CN112266648A

CN112266648A - 一种具有防火涂料层的钢结构及其制备方法

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Publication number: CN112266648A
Application number: CN202011182253.7A
Authority: CN
Inventors: 王峰; 汪俊; 利建雨; 李振军; 冯晶
Original assignee: Shaanxi Tianxuan Coating Technology Co ltd
Current assignee: Shaanxi Tianxuan Coating Technology Co ltd
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2040-10-29
Also published as: CN112266648B

Abstract

本发明涉及防火材料技术领域，具体公开了一种具有防火涂料层的钢结构及其制备方法，包括钢基体，所述钢基体表面涂覆有防火涂料层，防火涂料层包括氢氧化铝、磷酸二氢铝、碳酸钠、二氧化硅气凝胶、二硼化钛、氧化钛、云母粉、氧化钙、氧化镁、双稀土钽酸盐、高铝硅酸盐水泥、膨胀珍珠岩微粉粉末、氧化铝纤维和消泡剂；上述原料的质量份数分别为10～12、10～12、5～6、5～7、3～4、3～4、2～3、1～2、2～3、5～6、5～6、3～4。这样制备的钢结构，由于防火涂料层的存在，使其在高温下钢基体能够保持较低的温度，提高钢结构的耐火性能及耐火温度。

Description

一种具有防火涂料层的钢结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及防火材料技术领域，特别涉及一种具有防火涂料层的钢结构及其制备方法。

背景技术

由于磷酸盐涂料固化后所形成的涂层具有机械强度高、防护性能好以及与基体附着力高等优点，已广泛应用于航天、航海以及汽车等工业领域。相比于金属涂层和有机涂层，磷酸盐涂料因其独特的优势而日益受到越来越多的关注。

冯莉等以铝粉为骨料添加至磷酸镁铝粘结剂中，可制备耐热温度达600℃的水性磷酸盐涂料，WAN F等将碳黑和氧化铝加入至磷酸二氢铝粘结剂中充分混合后涂抹于碳化硅纤维布上，不仅能够增强其耐高温性能，而且具有较高的抗弯强度。莫羡忠等以磷酸二氮铵、焦磷酸钠、三聚氰胺及盐酸为原料。制备了三聚氛胺正磷酸盐和三聚氛胺焦磷酸盐，三聚氰胺磷酸盐具有较高的热稳定性，在700℃时残余物量较高，热稳定性高于聚磷酸铵，在膨胀型防火涂料中，三聚氰胺焦磷酸盐和三聚氰胺正磷故盐能明显改善防火涂层的隔热性能。但是上述防火涂料的防火温度较低，对于高温领域的防火涂料还比较缺乏，本发明制备的防火涂料层不仅与钢结构有很好的结合强度，可耐2200℃以上的温度2-3h，且热导率低，可有效保护钢结构材料及提高隔热效果和防火性能。

发明内容

本发明提供了一种具有防火涂料层的钢结构及其制备方法，以解决现有技术中的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种具有防火涂料层的钢结构，包括钢基体，所述钢基体表面涂覆有防火涂料层，所述防火涂料层的原料包括氢氧化铝、磷酸二氢铝、碳酸钠、二氧化硅气凝胶、二硼化钛、氧化钛、云母粉、氧化钙、氧化镁、双稀土钽酸盐、高铝硅酸盐水泥、膨胀珍珠岩微粉粉末、氧化铝纤维和消泡剂。

本技术方案的技术原理和效果在于：

1、本方案制备的带有防火涂料涂料层的钢结构，其热导率低，能够起到良好的隔热作用，通过实验证明在2200℃高温下进行热考核5min时，钢基体仅升温100～200℃，温度梯度高，表明该防火涂料层对钢基体材料起到很好的防火隔热效果。

2、本方案中二硼化钛、氧化钛和双稀土钽酸盐用作防火涂料中的耐高温填料，使涂料具有高熔点、高硬度、高耐磨性和良好的化学稳定性等优点；磷酸二氢铝作为粘结性材料，同时和弱碱性氢氧化铝生成高熔点防火涂料磷酸铝；而二氧化硅和碳酸钠生成耐火硅酸钠，反应生成的二氧化碳可以带走热量，降低达到基体表面的温度；氢氧化铝、磷酸二氢铝、二氧化硅、氧化钙、云母粉反应生成磷酸铝，铝酸盐，硅酸盐，铝硅酸盐等耐火涂料，在不同的温度反应产物有所不同；二氧化硅气凝胶、高铝硅酸盐水泥、膨胀珍珠岩微粉粉末热导率较低，分别为0.018～0.021W/(m.K)，0.03～0.056W/(m.K)，0.047～0.070W(m.K)，可从整体上降低涂层材料的热导率和密度，提高钢结构的防火效果。氧化镁作为固化剂吸收化学反应过程中吸收的水，避免反应生成的水从涂层中溢出破坏涂层。

本发明还公开了一种具有防火涂料层的钢结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：称取原料氢氧化铝、磷酸二氢铝、碳酸钠、二氧化硅气凝胶、二硼化钛、氧化钛、云母粉、氧化钙、氧化镁、双稀土钽酸盐、高铝硅酸盐水泥、膨胀珍珠岩微粉粉末，以无水乙醇为介质，将称量好的原料置于行星式球磨机中球磨，将混合后的粉末进行干燥、过筛处理；

步骤2：将步骤1中过筛的粉末装入有去离子水的烧杯中，并置于水浴锅中，加入氧化铝纤维进行搅拌，后加入消泡剂，待溶液呈凝胶状后，得到防火涂料；

步骤3：将步骤2得到的防火涂料涂覆在钢基体表面上，形成防火涂料层。

有益效果：本方案工艺简单，通过球磨、干燥和过筛处理后的原料能够使得涂料中，各原料之间的反应更加充分，同时使得到的原料中成分更加均匀。

进一步，所述步骤1中氢氧化铝、磷酸二氢铝、碳酸钠、二氧化硅气凝胶、二硼化钛、氧化钛、云母粉、氧化钙、氧化镁、双稀土钽酸盐、高铝硅酸盐水泥、膨胀珍珠岩微粉粉末的质量份数分别为10～12、10～12、5～6、5～7、3～4、3～4、2～3、1～2、2～3、5～6、5～6、3～4。

有益效果：原料在该配比下的能够使得涂料对钢基体起到最佳隔热的效果。

进一步，所述步骤1中球磨机的转速为300～500r/min，球磨时间为600～1200min，干燥过程的温度为60～80℃，干燥时间为10～24h，过筛过程中粉末先过300目筛，再过500目筛。

有益效果：该参数范围下能够完成对原料粉的充分球磨混合，同时让球磨介质充分挥发，并通过逐级过筛，使得原料粉的粒径分布更加均匀，对原料之间的反应起到促进作用。

进一步，所述步骤2中氧化铝纤维的质量占比为1～1.5％。

有益效果：加入该质量占比的氧化铝纤维，能够使其在涂料中形成均匀的纤维层，而纤维层对涂层中的空气产生了极大的阻力并与热量传递方向垂直排列，从而能够有效阻止热量传递，减少热量损失。

进一步，所述步骤2中水浴锅的温度为83～95℃，搅拌速度为500～700r/min。

有益效果：该温度下能够保证原料之间的反应能够充分的进行，同时又不会沸腾使得反应难以控制。

进一步，所述步骤2中消泡剂的质量占比为1～1.5‰。

有益效果：适量的消泡剂能够减少原料在反应过程中产生的泡沫。

进一步，所述步骤3中防火涂料层的厚度为5-12mm

有益效果：该涂层厚度下既保证对钢基体起到良好的隔热效果，又防止涂层过后产生脱落。

进一步，所述步骤3中防火涂料层在35～45℃下进行烘干处理。

有益效果：这样处理使得防火涂料层快速凝固形成涂层。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的防火涂料的热导率随温度的变化曲线图；

图2为本发明实施例1制备的防火涂料其热考核过程中温度随时间变化的曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例1：

一种具有防火涂料层的钢结构，该钢结构具体的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：氢氧化铝210g、磷酸二氢铝205g、碳酸钠30g、二氧化硅气凝胶110g、二硼化钛70g、氧化钛70g、云母粉50g、氧化钙30g、氧化镁50g、双稀土钽酸盐110g、高铝硅酸盐水泥110g、膨胀珍珠岩微粉粉末70g，以无水乙醇为介质，将称量好的原料置于行星式球磨机中球磨，其中球磨的转速为300r/min，球磨时间为1200min，使其能够混合均匀，将混合后的粉末在60℃下干燥24小时，再过300目筛，后过500目筛。

步骤2：利用溶胶凝胶法，把装有去离子水的烧杯置于水浴锅中，加入氧化铝纤维12g，待水浴锅的温度升至83℃，搅拌速度为500r/min，将步骤1中过筛后的粉末加入烧杯中，搅拌30min后，加入20ml消泡剂，待溶液呈凝胶状后，获得防火涂料。

步骤3：将步骤2得到的防火涂料涂覆在45钢上，置于烘箱中在35℃下进行烘干处理。

步骤2中主要的反应方程式为：

2Al(OH)₃+Al(H₂PO₄)₃→6H₂O+3AlPO₄

Na₂CO₃+SiO₂→Na₂SiO₃+CO₂↑

MgO+H₂O→Mg(OH)₂

其中二硼化钛、氧化钛和双稀土钽酸盐用作防火涂料中的耐高温填料，使涂料具有高熔点、高硬度、高耐磨性和良好的化学稳定性等优点；磷酸二氢铝作为粘结性材料，同时和弱碱性氢氧化铝生成高熔点防火涂料磷酸铝；而二氧化硅和碳酸钠生成耐火硅酸钠，反应生成的二氧化碳可以带走热量，降低达到基体表面的温度；氢氧化铝、磷酸二氢铝、二氧化硅、氧化钙、云母粉反应生成磷酸铝，铝酸盐，硅酸盐，铝硅酸盐等耐火涂料，在不同的温度反应产物有所不同；二氧化硅气凝胶、高铝硅酸盐水泥、膨胀珍珠岩微粉粉末热导率较低，分别为0.018～0.021W/(m.K)，0.03～0.056W/(m.K)，0.047～0.070W(m.K)，可从整体上降低涂层材料的热导率和密度，提高钢结构的防火效果。氧化镁作为固化剂吸收化学反应过程中吸收的水，避免反应生成的水从涂层中溢出破坏涂层。

实施例2：

与实施例1的区别在于：

步骤1：氢氧化铝120g、磷酸二氢铝120g、碳酸钠20g、二氧化硅气凝胶70g、二硼化钛40g、氧化钛40g、云母粉30g、氧化钙20g、氧化镁30g、双稀土钽酸盐60g、高铝硅酸盐水泥60g、膨胀珍珠岩微粉粉末40g，以无水乙醇为介质，将称量好的原料置于行星式球磨机中球磨，其中转速为500r/min，球磨时间为800min，使其能够混合均匀，将混合后的粉末在80℃下干燥18小时，先过300目筛，再过500目筛。

步骤2：利用溶胶凝胶法，把装有去离子水的烧杯置于水浴锅中，加入氧化铝纤维8g，待水浴锅的温度升至90℃，搅拌转速为500r/min，将步骤1中过筛后的粉末加入烧杯中，搅拌60min后，加入9ml消泡剂，待溶液呈凝胶状，获得防火涂料。

步骤3：将步骤2中得到的防火涂料涂覆在45钢上，置于烘箱中在45℃下烘干处理。

对比例1：

与实施例1的区别在于，对比例1中未加入稀土钽酸盐。

对比例2：

与实施例1的区别在于，对比例2中未加入高铝硅酸盐水泥。

对比例3：

与实施例1的区别在于，对比例3中未加入膨胀珍珠岩微粉粉末。

实验检测：

准备实施例1、2和对比例1～3制备的样品，对样品涂覆有防火涂料一侧的热导率进行检测，在800℃时检测的热导率结果如下表1所示，采用实施例1制备的样品为例，其热导率随温度变化的曲线图如图1所示，可以观察到随着温度的升高，涂覆有实施例1制备的防火涂料的热导率，随温度的升高呈大幅度下降的趋势，到900℃时，热导率降至0.32W·m^-1·K^-1。

表1为实施例1～2和对比例1～3的热导率(900℃)

	实施例1	实施例2	对比例1	对比例2	对比例3
						热导率(W·m<sup>-1</sup>·K<sup>-1</sup>)	0.32	0.34	0.41	0.87	0.63

从上表1可知，本申请制备的防火涂料，热导率低，能够起到良好的隔热作用，结合图1所示，为实施例1制备的样品的热导率随温度的变化曲线，可见其随着温度的提高，热导率呈大幅度下降的趋势，因此该涂料对钢结构基体能够起到很好的保护作用。

将各样品在2200℃下进行热考核，考核时间为20分钟，以实施例1为例，其热考核过程中温度随时间的变化曲线如图2所示，可以观察到热考核过程中样品的背面温度在300～500℃，即温度梯度达到了上千度，说明本申请制备的防火涂料具备优良的隔热效果，对基体材料起到了很好的隔热作用。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体材料及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims

1.一种具有防火涂料层的钢结构，其特征在于：包括钢基体，所述钢基体表面涂覆有防火涂料层，所述防火涂料层的原料包括氢氧化铝、磷酸二氢铝、碳酸钠、二氧化硅气凝胶、二硼化钛、氧化钛、云母粉、氧化钙、氧化镁、双稀土钽酸盐、高铝硅酸盐水泥、膨胀珍珠岩微粉粉末、氧化铝纤维和消泡剂。

2.制备如权利要求1所述的一种具有防火涂料层的钢结构的方法，其特征在于：包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种具有防火涂料层的钢结构的制备方法，其特征在于：所述步骤1中原料氢氧化铝、磷酸二氢铝、碳酸钠、二氧化硅气凝胶、二硼化钛、氧化钛、云母粉、氧化钙、氧化镁、双稀土钽酸盐、高铝硅酸盐水泥、膨胀珍珠岩微粉粉末的质量份数分别为10～12、10～12、5～6、5～7、3～4、3～4、2～3、1～2、2～3、5～6、5～6、3～4。

4.根据权利要求2所述的一种具有防火涂料层的钢结构的制备方法，其特征在于：所述步骤1中球磨机的转速为300～500r/min，球磨时间为600～1200min，干燥过程的温度为60～80℃，干燥时间为10～24h，过筛过程中粉末先过300目筛，再过500目筛。

5.根据权利要求2所述的一种具有防火涂料层的钢结构的制备方法，其特征在于：所述步骤2中氧化铝纤维的质量占比为1～1.5％。

6.根据权利要求2所述的一种具有防火涂料层的钢结构的制备方法，其特征在于：所述步骤2中水浴锅的温度为83～95℃，搅拌速度为500～700r/min。

7.根据权利要求2所述的一种具有防火涂料层的钢结构的制备方法，其特征在于：所述步骤2中消泡剂的质量占比为1～1.5‰。

8.根据权利要求2所述的一种具有防火涂料层的钢结构的制备方法，其特征在于：所述步骤3中防火涂料层的厚度为5-12mm。

9.根据权利要求2所述的一种具有防火涂料层的钢结构的制备方法，其特征在于：所述步骤3中防火涂料层在35～45℃下进行烘干处理。