胀型钢结构防火防腐双功能涂料使用方法，包括如下步骤：

第一步，打底层施工：

按照各个组分质量相对于总质量的百分比进行配比，用专用界面剂：NH(LG)：氧化石墨烯：水＝1：3：0.06：2.5，具体说，先将氧化石墨烯放入水中，采用搅拌机搅拌均匀，再将专用界面剂倒入搅拌均匀，最后将NH(LG)涂料倒入，搅拌均匀呈厚浆状；

然后刷涂在钢板件表面，厚度达到1～2mm；

等待打底层全部凝固硬化；

第二步，面料涂抹：

按照各个组分质量相对于总质量的百分比进行配比，设定NH(LG):氧化石墨烯：水＝1：0.02：1.05，具体说，先将氧化石墨烯放入水中，采用搅拌机搅拌均匀，再将NH(LG)涂料倒入，用搅拌机搅拌5～10min成均匀厚浆状。