CN114853442A - 一种不同类型和粒径蛭石级配制成的钢结构防火保护板 - Google Patents

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Abstract

一种不同类型和粒径蛭石级配制成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10‑15％，膨胀蛭石70‑80％，高岭土1‑10％，珍珠岩1‑10％，氢氧化铝1‑10％，增强纤维1‑10％，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，所述膨胀蛭石由不同粒径的正常膨胀蛭石、不完全膨胀蛭石级配组成。

Description

一种不同类型和粒径蛭石级配制成的钢结构防火保护板
技术领域
本发明涉及一种不同类型和粒径蛭石级配制成的钢结构防火保护板，具体公开了不同粒径的正常膨胀蛭石、不完全膨胀蛭石级配组成的钢结构防火保护板，进而得到兼顾隔热耐火性能和干态抗弯性能的钢结构蛭石防火保护板。
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，防火隔热性能的关键填料膨胀蛭石仅仅不到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。
同时，我们也注意到，在目前市场应用中的高膨胀蛭石含量的钢结构防火板，一般膨胀蛭石含量不超过60％，如专利文献CN102173721 A，该发明中无机粘结剂水玻璃占比为40-61％，膨胀蛭石仅30-42％，含量有限，其实施例中，钠型水玻璃40％(固含量为30％，模数为3.0)、膨胀蛭石42％(松散堆积密度为130kg/m3)、高岭土16.5％和固化促进剂为氟硅酸钾1.5％，经目前测试，虽然具有一定的防火性，不燃，但其隔热性能一般，不符合市场上对钢结构防火保护板的隔热耐火性能的要求，究其原因还是其膨胀蛭石含量过少。虽然有少量文献和专利提到膨胀蛭石超过60％，如发明专利“蛭石复合注压型材料(CN1966452A)”以膨胀蛭石为主要原料(80％)，加入玻璃纤维短丝5％，合成胶(热固性树脂)14％，固化剂1％，在模具中挤压而成或连续滚压加温成型。但在实际生产中，研发人员发现由于蛭石含量过高，粘结剂含量过低，一般得到的干态抗弯强度不佳，不能满足市场对钢结构防火保护板对干态抗弯强度的要求。因此，总的说来，目前的钢结构蛭石防火保护板存在因此蛭石含量无法兼容隔热耐火性能和干态抗弯强度的要求。
本发明创新性地使用不同粒径的正常膨胀蛭石、不完全膨胀蛭石级配组成的钢结构防火保护板，实现了高含量的膨胀蛭石的防火保护板，进而得到兼顾隔热耐火性能和干态抗弯性能的钢结构蛭石防火保护板。
发明内容
本发明提供一种不同类型和粒径蛭石级配制成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10-15％，膨胀蛭石70-80％，高岭土1-10％，珍珠岩1-10％，氢氧化铝1-10％，增强纤维1-10％，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，膨胀蛭石为不同粒径的膨胀蛭石级配组成，以重量计：粒径1-3mm：25-30％；粒径0.5-1mm：28-32％；粒径0.25-0.5mm：33-37％；粒径0.25mm以下：5-8％，所述粒径为0.25-0.5mm和粒径为0.25mm以下的膨胀蛭石为不完全膨胀蛭石，堆积密度为800-1200kg/m3，而粒径为1-3mm和粒径为0.5-1mm为普通的膨胀蛭石，密度为80-200kg/m3。
所述不完全膨胀蛭石的制备方法为取蛭石原料进行除杂，并投入到温度为500-1000℃的回转炉中，加热膨胀10-20秒，出料后得到不完全膨胀蛭石，确保其堆积密度为800-1200kg/m3。
所述不完全膨胀蛭石的制备方法，回转炉工作温度为500-800℃。
所述不完全膨胀蛭石的制备方法，加热膨胀时间为12-15s。
所述不完全膨胀蛭石的制备方法，加热膨胀时间为13s。
所述不完全膨胀蛭石的堆积密度为900-1100kg/m3。
所述不完全膨胀蛭石的堆积密度为950-1050kg/m3。
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。
其中，水玻璃可以是普通水玻璃或改性水玻璃
所述改性水玻璃的制备方法如下：
(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，达到了70％，甚至80％，这关键的手段是本发明采用不同粒径的正常膨胀蛭石、不完全膨胀蛭石级配组成关键的膨胀蛭石，以重量计：粒径1-3mm：25-30％；粒径0.5-1mm：28-32％；粒径0.25-0.5mm：33-37％；粒径0.25mm以下：5-8％，所述粒径0.25-0.5mm和粒径为0.25mm以下的膨胀蛭石为不完全膨胀蛭石堆积密度为800-1200kg/m3，而粒径为1-3mm和粒径为0.5-1mm为普通的膨胀蛭石密度，密度为80-200kg/m3。相较于目前大多数厂家通过2级粒径级配，发明人在科研中发现可以通过更为科学细致的4级粒径的级配方式，可以最大限度的提高膨胀蛭石的含量，而不大幅度降低干态抗弯强度。其次，发明人还独创性的研究发现，采用粒径较小的不完全膨胀蛭石，防火极限有大幅度提高，据分析推测，有可能是采用粒径较小的不完全膨胀蛭石，使得单位体积内具有更多的膨胀蛭石，且火灾或防火测试后期，当防火板内部也出现400℃以上的高温时，散布在普通膨胀蛭石间粒径较小的不完全膨胀蛭石也开始逐渐膨胀，进一步挤占大粒径和小粒径膨胀蛭石间的空隙，进而提高隔热性能，但这已经是燃烧阶段的后期，与前期正常状态的干态抗弯强度无直接关系。
另外，本发明的防火板轻量化且大幅度提高隔热性。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)本发明可以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)改性水玻璃中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)改性水玻璃中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)改性水玻璃中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)改性水玻璃中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不同类型和粒径蛭石级配制成的钢结构防火保护板
防火保护的原料配方按质量比为：水玻璃12％，膨胀蛭石80％，高岭土2％，珍珠岩2％，氢氧化铝2％，增强纤维1％，氟硅酸钠早强剂1％，其中，膨胀蛭石为不同粒径的膨胀蛭石级配组成，以重量计：粒径1-3mm：28％；粒径0.5-1mm：30％；粒径0.25-0.5mm：35％；粒径0.25mm以下：7％，所述粒径0.25-0.5mm和粒径为0.25mm以下的膨胀蛭石为不完全膨胀蛭石，堆积密度为1000kg/m3，而粒径为1-3mm和粒径为0.5-1mm为普通的膨胀蛭石，堆积密度为150kg/m3。
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。
实施例2采用改性水玻璃制备不同类型和粒径蛭石级配制成的钢结构防火保护板
将实施例1中的普通水玻璃替换成改性水玻璃A，其他不变。
制备改性水玻璃A
(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。
对比例3：将实施例3中的不完全膨胀蛭石替换为密度为150kg/m3的普通膨胀蛭石，即所有蛭石均为普通膨胀蛭石，其他不变。
对比例4：膨胀蛭石由粒径1-3mm：58％和粒径0.25-0.5mm：42％的不同粒径的膨胀蛭石级配而成，其中前者为密度为150kg/m3的普通膨胀蛭石，后者为堆积密度为1000kg/m3的不完全膨胀蛭石。
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火性能、干态抗弯强度进行测试。
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
蛭石防火保护板 防火极限 干态抗弯强度
实施例1 3.9h 13.4
实施例2 4.2h 13.7MPa
对比例3 2.6h 13.2MPa
对比例4 3.0h 11.2MPa
由实验看出，采用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，达到了80％，这使得该防火保护板的耐火记性较以往具有大幅度的提高，虽然其干态抗弯略有下降，但基本保持了正常的干态抗弯强度。

Claims (9)

1.一种不同类型和粒径蛭石级配制成的钢结构防火保护板，其特征在于，由包括如下质量比的原料制备得到：水玻璃10-15％，膨胀蛭石70-80％，高岭土1-10％，珍珠岩1-10％，氢氧化铝1-10％，增强纤维1-10％，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，膨胀蛭石为不同粒径的膨胀蛭石级配组成，以重量计：粒径1-3mm：25-30％；粒径0.5-1mm：28-32％；粒径0.25-0.5mm：33-37％；粒径0.25mm以下：5-8％，所述粒径为0.25-0.5mm和粒径为0.25mm以下的膨胀蛭石为不完全膨胀蛭石，堆积密度为800-1200kg/m3，而粒径为1-3mm和粒径为0.5-1mm的膨胀蛭石为普通的膨胀蛭石，密度为80-200kg/m3。
2.根据权利要求1所述的钢结构防火保护板，其特征在于，所述不完全膨胀蛭石的制备方法为取蛭石原料进行除杂，并投入到温度为500-1000℃的回转炉中，加热膨胀10-20秒，出料后得到不完全膨胀蛭石，确保其堆积密度为800-1200kg/m3。
3.根据权利要求2所述的钢结构防火保护板，其特征在于，所述不完全膨胀蛭石的制备方法，回转炉工作温度为500-800℃。
4.根据权利要求2所述的钢结构防火保护板，其特征在于，所述不完全膨胀蛭石的制备方法，加热膨胀时间为12-15s。
5.根据权利要求2所述的钢结构防火保护板，其特征在于，所述不完全膨胀蛭石的制备方法，加热膨胀时间为13s。
6.根据权利要求1所述的钢结构防火保护板，其特征在于，所述不完全膨胀蛭石的堆积密度为900-1100kg/m3。
7.根据权利要求1所述的钢结构防火保护板，其特征在于，所述不完全膨胀蛭石的堆积密度为950-1050kg/m3。
8.根据权利要求1所述的钢结构防火保护板，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。
9.根据权利要求1所述的钢结构防火保护板，其特征在于，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，搅拌速度为600-1500r/min，时间为4-8小时；有机酸与磷酸的摩尔比为(6-4)：(4-6)；
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直径为20-200μm；
(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，反应温度为70-85℃，反应时间为2-3小时，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。
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