CN114105673A

CN114105673A - 一种耐水型石膏碱矿渣防火涂料及其制备方法

Info

Publication number: CN114105673A
Application number: CN202111640962.XA
Authority: CN
Inventors: 季韬; 赵晓雯; 梁咏宁
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-03-01

Abstract

本发明属于建筑防火材料技术领域，具体涉及一种耐水型石膏碱矿渣防火涂料及其制备方法。所述的石膏碱矿渣防火涂料由防火涂料干料和宇心胶水溶液组成，其中防火涂料干料由黏结材料、隔热耐火材料、阻燃材料、防水材料及缓凝材料组成。宇心胶水溶液由宇心胶和水按质量比1：8～10的比例配制而成。本发明的优点在于：对脱硫石膏进行资源化利用，大量利用工业固废矿渣，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

一种耐水型石膏碱矿渣防火涂料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑防火材料技术领域，具体涉及一种耐水型石膏碱矿渣防火涂料及其制备方法。

背景技术

固体废弃物和工业副产物对环境造成严重污染，威胁着人类的健康，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，因此寻找配方优越、制备方法简单、设备要求较低和能减少环境污染的制备方法成为用工业固体废弃物制备建筑材料的关键。

目前防火涂料主要是应用于建筑结构和隧道中，用来提高建筑结构和隧道的耐火性能。由于防火涂料的阻燃特性延迟了火焰温度向基材的传递，进而延迟火焰燃烧速度。现如今随着人们生活水平的提高，人民对于周围生活的环境也有更加严格的要求，因此环保型的防火涂料是今后应用的趋势。

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、高耐久性的优点。碱矿渣水泥与普通硅酸盐水泥相比能减少大量CO₂排放，是一种具有发展前景的绿色环保新材料。

脱硫石膏作为燃煤火电厂湿石灰-石膏法烟气脱硫的产物，是一种有着广泛应用前景的工业废弃物。石膏制品具有舒适性（隔音、隔热、调节湿度）和安全防火的特征，近年来对建筑石膏的研究与开发得到迅速发展。建筑石膏及其工业制品，已向轻质高强、多功能和环保等方向发展，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，具有施工方便，黏结性和耐火性好的优点，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，此外，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；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，再涂覆厚型刚结构防火涂料。虽然可以广泛用于各种钢结构的防火、防腐和保温节能，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防火涂料，可更多利用固废。相比于以上几个专利，本专利综合考虑了施工性、施工成本、耐水性、黏结性和耐火性等性能，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-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耐水型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

本发明提供一种耐水型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、经济环保性和施工性，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：

一种耐水型石膏碱矿渣防火涂料由防火涂料干料和宇心胶水溶液组成。其中所述耐水型石膏碱矿渣防火涂料干料由黏结材料、隔热耐火材料、阻燃材料、防水材料及缓凝材料组成。

所述黏结材料为半水石膏、中性钠盐碱矿渣水泥、聚乙烯醇和可再分散乳胶粉的混合物；其中，中性钠盐碱矿渣水泥由矿渣、普通硅酸盐水泥、Na₂SO₄组成；

所述隔热耐火材料为膨胀蛭石、玻化微珠、海泡石和空心漂珠的混合物；

所述阻燃材料为氢氧化镁和氢氧化铝的混合物；

所述防水材料为有机硅憎水粉末；

所述缓凝材料为缓凝剂；

干料各组分按质量百分数计为：半水石膏13.5%～30.7%、矿渣13.5%～30.7%、普通硅酸盐水泥3%～7%、Na₂SO₄ 0.3%～0.7%、聚乙烯醇0.6%～0.8%、可再分散乳胶粉0.8%～1.2%、膨胀蛭石13.2%～15.4%、玻化微珠12%～13.22%、海泡石7.5%～9%、空心漂珠2.5%～3%、氢氧化镁3.2%～4%、氢氧化铝9.5%～12%、有机硅憎水粉末0.4%～0.6%、缓凝剂0.08%～0.12%，各组分质量百分数之和为100%。

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；所述的普通硅酸盐水泥标号为P.O 42.5；所述的可再分散乳胶粉粒径为100～130目；所述的聚乙烯醇细度为140～160目；所述的膨胀蛭石是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；所述的空心漂珠粒径小于0.9mm；所述的海泡石为一种主要化学成分是硅酸镁的白色粉末；所述的有机硅憎水粉末为一种三元体的细小颗粒，平均颗粒大小为280～320μm；所述的缓凝剂为石膏专用缓凝剂，其作用是延长石膏凝结时间；所述的Na₂SO₄、Al(OH)₂、Mg(OH)₂皆为分析纯试剂。

所述的宇心胶水溶液为宇心胶和水的混合溶液，将宇心胶和水按质量比1：8～10的比例配制而成。

所述的宇心胶是硅氧烷-乙烯基乳液，型号为YX-J00，购自福州市宇心建材科技有限公司，为白色乳液状，具有自清洁、防水和黏结功能，其物理性能指标为：粘度70～100mPa·s，固含量52±2 %，酸碱度7.0～9.0，密度1.1 kg/m³。

一种耐水型石膏碱矿渣防火涂料的制备方法，具体步骤如下：

（1）将石膏碱矿渣防火涂料干料按质量百分比称取各原料，在干燥条件下搅拌2～3 min使其混合均匀；

（2）将宇心胶和水按质量比1：8～10的比例混合成宇心胶水溶液；

（3）将步骤（2）所得的宇心胶水溶液加入到步骤（1）中的干料中，其中防火涂料干料与宇心胶水溶液的质量比为1：0.6～0.7，充分搅拌均匀后得到稠厚状、施工性能良好的耐水性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：矿渣作为一种主要黏结材料，具有高强高耐久性、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；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；普通硅酸盐水泥和硫酸钠组成的中性钠盐激发剂能对矿渣进行激发生成更多的C-S-H凝胶；聚乙烯醇和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；海泡石耐高温性可达1500～1700℃，不仅有耐高温，还有减少防火涂料固化过程中体积收缩、开裂的作用；空心漂珠具有微小、耐高温、绝缘、隔音、耐腐、无毒的优点，是一种新型多功能的无机材料；氢氧化镁和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；宇心胶是一种乙烯基共聚物黏结剂，能有效提高水泥基材料的黏结强度和耐水性。

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Na₂SO₄与普通硅酸盐水泥水化生成的Ca(OH)₂反应生成的NaOH用来激发矿渣，生成更多C-S-H凝胶，这使防火涂料具有较高的后期强度。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中性钠盐碱矿渣水泥，生成C-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；此外，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）矿渣的收缩较大，易开裂，而半水石膏作为一种气硬性材料，具有微膨胀效应，能显著改善矿渣早期的自收缩，从而减小防火涂料的开裂，为社会安全提供了保障。

（5）宇心胶作为一种聚合物粘合剂，能对防火涂料内部孔隙进行填充，达到与其他黏结材料互补的作用，进而使防火涂料有更好的黏结强度。同时，宇心胶也具有一定的自清洁性和防水性，与有机硅憎水粉末形成更致密的网络疏水膜，从而制得一种耐水型防火涂料。

（6）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，采用硫酸钠和普通硅酸盐水泥作为中性钠盐激发剂来激发矿渣活性，这是一种弱碱制强碱的方法，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。

（7）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，但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。

所述黏结材料为半水石膏、中性钠盐碱矿渣水泥、聚乙烯醇和可再分散乳胶粉的混合物；其中，中性钠盐碱矿渣水泥由矿渣、普通硅酸盐水泥、Na₂SO₄组成；所述隔热耐火材料为膨胀蛭石、玻化微珠、海泡石和空心漂珠的混合物；

所述阻燃材料为氢氧化镁和氢氧化铝的混合物；

所述防水材料为有机硅憎水粉末；

所述缓凝材料为缓凝剂；

实施例1

本发明实例的一种耐水型石膏碱矿渣防火涂料，由防火涂料干料和宇心胶水溶液组成。其中所述防火涂料干料由黏结材料、隔热耐火材料、阻燃材料、防水材料及缓凝材料组成。

黏结材料：半水石膏20.3%、矿渣20%、普通硅酸盐水泥3%、Na₂SO₄0.3%、聚乙烯醇0.6%、可在分散乳胶粉0.8%；隔热耐火材料：膨胀蛭石13.2%、玻化微珠13.22%、海泡石9%、空心漂珠3%；阻燃材料：氢氧化镁4%、氢氧化铝12%；防水材料：有机硅憎水粉末0.5%；缓凝材料：缓凝剂0.08%。

所述宇心胶水溶液为宇心胶和水的混合溶液，将宇心胶和水按质量比1：10的比例配制而成。

（1）将石膏碱矿渣防火涂料干料按质量百分比称取各原料，在干燥条件下搅拌2min使其混合均匀；

（2）将宇心胶和水按质量比1：10的比例混合成宇心胶水溶液；

（3）将步骤（2）所得的宇心胶水溶液加入到步骤（1）中的干料中，其中防火涂料干料与宇心胶水溶液的质量比为1：0.6，充分搅拌均匀后得到稠厚状、施工性能良好的耐水型石膏碱矿渣防火涂料。

所得到的耐水型石膏碱矿渣防火涂料的干密度为640 kg/m³，黏结强度为0.28MPa，抗压强度为3.2 MPa，软化系数为0.76，吸水率为18 %，耐火时间超过2.5 h。

实施例2

黏结材料：半水石膏27%、矿渣13.5%、普通硅酸盐水泥7%、Na₂SO₄0.7%、聚乙烯醇0.8%、可在分散乳胶粉1.2%；隔热耐火材料：膨胀蛭石14%、玻化微珠12%、海泡石7.5%、空心漂珠2.7%；阻燃材料：氢氧化镁3.6%、氢氧化铝9.5%；防水材料：有机硅憎水粉末0.4%；缓凝材料：缓凝剂0.1%。

所述宇心胶水溶液为宇心胶和水的混合溶液，将宇心胶和水按质量比1：8的比例配制而成。

（1）将石膏碱矿渣防火涂料干料按质量百分比称取各原料，在干燥条件下搅拌2.5min使其混合均匀；

（2）将宇心胶和水按质量比1：8的比例混合成宇心胶水溶液；

（3）将步骤（2）所得的宇心胶水溶液加入到步骤（1）中的干料中，其中防火涂料干料与宇心胶水溶液的质量比为1：0.65，充分搅拌均匀后得到稠厚状、施工性能良好的耐水型石膏碱矿渣防火涂料。

所得到的耐水型石膏碱矿渣防火涂料的干密度为623 kg/m³，黏结强度为0.34MPa，抗压强度为2.8 MPa，软化系数为0.72，吸水率为23 %，耐火时间超过2.5 h。

实施例3

本发明实例的一种耐水型石膏碱矿渣防火涂料，由防火涂料干料和宇心胶水溶液组成。其中所述火涂料干料由黏结材料、隔热耐火材料、阻燃材料、防水材料及缓凝材料组成。

黏结材料：半水石膏13.5%、矿渣27%、普通硅酸盐水泥5%、Na₂SO₄0.5%、聚乙烯醇0.7%、可在分散乳胶粉1%；隔热耐火材料：膨胀蛭石15.4%、玻化微珠12.88%、海泡石7.7%、空心漂珠2.5%；阻燃材料：氢氧化镁3.2%、氢氧化铝9.9%；防水材料：有机硅憎水粉末0.6%；缓凝材料：缓凝剂0.12%。

所述宇心胶水溶液为宇心胶和水的混合溶液，将宇心胶和水按质量比1：9的比例配制而成。

（1）将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3 min使其混合均匀；

（2）将宇心胶和水按质量比1：9的比例混合成宇心胶水溶液；

（3）将步骤（2）所得的宇心胶水溶液加入到步骤（1）中的干料中，其中防火涂料干料与宇心胶水溶液的质量比为1：0.7，充分搅拌均匀后得到稠厚状、施工性能良好的耐水型石膏碱矿渣防火涂料。

所得到的耐水型石膏碱矿渣防火涂料的干密度为654 kg/m³，黏结强度为0.31MPa，抗压强度为3.6 MPa，软化系数为0.8，吸水率为15 %，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

1.一种耐水型石膏碱矿渣防火涂料，其特征在于：所述的耐水型石膏碱矿渣防火涂料由防火涂料干料和宇心胶水溶液组成；

所述防火涂料干料由黏结材料、隔热耐火材料、阻燃材料、防水材料及缓凝材料组成；

所述阻燃材料为氢氧化镁和氢氧化铝的混合物；

所述防水材料为有机硅憎水粉末；

所述缓凝材料为缓凝剂；

所述的宇心胶水溶液为宇心胶和水的混合溶液，将宇心胶和水按质量比1：8～10的比例配制而成；

所述宇心胶是硅氧烷-乙烯基乳液，为白色乳液状，具有自清洁、防水和黏结功能，其物理性能指标为：粘度70～100 mPa·s，固含量52±2 %，酸碱度7.0～9.0，密度1.1 kg/m³。

2.根据权利要求1所述的一种耐水型石膏碱矿渣防火涂料，其特征在于，所述的防火涂料干料各组分按质量百分数计为：半水石膏13.5%～30.7%、矿渣13.5%～30.7%、普通硅酸盐水泥3%～7%、Na₂SO₄ 0.3%～0.7%、聚乙烯醇0.6%～0.8%、可再分散乳胶粉0.8%～1.2%、膨胀蛭石13.2%～15.4%、玻化微珠12%～13.22%、海泡石7.5%～9%、空心漂珠2.5%～3%、氢氧化镁3.2%～4%、氢氧化铝9.5%～12%、有机硅憎水粉末0.4%～0.6%、缓凝剂0.08%～0.12%，各组分质量百分数之和为100%。

3.根据权利要求1或2所述的一种耐水型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；所述的普通硅酸盐水泥标号为P.O 42.5；所述的可再分散乳胶粉粒径为100～130目；所述的聚乙烯醇细度为140～160目。

4.根据权利要求1或2所述的一种耐水型石膏碱矿渣防火涂料，其特征在于，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；所述的空心漂珠粒径小于0.9 mm；所述的海泡石为一种主要化学成分是硅酸镁的白色粉末。

5.根据权利要求1或2所述的一种耐水型石膏碱矿渣防火涂料，其特征在于，所述的有机硅憎水粉末为一种三元体的细小颗粒，平均颗粒大小为280～320 μm。

6.根据权利要求1或2所述的一种耐水型石膏碱矿渣防火涂料，其特征在于，所述的缓凝剂为石膏专用缓凝剂，其作用是延长石膏凝结时间。

7.根据权利要求1或2所述的一种耐水型石膏碱矿渣防火涂料，其特征在于，所述的Na₂SO₄、Al(OH)₂、Mg(OH)₂皆为分析纯试剂。

8.一种如权利要求1或2所述的耐水型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）将防火涂料干料按配比称取各原料，在干燥条件下搅拌2～3 min使其均匀混合；

（3）将步骤（2）所得的宇心胶水溶液加入到步骤（1）中的防火涂料干料中，其中防火涂料干料与宇心胶水溶液的质量比为1：0.6～0.7，充分搅拌均匀后得到稠厚状、施工性能良好的耐水型石膏碱矿渣防火涂料。