CN114045052A - 一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单组分石膏‑碱矿渣防火涂料及其制备方法。所述的单组分石膏‑碱矿渣防火涂料由黏结材料、隔热耐火材料、阻燃材料及其他助剂组成。本发明的优点在于：对脱硫石膏和矿渣进行资源化利用，且生产过程节能环保，具有良好的经济和环境效益。该防火涂料具有较好的黏结性、耐火性、耐水性、轻质、阻燃、隔音吸声等特点，生产成本低，工艺简单。
Description
技术领域
本发明属于建筑防火材料技术领域，具体涉及一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料及其制备方法。
背景技术
随着隧道和钢结构建筑建设的蓬勃发展，隧道和钢结构火灾问题也日渐凸显出来，易造成巨大的社会及经济影响，而喷涂隧道和钢结构防火涂料成为了主要的一种被动防火方式。而传统的采用普通硅酸水泥制备的方式存在耗能大、易产生大量温室气体的缺点，因此绿色环保的防火涂料是今后应用的趋势。
固体废弃物以及工业副产物对环境造成严重污染，易造成土地资源的浪费，所以变废为宝成为社会关注的焦点。脱硫石膏和矿渣都是工业副产物，其来源广泛，产量丰富但利用率低，因此用固体废弃物制备建筑材料成为一项关键技术问题。
矿渣是高炉炼铁过程中排出的一种废渣，化学成分主要是SiO2、Al2O3、CaO等氧化物，具有潜在的活性，利用矿渣制备的碱矿渣水泥具有高强、耐高温、高耐久性的优点，是一种具有发展前景的绿色环保新材料。脱硫石膏作为火力发电厂的主要工业副产品，具有轻质、黏结力强、较好的防火性能和保温隔热性能，并且不会出空鼓开裂的特点，近年来我国对建筑石膏的研究与开发也得到迅速发展。建筑石膏及其工业制品，已向轻质高强、多功能、环保等方向发展，正逐渐取代传统的建筑材料。
专利CN111423197A公开了一种单组分碱激发水泥隧道防火涂料及其使用方法，采用碱激发水泥作为主要胶凝材料，施工方便，有良好的黏结性和耐火性，但是碱矿渣水泥易开裂的特性会导致防火涂料的脱落问题，易出现隧道行车安全问题；专利CN111117310A公开了一种非膨胀型石膏防火涂料及其制备方法，采用石膏粉、聚苯乙烯、氧化铝纤维等材料制备而成，将氧化铝纤维颗粒经过疏水处理使其具有强耐水性，同时该防火涂料还具有耐冲击性，干密度低等优点，但该专利尚未对其黏结性能进行评价；专利CN107619250A公开了一种隔热环保型防火涂料，采用水泥、半水石膏以及其他助剂制备而成，具有耐火隔热抑烟的显著功效，但作为一种非膨胀型防火涂料，该专利并未对黏结性能及其他理化性能进行评价说明。且该专利中仍使用了硅酸盐水泥，并未体现出环保性；专利CN106867345A公开了一种石膏矿渣水泥基厚型钢结构防火、防腐、保温一体化涂层的制备方法，该专利先用丙烯酸、苯丙乳液等材料对钢结构进行界面处理，再涂覆厚型钢结构防火涂料。虽然可以广泛用于各种钢结构的防火、防腐、保温节能，但是存在施工工艺复杂，实际施工中成本较大的缺点。本发明采用石膏和碱矿渣复合制备的单组分防火涂料，对固废的利用更多。相比于以上几个专利，本专利综合考虑了施工性、耐水性、黏结性、耐火性等性能，具有施工性能好、耐水性及黏结强度好的优点。
目前，石膏基建筑材料类型和规格众多，产品微观结构呈现密实度低、孔洞较大，在潮湿的环境下易出现耐水性差、软化系数低的缺陷。因此，本发明在半水石膏中掺入矿渣一方面可减少涂料内部的孔隙数量，防止液态水的迁移；另一方面矿渣和半水石膏生成的不溶于水的凝聚结构网络（C-A-S-H凝胶和钙矾石等），改善了耐水性能，同时也提高了力学强度；此外，半水石膏也可改善矿渣收缩开裂的缺点。
因此，提供一种成本低、品质高且能使矿渣和工业副产石膏结合的单组分石膏-碱矿渣防火涂料是本领域技术人员亟需解决的问题。
通过检索，尚未发现与本发明专利申请相关的专利公开文献。
发明内容
本发明提供一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料及其制备方法，同时具有较好的黏结性、耐火性、耐水性、轻质、阻燃、隔音吸声等特点，经济环保性、施工性好，生产成本低，工艺简单，适合大规模推广应用，具有显著的经济效益。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料由黏结材料、隔热耐火材料、阻燃材料和其他助剂组成。
所述黏结材料为半水石膏、碱矿渣水泥和可再分散乳胶粉的混合物；
所述隔热耐火材料为膨胀蛭石、玻化微珠和膨胀珍珠岩的混合物；
所述阻燃材料为氢氧化铝；
所述其他助剂为缓凝剂、有机硅憎水粉末、纤维素醚、触变剂；
所述的单组分石膏-碱矿渣防火涂料干料各组分按质量百分数计为：半水石膏50.87%～56.57%、碱矿渣水泥11.3%～17%、可再分散乳胶粉0.8%～1.2%、膨胀蛭石6%～8%、玻化微珠5%～7%、膨胀珍珠岩8.1%～9.7%、氢氧化铝7%～9%、有机硅憎水粉末0.4%～0.6%、缓凝剂0.11%～0.15%、触变剂0.08%～0.12%、纤维素醚0.3%～0.5%，各组分质量百分数之和为100%。
碱矿渣水泥由矿渣、碳酸钠和氢氧化钙组成。其中矿渣用量占所有干料总和的9.6wt%～14.48wt%、碳酸钠用量占所有干料总和的0.98wt%～1.48wt%、氢氧化钙用量占所有干料总和的 0.3wt%～0.7wt%；所述的矿渣为S95级粒化高炉矿渣，化学成分主要是SiO2、Al2O3和CaO。
所述的半水石膏为工业副产脱硫石膏，成分为CaSO4·0.5H2O；所述的可再分散乳胶粉粒径为100～130目；所述的膨胀蛭石为一种具有层状结构的水铝硅酸盐矿物，在高温下体积膨胀；所述的玻化微珠是一种无机玻璃质矿物材料；所述的膨胀珍珠岩是一种粒径大小为2～4mm的白色蜂窝状颗粒；所述的氢氧化铝、碳酸钠、氢氧化钙均为分析纯试剂。
所述的其他助剂的作用在于：缓凝剂为石膏专用缓凝剂，起到延长石膏凝结时间的作用；有机硅憎水粉末起防水耐水的作用；纤维素醚起保水、增加稠度的作用；触变剂起到提高施工性能的作用。
一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将单组分石膏-碱矿渣防火涂料干料按各组分质量百分比称取，在干燥条件下搅拌2～3 min使其混合均匀；
（2）将防火涂料干料与水溶液按质量比为1：0.6～0.7的比例混合，充分搅拌均匀后得到稠厚状、施工性能良好的单组分石膏-碱矿渣防火涂料。
本发明配方中各组分的选择依据和作用如下：
半水石膏作为一种建筑胶凝材料，具有轻质、保温隔热的优点，在高温下脱水产生水蒸气起到防火作用；碱矿渣水泥作为一种主要的黏结材料，具有高强耐高温的优点，对防火涂料的黏结强度及耐火性能都有极大的作用；采用碳酸钠和氢氧化钙作为激发剂对矿渣进行激发生成更多的C-A-S-H凝胶；可再分散乳胶粉作为辅助黏结材料，对防火涂料的黏结强度、耐水性、耐高温性都有提高作用；膨胀蛭石在高温下体积膨胀，是一种较好的轻质保温材料；玻化微珠具有绝热防火、吸音的功效；膨胀珍珠岩在高温下体积膨胀4～30倍，具有无毒、无味、不燃、吸音、保温的特点；氢氧化铝在高温下能够吸热分解，并分解出具有耐高温的氧化产物；有机硅憎水粉末能够提高涂料内部的密实度，从而改善防水能力；纤维素醚在防火涂料中具有保水、增稠、黏合的作用，有效提高施工性能和黏结性能；触变剂主要是提高涂料的韧性，增加施工性能。
与现有的防火涂料相比，本发明具有以下优点：
（1）工业矿渣和脱硫石膏来源丰富，在降低涂料成本的同时又能处理掉这些对环境不利的废弃物，达到了变废为宝的目的，有效减少碳排放和粉尘污染，具有绿色环保的特点。
（2）由半水石膏-矿渣复合的防火涂料既保持了半水石膏的早强特性；同时以碳酸钠和氢氧化钙来激发矿渣，生成更多C-A-S-H凝胶，这使防火涂料具有较高的后期强度。碱矿渣水泥和石膏复合体系生成的钙矾石，是提高强度以及耐水性的主要水化产物，这对于施工效率以及防火涂料的耐久性有很大的效益。
（3）在半水石膏中掺入一定量的碱矿渣水泥，生成C-A-S-H凝胶和钙矾石（AFt），既克服了石膏不耐水的缺点，提高了软化系数；同时，矿渣对孔隙的填充作用也使所制得的防火涂料力学性能大大提高。
（4）碱矿渣水泥的收缩较大，易开裂，而半水石膏作为一种气硬性材料，具有微膨胀效应，能显著改善碱矿渣水泥早期的自收缩，从而减小防火涂料的开裂，为隧道内行车安全和人民居住安全提供了保障。
（5）石膏-碱矿渣复合体系具有快硬早强、凝结时间短、施工性能好、一次成型的特点，采用碳酸钠和氢氧化钙作为激发剂来激发矿渣的方法碱性低，这确保了施工过程中施工人员的身体健康，进而能提高施工效率，减少施工成本。
（6）半水石膏（CaSO4·0.5H2O）是工业副产物脱硫石膏经过煅烧处理得到的一种建筑胶凝材料，具有耐水性差的缺点，因此在石膏基材料中填充一定的碱矿渣材料来弥补耐水性差的问题。由于石膏含有大量的硫酸根基团，可以对矿渣中具有水硬活性的硅氧四面体起到硫酸盐激发作用，形成钙矾石等水化产物，进而提高水化浆体的强度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但本发明所保护范围不限于此。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料由黏结材料、隔热耐火材料、阻燃材料及其他助剂组成。
所述黏结材料为半水石膏、碱矿渣水泥（由矿渣、碳酸钠、氢氧化钙组成）和可再分散乳胶粉的混合物；
所述隔热耐火材料为膨胀蛭石、膨胀珍珠岩和玻化微珠的混合物；
所述阻燃材料为氢氧化铝；
所述其他助剂为有机硅憎水粉末、缓凝剂、触变剂和纤维素醚的混合物；
该防火涂料干料各组分按质量百分数计为：半水石膏50.87%～56.57%、矿渣9.6%～14.48%、碳酸钠0.98%～1.48%、氢氧化钙 0.3%～0.7%、可再分散乳胶粉0.8%～1.2%、膨胀蛭石6%～8%、玻化微珠5%～7%、膨胀珍珠岩8.1%～9.7%、氢氧化铝7%～9%、有机硅憎水粉末0.4%～0.6%、缓凝剂0.11%～0.15%、触变剂0.08%～0.12%、纤维素醚0.3%～0.5%，各组分质量百分数之和为100%。
一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将单组分石膏-碱矿渣防火涂料干料按各组分质量百分比称取，在干燥条件下搅拌2～3 min使其混合均匀；
（2）将防火涂料干料与水溶液按质量比为1：0.6～0.7的比例混合，充分搅拌均匀后得到稠厚状、施工性能良好的单组分石膏-碱矿渣防火涂料。
实施例1
本发明实例的一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料由黏结材料、隔热耐火材料、阻燃材料和其他助剂组成。
黏结材料：半水石膏50.87%、矿渣14.48%、碳酸钠1.48%、氢氧化钙1.04%、可再分散乳胶粉0.8%；隔热耐火材料：膨胀蛭石8%、玻化微珠6%、膨胀珍珠岩9.2%；阻燃材料：氢氧化铝7%；其他助剂：有机硅憎水粉末0.6%、缓凝剂0.11%、触变剂0.12%、纤维素醚0.3%。
一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将单组分石膏-碱矿渣防火涂料干料按质量百分比称取，在干燥条件下搅拌2min使其混合均匀；
（2）将防火涂料干料与水溶液按质量比为1：0.6的比例混合，充分搅拌均匀后得到稠厚状、施工性能良好的单组分石膏-碱矿渣防火涂料；
所得到的单组分石膏-碱矿渣防火涂料的干密度为632 kg/m3，黏结强度为0.35MPa，抗压强度为3.6 MPa，软化系数为0.78，吸水率为18 %，耐火时间超过2.5 h。
实施例2
本发明实例的一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料由黏结材料、隔热耐火材料、阻燃材料和其他助剂组成。
黏结材料：半水石膏54.27%、矿渣11.58%、碳酸钠1.18%、氢氧化钙0.84%、可再分散乳胶粉1.2%；隔热耐火材料：膨胀蛭石7%、玻化微珠5%、膨胀珍珠岩9.7%；阻燃材料：氢氧化铝8%；其他助剂：有机硅憎水粉末0.5%、缓凝剂0.13%、触变剂0.1%、纤维素醚0.5%。
一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将单组分石膏-碱矿渣防火涂料干料按质量百分比称取，在干燥条件下搅拌2.5 min使其混合均匀；
（2）将防火涂料干料与水溶液按质量比为1：0.65的比例混合，充分搅拌均匀后得到稠厚状、施工性能良好的单组分石膏-碱矿渣防火涂料；
所得到的单组分石膏-碱矿渣防火涂料的干密度为615 kg/m3，黏结强度为0.46MPa，抗压强度为3.4 MPa，软化系数为0.76，吸水率为20 %，耐火时间超过2.5 h。
实施例3
本发明实例的一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料由黏结材料、隔热耐火材料、阻燃材料和其他助剂组成。
黏结材料：半水石膏56.57%、矿渣9.6%、碳酸钠0.98%、氢氧化钙0.72%、可再分散乳胶粉1%；隔热耐火材料：膨胀蛭石6%、玻化微珠7%、膨胀珍珠岩8.1%；阻燃材料：氢氧化铝9%；其他助剂：有机硅憎水粉末0.4%、缓凝剂0.15%、触变剂0.08%、纤维素醚0.4%。
一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料的制备方法，具体步骤如下：
（1）将单组分石膏-碱矿渣防火涂料干料按质量百分比称取，在干燥条件下搅拌3min使其混合均匀；
（2）将防火涂料干料与水溶液按质量比为1：0.7的比例混合，充分搅拌均匀后得到稠厚状、施工性能良好的单组分石膏-碱矿渣防火涂料；
所得到的单组分石膏-碱矿渣防火涂料的干密度为594 kg/m3，黏结强度为0.41MPa，抗压强度为3.2 MPa，软化系数为0.74，吸水率为23 %，耐火时间超过2.5 h。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料，其特征在于：所述的单组分石膏-碱矿渣防火涂料由黏结材料、隔热耐火材料、阻燃材料及其他助剂组成；
所述黏结材料为半水石膏、碱矿渣水泥和可再分散乳胶粉的混合物；
所述隔热耐火材料为膨胀蛭石、玻化微珠和膨胀珍珠岩的混合物；
所述阻燃材料为氢氧化铝；
所述其他助剂为缓凝剂、有机硅憎水粉末、纤维素醚、触变剂。
2.根据权利要求1所述的一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料，其特征在于：所述的单组分石膏-碱矿渣防火涂料干料各组分按质量百分数计为：半水石膏50.87%～56.57%、碱矿渣水泥11.3%～17%、可再分散乳胶粉0.8%～1.2%、膨胀蛭石6%～8%、玻化微珠5%～7%、膨胀珍珠岩8.1%～9.7%、氢氧化铝7%～9%、有机硅憎水粉末0.4%～0.6%、缓凝剂0.11%～0.15%、触变剂0.08%～0.12%、纤维素醚0.3%～0.5%，各组分质量百分数之和为100%。
3.根据权利要求2所述的一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料，其特征在于：所述的碱矿渣水泥由矿渣、碳酸钠和氢氧化钙组成，其中矿渣用量占所有干料总和的9.6wt%～14.48wt%、碳酸钠用量占所有干料总和的0.98wt%～1.48wt%、氢氧化钙用量占所有干料总和的0.3wt%～0.7wt%；所述的矿渣为S95级粒化高炉矿渣，化学成分主要是SiO2、Al2O3和CaO。
4.根据权利要求2所述的一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料，其特征在于：所述的半水石膏为工业副产脱硫石膏，成分为CaSO4·0.5H2O；所述的可再分散乳胶粉粒径为100～130目；所述的膨胀蛭石为一种具有层状结构的水铝硅酸盐矿物，在高温下体积膨胀；所述的玻化微珠是一种无机玻璃质矿物材料；所述的膨胀珍珠岩是一种粒径大小为2～4 mm的白色蜂窝状颗粒。
5.根据权利要求2所述的一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料，其特征在于：所述的氢氧化铝为分析纯试剂。
6.根据权利要求3所述的一种单组分石膏-碱矿渣防火涂料，其特征在于：所述的碳酸钠、氢氧化钙均为分析纯试剂。
7.一种如权利要求1所述的单组分石膏-碱矿渣防火涂料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
（1）将单组分石膏-碱矿渣防火涂料干料各组分按配比称取，在干燥条件下搅拌2～3min使其均匀混合；
（2）将防火涂料干料与水溶液按质量比为1：0.6～0.7的比例混合，充分搅拌均匀后得到稠厚状、施工性能良好的单组分石膏-碱矿渣防火涂料。
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