CN112441770A - 一种建筑用纳米防火材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种建筑用纳米防火材料及其制备方法，该建筑用纳米防火材料包括如下重量份的原料：纳米材料10‑15份；氧化石墨烯‑碳纳米管分散液10‑15份；粘土20‑25份；高钙粉煤灰22‑35份；硅藻土18‑26份；蛭石15‑25份；发泡剂3‑7份；聚乙烯醇4‑10份；羟基锡酸锌5‑12份；水35‑50份。本发明的建筑用纳米防火材料，通过氧化石墨烯与碳纳米管形成分散液与纳米材料形成三维框架结构，与组分中的其它材料配合作用时，能够提高各原料之间的相容性、分散性，有效降低团聚现象的发生，最终增加防火材料的韧性、强度和阻燃性能。

Description

一种建筑用纳米防火材料及其制备方法
技术领域
本发明属于防火材料技术领域，具体涉及一种建筑用纳米防火材料及其制备方法。
背景技术
现代生活中电子电器的大量使用，以及装修材料中过多易燃材料的使用，均容易触发火灾，给人们的生活带来安全隐患，甚至灾难。
现有防火板、防火门、防火玻璃，以及防火涂料，一般是通过在表面涂覆或添加具有难燃或阻燃特性的材料以达到减小火灾荷载和降低火灾蔓延速度的效果，但现在的防火材料存在耐火等级不高、材料厚重、遇火产生有害气体或耐老化性差等问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种建筑用纳米防火材料及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种建筑用纳米防火材料，包括如下重量份的原料：纳米材料10-15份；氧化石墨烯-碳纳米管分散液10-15份；粘土20-25份；高钙粉煤灰22-35份；硅藻土18-26份；蛭石15-25份；发泡剂3-7份；聚乙烯醇4-10份；羟基锡酸锌5-12份；水35-50份。
优选地，所述纳米材料包括如下重量份的原料：纳米纤维素20-35份；纳米碳化硅8-16份；纳米二氧化硅10-15份；纳米二氧化钛20-30份；纳米氧化镁5-10份。
优选地，所述纳米纤维素为纤维素纳米纤维、微晶纤维素和细菌纳米纤维素中的至少一种。
优选地，所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液的制备方法包括以下步骤：
1)将石墨烯采用Hummers方法制备氧化石墨烯；
2)将氧化石墨烯在水中超声分散30-40min，形成氧化石墨烯分散液；
3)在所述氧化石墨烯分散液中加入碳纳米管，继续超声震荡1-2h，得到所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液。
优选地，所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液中氧化石墨烯和碳纳米管的质量比为(1-2)：(2-3)。
优选地，所述的碳纳米管包括表面羧基修饰碳纳米管、表面氨基修饰碳纳米管或表面羟基修饰碳纳米管中的一种或多种。
优选地，所述发泡剂包括石油醚、三氯氟甲烷、二氯二氟甲烷和二氯四氟甲烷中的一种或多种。
一种上述的建筑用纳米防火材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将纳米材料、氧化石墨烯-碳纳米管分散液混合均匀，得到纳米混合物；
2)将粘土、高钙粉煤灰、硅藻土、蛭石和羟基锡酸锌采用球磨技术球磨成粉状，得到球磨粉；
3)在所述纳米混合物和所述球磨粉中加发泡剂、聚乙烯醇和水，搅拌均匀，即得所述纳米防火材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的建筑用纳米防火材料，氧化石墨烯与碳纳米管形成的分散液，氧化石墨烯不仅保留有石墨烯原有的π共轭结构，还具备大量的含氧官能团，使氧化石墨烯具有良好的分散性；而碳纳米管因其独特的结构而具有热学、电学、力学、储氢、催化等优异的性能，但分散性差；氧化石墨烯与碳纳米管形成的分散液可以与纳米材料形成三维框架结构，与组分中的其它材料配合作用时，能够提高各原料之间的相容性、分散性，有效降低团聚现象的发生，最终增加防火材料的韧性、强度、阻燃和耐燃烧性能。
2、本发明的制备方法中，通过将粘土、高钙粉煤灰、硅藻土、蛭石和羟基锡酸锌采用球磨技术球磨成粉状，与纳米混合物一起更容易均匀分散于发泡剂、聚乙烯醇和水中，提高原料之间的分散性，以达到更好的阻燃防火性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
本实施例的建筑用纳米防火材料，包括如下重量份的原料：纳米材料12份；氧化石墨烯-碳纳米管分散液12份；粘土22份；高钙粉煤灰28份；硅藻土24份；蛭石20份；发泡剂5份；聚乙烯醇7份；羟基锡酸锌8份；水45份。
本实施例中，纳米材料可以为纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米纤维素等纳米材料，优选采用的纳米材料包括如下重量份的原料：纳米纤维素26份；纳米碳化硅12份；纳米二氧化硅12份；纳米二氧化钛25份；纳米氧化镁8份。所述纳米纤维素为纤维素纳米纤维、微晶纤维素和细菌纳米纤维素中的至少一种。本实施例中选用微晶纤维素。
氧化石墨烯-碳纳米管分散液的制备方法可以包括以下步骤：
1)将石墨烯采用Hummers方法制备氧化石墨烯；
2)将氧化石墨烯在水中超声分散35min，形成氧化石墨烯分散液；
3)在所述氧化石墨烯分散液中加入碳纳米管，继续超声震荡1.5h，得到所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液。
上述氧化石墨烯-碳纳米管分散液中氧化石墨烯和碳纳米管的质量比优选为1：2。碳纳米管包括表面羧基修饰碳纳米管、表面氨基修饰碳纳米管或表面羟基修饰碳纳米管中的一种或多种。本实施例选用羧基修饰碳纳米管。
发泡剂包括石油醚、三氯氟甲烷、二氯二氟甲烷和二氯四氟甲烷中的一种或多种。本实施例选用石油醚作为发泡剂。
本实施例的建筑用纳米防火材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将12份纳米材料、12份氧化石墨烯-碳纳米管分散液混合均匀，得到纳米混合物；
2)将22份粘土、28份高钙粉煤灰、24份硅藻土、20份蛭石和8份羟基锡酸锌采用球磨技术球磨成粉状，得到球磨粉；
3)在所述纳米混合物和所述球磨粉中加5份发泡剂、7份聚乙烯醇和45份水，搅拌均匀，即得所述纳米防火材料。
实施例二
本实施例的建筑用纳米防火材料，包括如下重量份的原料：纳米材料10份；氧化石墨烯-碳纳米管分散液10份；粘土20份；高钙粉煤灰22份；硅藻土18份；蛭石15份；发泡剂3份；聚乙烯醇4份；羟基锡酸锌5份；水35份。
本实施例中，纳米材料可以为纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米纤维素等纳米材料，优选采用的纳米材料包括如下重量份的原料：纳米纤维素20份；纳米碳化硅8份；纳米二氧化硅10份；纳米二氧化钛20份；纳米氧化镁5份。所述纳米纤维素为纤维素纳米纤维、微晶纤维素和细菌纳米纤维素中的至少一种。本实施例中选用纤维素纳米纤维。
氧化石墨烯-碳纳米管分散液的制备方法可以包括以下步骤：
1)将石墨烯采用Hummers方法制备氧化石墨烯；
2)将氧化石墨烯在水中超声分散30min，形成氧化石墨烯分散液；
3)在所述氧化石墨烯分散液中加入碳纳米管，继续超声震荡1h，得到所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液。
上述氧化石墨烯-碳纳米管分散液中氧化石墨烯和碳纳米管的质量比优选为2：3。碳纳米管包括表面羧基修饰碳纳米管、表面氨基修饰碳纳米管或表面羟基修饰碳纳米管中的一种或多种。本实施例选用表面氨基修饰碳纳米管和表面羟基修饰碳纳米管。
发泡剂包括石油醚、三氯氟甲烷、二氯二氟甲烷和二氯四氟甲烷中的一种或多种。本实施例选用三氯氟甲烷作为发泡剂。
本实施例的建筑用纳米防火材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将10份纳米材料、10份氧化石墨烯-碳纳米管分散液混合均匀，得到纳米混合物；
2)将20份粘土、22份高钙粉煤灰、18份硅藻土、15份蛭石和5份羟基锡酸锌采用球磨技术球磨成粉状，得到球磨粉；
3)在所述纳米混合物和所述球磨粉中加3份发泡剂、4份聚乙烯醇和35份水，搅拌均匀，即得所述纳米防火材料。
实施例三
本实施例的建筑用纳米防火材料，包括如下重量份的原料：纳米材料15份；氧化石墨烯-碳纳米管分散液15份；粘土25份；高钙粉煤灰35份；硅藻土26份；蛭石25份；发泡剂7份；聚乙烯醇10份；羟基锡酸锌12份；水50份。
本实施例中，纳米材料可以为纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米纤维素等纳米材料，优选采用的纳米材料包括如下重量份的原料：纳米纤维素35份；纳米碳化硅16份；纳米二氧化硅15份；纳米二氧化钛30份；纳米氧化镁10份。所述纳米纤维素为纤维素纳米纤维、微晶纤维素和细菌纳米纤维素中的至少一种。本实施例选用微晶纤维素和细菌纳米纤维素。
氧化石墨烯-碳纳米管分散液的制备方法可以包括以下步骤：
1)将石墨烯采用Hummers方法制备氧化石墨烯；
2)将氧化石墨烯在水中超声分散40min，形成氧化石墨烯分散液；
3)在所述氧化石墨烯分散液中加入碳纳米管，继续超声震荡2h，得到所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液。
上述氧化石墨烯-碳纳米管分散液中氧化石墨烯和碳纳米管的质量比优选为(1-2)：(2-3)。碳纳米管包括表面羧基修饰碳纳米管、表面氨基修饰碳纳米管或表面羟基修饰碳纳米管中的一种或多种。本实施例选用表面氨基修饰碳纳米管。
发泡剂包括石油醚、三氯氟甲烷、二氯二氟甲烷和二氯四氟甲烷中的一种或多种。本实施例选用二氯二氟甲烷和二氯四氟甲烷的混合物作为发泡剂。
本实施例的建筑用纳米防火材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将15份纳米材料、15份氧化石墨烯-碳纳米管分散液混合均匀，得到纳米混合物；
2)将25份粘土、35份高钙粉煤灰、26份硅藻土、25份蛭石和12份羟基锡酸锌采用球磨技术球磨成粉状，得到球磨粉；
3)在所述纳米混合物和所述球磨粉中加7份发泡剂、10份聚乙烯醇和50份水，搅拌均匀，即得所述纳米防火材料。
对比例一
本对比例与实施例一的区别在于，所包含的原料中不含有纳米材料，其它组分相同；即本对比例的防火材料包括如下重量份的原料：氧化石墨烯-碳纳米管分散液12份；粘土22份；高钙粉煤灰28份；硅藻土24份；蛭石20份；发泡剂5份；聚乙烯醇7份；羟基锡酸锌8份；水45份。
对比例二
本对比例与实施例一的区别在于，所包含的原料中不含有氧化石墨烯-碳纳米管分散液，其它组分相同；即本对比例的防火材料包括如下重量份的原料：纳米材料12份；粘土22份；高钙粉煤灰28份；硅藻土24份；蛭石20份；发泡剂5份；聚乙烯醇7份；羟基锡酸锌8份；水45份。
对比例三
本对比例与实施例一的区别在于，所包含的原料中各原料相同，含量不同；即本对比例的防火材料包括如下重量份的原料：纳米材料5份；氧化石墨烯-碳纳米管分散液5份；粘土10份；高钙粉煤灰40份；硅藻土30份；蛭石30份；发泡剂1份；聚乙烯醇3份；羟基锡酸锌2份；水55份。
将本发明各实施例和各对比例的防火材料耐火性能测试，试验结果如下表所示：
耐火等级 极限氧指数 抗压强度(MPa) 抗拉强度(MPa)
实施例一 A1 32 6.8 4.5
实施例二 A1 30 5.5 4.0
实施例三 A1 31 6.0 4.2
对比例一 B1 28 2.5 2.3
对比例二 B1 28 2.0 2.1
对比例三 B1 27 2.3 2.0
通过上表可以看出，本发明的建筑用纳米防火材料，组分中的纳米材料、氧化石墨烯-碳纳米管分散液的含量，以及各原料之间的相互配比对最终形成防火材料产品的耐火性能和力学性能等指标均有很大影响。
本发明的建筑用纳米防火材料，通过氧化石墨烯与碳纳米管形成的分散液，氧化石墨烯不仅保留有石墨烯原有的π共轭结构，还具备大量的含氧官能团，使氧化石墨烯具有良好的分散性；而碳纳米管因其独特的结构而具有热学、电学、力学、储氢、催化等优异的性能，但分散性差；氧化石墨烯与碳纳米管形成的分散液可以与纳米材料形成三维框架结构，与组分中的其它材料配合时，能够提高各原料之间的相容性、分散性，有效降低团聚现象的发生，最终增加防火材料的韧性、强度、阻燃和耐燃烧性能。此外，本发明的制备方法中，通过将粘土、高钙粉煤灰、硅藻土、蛭石和羟基锡酸锌采用球磨技术球磨成粉状，与纳米混合物一起更容易均匀分散于发泡剂、聚乙烯醇和水中，提高原料之间的分散性，以达到更好的阻燃防火性能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种建筑用纳米防火材料，其特征在于，包括如下重量份的原料：纳米材料10-15份；氧化石墨烯-碳纳米管分散液10-15份；粘土20-25份；高钙粉煤灰22-35份；硅藻土18-26份；蛭石15-25份；发泡剂3-7份；聚乙烯醇4-10份；羟基锡酸锌5-12份；水35-50份。
2.根据权利要求1所述的建筑用纳米防火材料，其特征在于，所述纳米材料包括如下重量份的原料：纳米纤维素20-35份；纳米碳化硅8-16份；纳米二氧化硅10-15份；纳米二氧化钛20-30份；纳米氧化镁5-10份。
3.根据权利要求1所述的建筑用纳米防火材料，其特征在于，所述纳米纤维素为纤维素纳米纤维、微晶纤维素和细菌纳米纤维素中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的建筑用纳米防火材料，其特征在于，所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液的制备方法包括以下步骤：
1)将石墨烯采用Hummers方法制备氧化石墨烯；
2)将氧化石墨烯在水中超声分散30-40min，形成氧化石墨烯分散液；
3)在所述氧化石墨烯分散液中加入碳纳米管，继续超声震荡1-2h，得到所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液。
5.根据权利要求4所述的建筑用纳米防火材料，其特征在于，所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液中氧化石墨烯和碳纳米管的质量比为(1-2)：(2-3)。
6.根据权利要求5所述的建筑用纳米防火材料，其特征在于，所述的碳纳米管包括表面羧基修饰碳纳米管、表面氨基修饰碳纳米管或表面羟基修饰碳纳米管中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的建筑用纳米防火材料，其特征在于，所述发泡剂包括石油醚、三氯氟甲烷、二氯二氟甲烷和二氯四氟甲烷中的一种或多种。
8.一种如权利要求1-7任一所述的建筑用纳米防火材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将纳米材料、氧化石墨烯-碳纳米管分散液混合均匀，得到纳米混合物；
2)将粘土、高钙粉煤灰、硅藻土、蛭石和羟基锡酸锌采用球磨技术球磨成粉状，得到球磨粉；
3)在所述纳米混合物和所述球磨粉中加发泡剂、聚乙烯醇和水，搅拌均匀，即得所述纳米防火材料。
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