CN114804729B - 一种含二氧化硅气凝胶的钢结构防火保护板 - Google Patents

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Abstract

一种含二氧化硅气凝胶的钢结构防火保护板，包括如下质量比的原料制备得到：水玻璃20‑40％，膨胀蛭石50‑60％高岭土5‑15％珍珠岩5‑10％，氢氧化铝5‑10％，增强纤维4‑10％，氟硅酸钠早强剂1‑2％；其制备方法由如下步骤组成：步骤A:混合,将原料计量，在高速混合机内将上述原料混合均匀得到料浆；步骤B:压制成型,将步骤A制得的料浆利用模具压制成型，得到板坯；步骤C:微波干燥定型,利用微波窑微波干燥定型，干燥时间为20‑40分钟，最终得到厚度为20‑40mm的防火保护板，其中，水玻璃中由微米级二氧化硅气凝胶、硅烷和聚氨酯丙烯酸酯改性得到。

Description

一种含二氧化硅气凝胶的钢结构防火保护板
技术领域
本发明涉及一种含二氧化硅气凝胶的钢结构防火保护板，具体公开了采用聚氨酯丙烯酸酯和隔热填料对水玻璃进行改性的复合粘合剂，进而得到防水性能优异强度高的钢结构防火保护板。
背景技术
随着钢结构应用技术的发展以及钢结构的防火保护技术日臻成熟，钢结构作为高层建筑结构的一种形式以其强度高、塑性、韧性好、自重轻、有良好的延伸性、抗震性和施工周期短等优点，在建筑业中得到了广泛的应用。虽然钢材属于不燃性材料，但是耐火性能却很差。到目前为止，人们对钢结构保护主要采取四种措施：即直接包覆保护法、屏蔽保护法、水喷淋和冲水冷却保护法。四种措施中直接包覆法由于其简便易行、防护性能良好和造价经济在工程中最为常用。直接包覆法是指在钢结构构件面或外围直接施用防火材料如砌筑粘土砖、浇注混凝土、抹灭、喷涂防火涂料和包封防火板材等将裸露的钢构件包封或覆盖起来，从而达到提高钢结构耐火能力的目的。当前钢结构防火保护采用最多的应属防火涂料和防火板材。用防火板材保护钢结构，具有施工方便、装饰性好、成本低、损耗小、无环境污染、不受季节和气候影响、干法施工、施工周期短与钢结构防火涂料喷涂施工相比，所用工时仅为喷涂施工的即可完成相同面积的防火施工和耐久耐火性能年基本不变等优点，推广前景好，是钢结构防火保护新的发展方向，具体而言，就是通过高温耐火胶粘剂将防火板覆在钢结构表面，实现火灾时隔热的目的，从而防止钢材在火灾时温度快速升高。高温粘合剂和防火板材中都会用到无机或有机粘结剂作为主体材料，其中，水玻璃是常见的无机粘结剂类型，其因为成本低，凝固后强度较高，且耐热性好受到广泛使用，但是相对较为昂贵的硅溶胶而言，其耐水性较为逊色，这是因为水玻璃中含具有大量强亲水性的羟基，且有碱金属例子如钠离子、钾离子，甚至有可能导致水玻璃型高温粘合剂或水玻璃型防火保护板出现返碱现象。现有技术中也有提到在水玻璃中加入硬化剂可与水玻璃中的碱金属离子和碱金属氧化物发生化学反应有利于改善水玻璃的耐水性和其它性能，但是防水性虽可提高，但比较有限，且不能同时提升产品的强度和保温性能。
同时，目前的含蛭石钢结构防火板，普遍蛭石仅仅作为功能填料，如CN103214220A，这篇专利文献公开了一种钢结构防火保护板及其制备方法；该防护板包括如下组分：磨细矿渣、云母粉、硅灰石、高岭土、膨胀蛭石、无机胶凝材料、增强纤维和改性外掺物；各组分的重量百分比为：磨细矿渣30～40％、云母粉10～20％、硅灰石10～20％、高岭土5～10％、膨胀蛭石5～10％、无机胶凝材料15～30％、增强纤维1～8％、改性外掺物2～8％。该防火板主要填料为磨细矿渣，膨胀蛭石仅仅不到10％，该防火板不仅密度较高，因为重，在很多轻量化场所应用有所限制，且隔热性能不良。另外，该技术采用水泥作为粘结剂，也大幅度增加了防火板的密度，且强度、隔热性能较水玻璃基的防火板具有较大的差距。
因此，防火行业中，水玻璃基蛭石钢结构防火板板虽然成本具有较大优势，但是在南方市场存在不耐水、易返碱的问题，发明人根据市场需求对作为粘合剂的水玻璃进行改性，通过提高水玻璃的耐水性，进而根本上提高了蛭石防火保护板的防水性和隔热性能。
在本公司前期的技术研发中，我们采用改性纳米二氧化硅隔热填料、有机硅改性聚氨酯丙烯酸酯与有机硅改性的水玻璃进行化学交联共聚，很显著的改善了水玻璃的耐水性和隔热性，但是在实际生产中我们也发现，由于采用纳米材料，成本过高，而且为避免纳米材料的团聚，对工艺要求也比较高的要求。针对这一情况，申请人尝试对纳米二氧化硅隔热填料的种类进行进一步优化，经过大量的实验，最终选定了微米级二氧化硅气凝胶，并对改性水玻璃的具体工艺进行了适应性的改变，从而基本保证防水性和隔热性提高的同时，大幅度降低了成本和工艺复杂度。
除了对水玻璃进行改性并代替以往的水泥基粘合剂，本发明还大幅度提高了蛭石的使用量，显著是的防火板轻量化且大幅度提高隔热性。另外，省略了传统工艺的5-7天的养护步骤，大大提高防火板的生产效率。另外，本发明还采用微波窑进行干燥，干燥定型在20-40内就能完成，相对于之前的3-4小时的干燥时间，也明显提高了生产效率。
发明内容
本发明提供一种含二氧化硅气凝胶的钢结构防火保护板，由包括如下质量比的原料制备得到：水玻璃20-40％，膨胀蛭石50-60％高岭土5-15％珍珠岩5-10％，氢氧化铝5-10％，增强纤维4-10％，氟硅酸钠早强剂1-2％；
其制备方法由如下步骤组成：
步骤A:混合,将原料计量，在高速混合机内将上述原料混合均匀得到料浆；
步骤B:压制成型,将步骤A制得的料浆利用模具压制成型，得到板坯；
步骤C:微波干燥定型,利用微波窑微波干燥定型，干燥时间为20-40分钟，最终得到厚度为20-40mm的防火板。
防火板大小为1.2m*2.4m或1.2m*1.2m。
其中，水玻璃为改性水玻璃，其制备方法如下：
(1)制备初步改性水玻璃：将有机硅烷、酸组成的改性剂对水玻璃进行共混化学改性，其中，有机硅烷为乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷；酸为有机酸与磷酸的混合酸，其中，有机酸选自丙烯酸或马来酸；有机酸与磷酸的摩尔比为(6-4)：(4-6)；
将水玻璃、酸和有机硅烷按照质量比：100：(2-6)：(5-10)，在pH值4-6的条件下进行搅拌共混，搅拌速度为600-1500r/min，时间为4-8小时，其中，在共混反应进行到一半时，边搅拌边加入微米级二氧化硅气凝胶，以100质量份水玻璃计，微米级二氧化硅气凝胶的添加量为10-15重量份；所述二氧化硅气凝胶D50直径为20-200μm，优选为50-150μm。
(2)制备有机硅改性聚氨酯丙烯酸酯：
在催化剂、溶剂和阻聚剂存在下，将异氰酸酯三聚体、含环氧官能团有机硅和羟基丙烯酸酯进行反应，其中，所述的异氰酸酯三聚体选自异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)三聚体、二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)三聚体、六氢甲苯二异氰酸酯(HTDI)三聚体中的一种或几种，其中，所述含环氧官能团有机硅为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷和/或3-缩水甘油醚氧丙基甲基二乙氧基硅烷；
反应温度为70-85℃，反应时间为2-3小时；
异氰酸酯三聚体、含环氧官能团有机硅和羟基丙烯酸酯的质量比为：(4-6)：(1-1.5)：(4-6)；
羟基丙烯酸酯由甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯或甲基丙烯酸羟丁酯中的一种或多种组成。
(3)制备得到改性水玻璃：将步骤(1)-(2)分别得到的初步改性水玻璃和有机硅改性聚氨酯丙烯酸酯按照质量比10：(1-2)在添加引发剂的条件下进行有机无机自由基共聚反应，引发剂为过硫酸钠或过硫酸铵。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：
(1)本发明制备的钢结构防火保护板相对于传统防火板大幅度提高了蛭石的使用量，显著是的防火板轻量化且大幅度提高隔热性。另外，本发明还采用微波窑进行干燥，干燥定型在20-40分钟内就能完成，相对于之前的3-4小时的干燥时间，也明显提高了生产效率。
(2)本发明采用改性的水玻璃代替了传统的水泥作为黏合剂制得防火板，通过提高水玻璃的耐水性，进而根本上提高了蛭石防火保护板的防水性和隔热性能，省略了传统工艺的5-7天的养护步骤，大大提高防火板的生产效率。
(3)本发明利用选自丙烯酸或马来酸的有机酸与磷酸的混合酸，促使水玻璃在酸性条件下水解，并与乙烯基硅烷偶联剂发生缩合反应，形成带乙烯基官能基团的改性水玻璃，同时，微米级二氧化硅气凝胶通过硅烷的偶联作用，在大大改善水玻璃隔热性能的同时，还实现了化学表面的修饰，提高了体系的稳定性和分散性。同时，通过机硅改性聚氨酯丙烯酸酯、水玻璃表面的乙烯基硅氧烷的有机共聚改性，在水玻璃的表面形成了稳定的聚氨酯丙烯酸酯聚合物，使得不稳定的硅酸中间态最终形成了有机硅、聚氨酯、二氧化硅气凝胶化学交联复合体系，防止了水玻璃的逆缩合水解反应，极大地提升了水玻璃的耐水性，在耐水性得到根本性的改善。
(4)本发明的隔热填料相比之前的纳米中空二氧化硅，采取了微米级二氧化硅气凝胶，成本大大降低，在直接在改性水玻璃的工艺中间加入，需要单独的超声波分散改性，大大提高了生产效率。
(5)发明的硅烷水解催化剂采用有机酸和无机酸的混合物，其中，有机酸选择丙烯酸或马来酸，该有机酸都具有可自由基反应的双键，这样，有机酸不仅在反应时提供了酸性环境，还能参与步骤(3)的自由基共聚，因此，降低了残留的酸对粘合剂防水性的负面作用，又避免了后面需额外除酸的后续工艺。
(6)本发明在制备聚氨酯丙烯酸中加入了带环氧官能团有机硅，通过环氧基团与羟基丙烯酸酯的反应，使得聚氨酯丙烯酸酯接枝上大量的有机硅氧烷，同时，结合步骤(1)中有机硅烷的改性，使得最终制得的水玻璃含有一定量的有机硅烷，大幅度降低了水玻璃的表面张力，显著提升了防水性，同时，相对于乙烯基有机硅烷，带环氧官能团有机硅会带入更多的较为稳定的羟基，有利于提升与水玻璃、二氧化硅气凝胶的相容性。
(7)在水玻璃、微米级二氧化硅气凝胶隔热填料、聚氨酯丙烯酸通过硅氧键和自由基共聚形成的碳碳键，形成了水玻璃、有机硅、聚氨酯丙烯酸酯的化学网络交联体，用该粘合剂制成的防火板材，机械强度大幅增加，韧性也有很大的改善，高温抗裂性也有了极大地提高。
具体实施方式
下面结合具体实施例对发明的技术方案进行详细说明。
实施例1制备改性水玻璃
(1)制备初步改性水玻璃A：
将水玻璃、酸和有机硅烷按照质量比：100：4：6，在pH值5的条件下进行搅拌共混，搅拌速度为800r/min，时间为6小时，其中，有机硅烷为乙烯基三甲氧基硅烷，酸为有丙烯酸与磷酸的混合酸，两种酸摩尔比为5：5，其中，边搅拌边加入微米级二氧化硅气凝胶，以100质量份水玻璃计，微米级二氧化硅气凝胶的添加量为10重量份，所述二氧化硅气凝胶D50直径为100μm左右。
(2)制备有机硅改性聚氨酯丙烯酸酯：
在催化剂、溶剂和阻聚剂存在下，将异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)三聚体、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷和甲基丙烯酸羟乙酯进行反应，反应温度为80℃，反应时间为2.5小时；
异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)三聚体、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷和甲基丙烯酸羟乙酯的质量比为5：1：5；
(3)制备得到改性水玻璃：将步骤(1)-(2)分别得到的初步改性水玻璃和有机硅改性聚氨酯丙烯酸酯按照质量比10：1.5在添加引发剂的条件下进行有机无机自由基共聚反应，引发剂为过硫酸铵。
实施例2利用改性水玻璃制备钢结构防火保护板
防火保护的原料配方按质量比为：水玻璃20％，膨胀蛭石60％，高岭土5％，珍珠岩5％，氢氧化铝5％，增强纤维4％，氟硅酸钠早强剂1％，其中水玻璃为实施例1制备的改性水玻璃。
蛭石防火保护板具体制备方法如下：
(1)混合：将原料计量，在高速混合机内将上述原料混合均匀得到料浆；
(2)压制成型：将步骤(1)制得的料浆利用模具压制成型，得到板坯；
(3)微波干燥定型：利用微波窑微波干燥定型，干燥时间为25分钟，最终得到厚度为25mm的防火板，一般大小为1.2m*2.4m。
对比例3：将实施例2中制备钢结构防火保护板中的改性水玻璃替换为市售常规水玻璃B(即与制备改性水玻璃A的原料相同)，其余组分、配比、制备方法均与实施例2相同。
对比例4：首先将水玻璃、聚氨酯丙烯酸酯乳液和微米级二氧化硅气凝胶按照10：1.5：1质量比进行物理共混得到改性水玻璃C,将实施例2中的改性水玻璃A替换为改性水玻璃C,其余组分、配比、制备方法均与实施例2相同。
性能测试
按照名为钢结构防火保护板的消防行业标准(XF/T3012-2020)进行测试，对实施例2-4制备的蛭石防火保护板的耐水性性能、耐火性能、干态抗弯强度进行测试。
耐水性合格，以30d后，板材无开裂、起层、脱落，允许轻微发胀和变色作为合格。
测试耐火性能，采用HC烃类火灾升温曲线，试件制作时，采用36b热轧工字钢(截面系数为126m-1)作为实验基材，并设置试件热电偶，钢结构防火保护板的耐火极限以平均温度达到538℃的时间来计。
表1防火涂料性能
Figure BDA0003648678200000051
由实验看出，采用本发明改性水玻璃制得的蛭石防火保护板与普通水玻璃或简单共混改性水玻璃得到的防火保护板相比，耐水性具有明显的提高，同时，防火极限、干态抗弯强度都有明显的提升，现有技术中较为优秀的防火保护板要想达到超过3H的防火极限，一般板的厚度为30mm，而本发明的防火保护板在25mm时就达到了这一效果，而二氧化硅气凝胶的用量的增加会导致隔热性能有所上升。

Claims (9)

1.一种含二氧化硅气凝胶的钢结构蛭石防火保护板，其特征在于，由如下质量百分比的原料制备得到：水玻璃20-40％，膨胀蛭石50-60％，高岭土5-15％，珍珠岩5-10％，氢氧化铝5-10％，增强纤维4-10％，氟硅酸钠早强剂1-2％；各原料质量百分比之和为100％；
其制备方法由如下步骤组成：
步骤A：混合，将原料计量，在高速混合机内将上述原料混合均匀得到料浆；
步骤B：压制成型，将步骤A制得的料浆利用模具压制成型，得到板坯；
步骤C：微波干燥定型，利用微波窑微波干燥定型，干燥时间为20-40分钟，最终得到厚度为20-40mm的防火保护板；
其中，所述水玻璃为改性水玻璃，其制备方法包括如下步骤：
(1)制备初步改性水玻璃：将有机硅烷、酸组成的改性剂对水玻璃进行共混化学改性，其中，有机硅烷为乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷；酸为有机酸与磷酸的混合酸，其中，有机酸选自丙烯酸或马来酸；
将水玻璃、酸和有机硅烷按照质量比：100：(2-6)：(5-10)，在pH值4-6的条件下进行搅拌共混；
其中，在共混反应进行到一半时，边搅拌边加入微米级二氧化硅气凝胶，以100质量份水玻璃计，微米级二氧化硅气凝胶的添加量为10-15重量份；
(2)制备有机硅改性聚氨酯丙烯酸酯：
在催化剂、溶剂和阻聚剂存在下，将异氰酸酯三聚体、含环氧官能团有机硅和羟基丙烯酸酯进行反应，其中，所述含环氧官能团有机硅为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷和/或3-缩水甘油醚氧丙基甲基二乙氧基硅烷；
异氰酸酯三聚体、含环氧官能团有机硅和羟基丙烯酸酯的质量比为：(4-6)：(1-1.5)：(4-6)；
(3)制备得到改性水玻璃：将步骤(1)-(2)分别得到的初步改性水玻璃和有机硅改性聚氨酯丙烯酸酯按照质量比10：(1-2)在添加引发剂的条件下进行有机无机自由基共聚反应，引发剂为过硫酸钠或过硫酸铵。
2.根据权利要求1所述的钢结构蛭石防火保护板，其特征在于，步骤(1)中的所述二氧化硅气凝胶D50直径为20-200μm。
3.根据权利要求2所述的钢结构蛭石防火保护板，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶D50直径为50-150μm。
4.根据权利要求1所述的钢结构蛭石防火保护板，其特征在于，所述羟基丙烯酸酯由甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯或甲基丙烯酸羟丁酯中的一种或多种组成。
5.根据权利要求1所述的钢结构蛭石防火保护板，其特征在于，其中，所述的异氰酸酯三聚体选自异佛尔酮二异氰酸酯三聚体、二环己基甲烷二异氰酸酯三聚体、六氢甲苯二异氰酸酯三聚体中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的钢结构蛭石防火保护板，其特征在于，所述步骤(2)反应温度为70-85℃，反应时间为2-3小时。
7.根据权利要求1所述的钢结构蛭石防火保护板，其特征在于，所述步骤(1)中的有机酸与磷酸的摩尔比为(6-4)：(4-6)。
8.根据权利要求1所述的钢结构蛭石防火保护板，其特征在于，所述步骤(1)中共混时，搅拌速度为600-1500r/min，时间为4-8小时。
9.根据权利要求1所述的钢结构蛭石防火保护板，其特征在于，所述制备防火保护板的步骤C中，干燥时间为20-30分钟，最终防火保护板厚度为25mm，防火保护板大小为1.2m*2.4m或1.2m*1.2m。
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