CN116003029A - 一种石墨相氮化碳防火涂料及其应用和应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及隧道防火材料技术领域，提供了一种石墨相氮化碳防火涂料及其应用和应用方法。该涂料包含下列质量份数的组分：碱激发水泥40～60份、可再分散乳胶粉2～4份、聚乙烯醇2～4份、膨胀蛭石11～14份、膨胀珍珠岩11～14份、海泡石5～7份、空心漂珠1～3份、氢氧化镁2～4份、氢氧化铝5～8份、g‑C3N40.5～2份。本发明提供的石墨相氮化碳防火涂料具备优异的防火性能、抗开裂性能、工作性能、抗渗性能以及优越的热稳定性和化学稳定性，黏结强度达到0.31MPa，耐火极限达到3.1h，可见光催化去除NOx的效率达到232μmol/(h·m2)。
Description
技术领域
本发明涉及隧道防火材料技术领域，尤其涉及一种石墨相氮化碳防火涂料及其应用和应用方法。
背景技术
在隧道防火涂料的制备过程中，会使用到大量的水泥材料，而普通硅酸盐水泥熟料的制备工艺“二磨一烧”会排放大量的二氧化碳，严重阻碍了“双碳”目标的实现。专利CN201310157218.3公开了一种隧道防火涂料，该涂料由地质聚合物、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、水镁石纤维、海泡石、羟甲基纤维素、脂肪醇磺酸盐引气剂组成，其中地质聚合物由硅灰、高岭土、钙基膨润土、氧化钙、碳酸钠、氯化钠、硫酸钠、低钙粉煤灰组成；该涂料具有粘结强度高、耐火性能优良等特点，但该涂料中地质聚合物成分较多，且制备方法较为复杂，不利于降低成本。专利CN201710401285.3公开了一种采用复合激发剂的碱矿渣隧道防火涂料及其制备方法，该涂料由矿渣、聚丙烯纤维、可再分散乳胶粉、聚乙烯醇、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、海泡石、空心漂珠、氢氧化镁、氢氧化铝组成，以水玻璃和中性钠盐作为复合激发剂；该涂料绿色环保且具有较高的粘结强度、较好的耐火性能和抗冻融性能，但水玻璃的添加会缩短防火涂料的干燥时间，影响正常施工。另一方面，随着工业化的进展，大量有害和有毒的污染物不断排放到环境中。其中，汽车尾气中氮氧化物(NOx)的大量排放不仅导致了各种环境问题，而且对人类健康也构成了威胁。随着NOx排放量的增大，传统的物理化学处理方法已很难满足现代社会的要求。因此，迫切需要开发一种能够降低碳排放，促进NOx净化的新型隧道防火涂料。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种石墨相氮化碳防火涂料及其应用和应用方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种石墨相氮化碳防火涂料，包含下列质量份数的组分：
碱激发水泥40～60份、可再分散乳胶粉2～4份、聚乙烯醇2～4份、膨胀蛭石11～14份、膨胀珍珠岩11～14份、海泡石5～7份、空心漂珠1～3份、氢氧化镁2～4份、氢氧化铝5～8份、g-C3N40.5～2份。
作为优选，所述碱激发水泥包含下列质量份数的组分：前驱体85～95份，碱激发剂5～15份；
所述前驱体中矿渣和镍渣的质量比为30～40：60～70；
所述碱激发剂中氢氧化钾和碳酸钠的质量比为40～50：50～60。
作为优选，所述可再分散乳胶粉的粒径为125～145目，比重为7.5～8.5mL/g；所述聚乙烯醇的粒径为90～110目。
作为优选，所述膨胀蛭石的粒径为0.5～2mm，所述膨胀蛭石的容重为480～580kg/m3；所述膨胀珍珠岩的粒径为2～4mm，所述膨胀珍珠岩的容重为65～85kg/m3；所述海泡石的容重为600～700kg/m3；所述空心漂珠的粒径为0.6～1.2mm，所述空心漂珠的容重为380～480kg/m3。
作为优选，所述氢氧化镁的平均粒径为65～85μm；所述氢氧化铝的平均粒径为12～18μm。
作为优选，所述g-C3N4的制备方法包含下列步骤：
将三聚氰胺和氯化铵混合，顺次进行煅烧和研磨，得到所述的g-C3N4。
作为优选，所述三聚氰胺和氯化铵的质量比为4～8：20～40；
所述煅烧的升温速率为2～4℃/min，所述煅烧的目标温度为500～600℃，到达目标温度的保温时间为3.5～4.5h；所述研磨的粒径为0.05～5μm。
本发明还提供了所述石墨相氮化碳防火涂料在隧道中的应用。
本发明还提供了所述石墨相氮化碳防火涂料在隧道中的应用方法，包含下列步骤：
将石墨相氮化碳防火涂料与水混合，顺次进行涂敷和养护，得到防火涂层。
作为优选，所述水与石墨相氮化碳防火涂料的质量比为70～90：100；所述防火涂层的厚度为18～22mm；所述养护的温度为18～22℃，所述养护的时间为26～30天。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一种石墨相氮化碳防火涂料，原料中未使用硅酸盐水泥，因此避免了在硅酸盐水泥生产过程中碳酸钙分解而造成的二氧化碳释放问题，减少了温室效应、降低了碳排放；本发明采用较便宜的氢氧化钾与碳酸钠复合激发剂代替了常用的NaOH激发剂，降低了成本；本发明采用较便宜的镍渣部分代替了矿渣，实现了对矿渣和镍渣的固废利用，减少了环境压力。
2、在本发明提供的石墨相氮化碳防火涂料中，复合激发剂中含有的K+，其活性较高，可以提高涂料的耐火性能；本发明提供的石墨相氮化碳防火涂料具备更优异的防火性能、抗开裂性能、工作性能、抗渗性能，且干燥收缩小；本发明提供的防火涂料具有更加优越的热稳定性和化学稳定性，对于强酸和强碱表现出更高的耐腐蚀性。
3、本发明提供了一种石墨相氮化碳防火涂料，由于镍渣的活性比矿渣低，水化产物生成速度较慢，不会大量包裹在g-C3N4表面，因此不会抑制g-C3N4的光催化效果；本发明提供的防火涂料具有优异的光催化性能，可以起到净化空气中NOx的效果，其反应条件温和(无温度和压力等特殊要求)、反应速度较快、稳定性较高，且反应过程中只消耗光子，具备良好的环境效益；本发明提供的防火涂料具有更高的可见光利用率，相比于只能在紫外光驱动下发生光催化反应的传统光催化剂TiO2，g-C3N4拓宽了对光谱的利用，有效实现了对可见光的响应和吸收，更适合用于隧道等非日照、高污染地区灯光照射下的空气净化。
4、本发明提供的石墨相氮化碳防火涂料黏结强度达到0.31MPa，耐火极限达到3.1h，可见光催化去除NOx的效率达到232μmol/(h·m2)。
具体实施方式
本发明提供了一种石墨相氮化碳防火涂料，包含下列质量份数的组分：
碱激发水泥40～60份、可再分散乳胶粉2～4份、聚乙烯醇2～4份、膨胀蛭石11～14份、膨胀珍珠岩11～14份、海泡石5～7份、空心漂珠1～3份、氢氧化镁2～4份、氢氧化铝5～8份、g-C3N40.5～2份。
在本发明中，碱激发水泥、可再分散乳胶粉和聚乙烯醇作为粘结材料；膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、海泡石和空心漂珠作为保温隔热材料；氢氧化镁和氢氧化铝作为助剂。所述聚乙烯醇优选为冷溶型聚乙烯醇。
在本发明中，碱激发水泥的质量份数为40～60份，优选为45～55份，更优选为48～52份。
在本发明中，可再分散乳胶粉的质量份数为2～4份，优选为2.5～3.5份，更优选为2.7～3.3份。
在本发明中，聚乙烯醇的质量份数为2～4份，优选为2.5～3.5份，更优选为2.7～3.3份。
在本发明中，膨胀蛭石的质量份数为11～14份，优选为12～13份，更优选为12.2～12.8份。
在本发明中，膨胀珍珠岩的质量份数为11～14份，优选为12～13份，更优选为12.2～12.8份。
在本发明中，海泡石的质量份数为5～7份，优选为5.5～6.5份，更优选为5.7～6.3份。
在本发明中，空心漂珠的质量份数为1～3份，优选为1.5～2.5份，更优选为1.7～2.3份。
在本发明中，氢氧化镁的质量份数为2～4份，优选为2.5～3.5份，更优选为2.7～3.3份。
在本发明中，氢氧化铝的质量份数为5～8份，优选为6～7份，更优选为6.2～6.8份。
在本发明中，g-C3N4的质量份数为0.5～2份，优选为1～1.5份，更优选为1.2～1.3份。
在本发明中，所述碱激发水泥包含下列质量份数的组分：前驱体85～95份，碱激发剂5～15份。
在本发明中，前驱体的质量份数优选为85～95份，进一步优选为87～93份，更优选为89～91份。
在本发明中，碱激发剂的质量份数优选为5～15份，进一步优选为7～13份，更优选为9～11份。
在本发明中，所述前驱体中矿渣和镍渣的质量比优选为30～40：60～70，进一步优选为32～38：62～68，更优选为34～36：64～66。
在本发明中，所述碱激发剂中氢氧化钾和碳酸钠的质量比优选为40～50：50～60，进一步优选为42～48：52～58，更优选为44～46：54～56。
在本发明中，所述可再分散乳胶粉的粒径优选为125～145目，进一步优选为130～140目，更优选为132～138目；比重优选为7.5～8.5mL/g，进一步优选为7.7～8.3mL/g，更优选为7.9～8.1mL/g；所述聚乙烯醇的粒径优选为90～110目，进一步优选为95～105目，更优选为98～102目。
在本发明中，所述膨胀蛭石的粒径优选为0.5～2mm，进一步优选为1～1.5mm，更优选为1.1～1.4mm；所述膨胀蛭石的容重优选为480～580kg/m3，进一步优选为500～560kg/m3，更优选为520～540kg/m3；所述膨胀珍珠岩的粒径优选为2～4mm，进一步优选为2.5～3.5mm，更优选为2.7～3.3mm；所述膨胀珍珠岩的容重优选为65～85kg/m3，进一步优选为70～80kg/m3，更优选为72～78kg/m3；所述海泡石的容重优选为600～700kg/m3，进一步优选为620～680kg/m3，更优选为640～660kg/m3；所述空心漂珠的粒径优选为0.6～1.2mm，进一步优选为0.8～1.0mm，更优选为0.85～0.95mm；所述空心漂珠的容重优选为380～480kg/m3，进一步优选为400～460kg/m3，更优选为420～440kg/m3。
在本发明中，所述氢氧化镁的平均粒径优选为65～85μm，进一步优选为70～80μm，更优选为72～78μm；所述氢氧化铝的平均粒径优选为12～18μm，进一步优选为14～16μm，更优选为14.5～15.5μm。
在本发明中，所述g-C3N4的制备方法包含下列步骤：
将三聚氰胺和氯化铵混合，顺次进行煅烧和研磨，得到所述的g-C3N4。
在本发明中，所述三聚氰胺和氯化铵的质量比优选为4～8：20～40，进一步优选为5～7：25～35，更优选为5.5～6.5：27～33。
在本发明中，煅烧结束后将样品取出，自然冷却后再进行研磨。
在本发明中，所述煅烧的升温速率优选为2～4℃/min，进一步优选为2.5～3.5℃/min，更优选为2.7～3.3℃/min；所述煅烧的目标温度优选为500～600℃，进一步优选为520～580℃，更优选为540～560℃；到达目标温度的保温时间优选为3.5～4.5h，进一步优选为3.7～4.3h，更优选为3.9～4.1h；所述冷却的目标温度优选为20～30℃，进一步优选为22～28℃，更优选为24～26℃；所述研磨的粒径优选为0.05～5μm，进一步优选为1～4.5μm，更优选为2～3.5μm。
本发明还提供了所述石墨相氮化碳防火涂料在隧道中的应用。
本发明还提供了所述石墨相氮化碳防火涂料在隧道中的应用方法，包含下列步骤：
将石墨相氮化碳防火涂料与水混合，顺次进行涂敷和养护，得到防火涂层。
在本发明中，所述混合优选为先将碱激发剂与水混合，然后再加入其它组分。
在本发明中，在涂敷前优选先进行基层清理和喷水湿润的工序。所述基层清理为将隧道内侧墙体表面上的浮尘、残渣、油渍清理干净；所述喷水湿润为将墙体表面喷水润湿，然后晾干至表面无水；所述涂敷的次数优选为2～4次，更优选为3次。
在本发明中，涂敷结束后，观察有无脱落的现象，若有脱落需要补刷，然后进行养护得到防火涂层。
在本发明中，所述水与石墨相氮化碳防火涂料的质量比优选为70～90：100，进一步优选为75～85：100，更优选为77～83：100；所述防火涂层的厚度优选为18～22mm，进一步优选为19～21mm，更优选为19.5～20.5mm；所述养护的温度优选为18～22℃，进一步优选为19～21℃，更优选为19.5～20.5℃；所述养护的时间优选为26～30天，进一步优选为27～29天，更优选为27.5～28.5天。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将6g三聚氰胺和30g氯化铵充分混合，以3℃/min的升温速率加热至550℃并保温4小时，保温结束后自然冷却至25℃，将样品进行研磨，得到粒径为0.1μm的g-C3N4；
将6kg碱激发剂(碱激发剂中氢氧化钾和碳酸钠的质量比为2：3)与80kg水混合，然后加入34kg前驱体(前驱体中矿渣和镍渣的质量比为2：3)，4kg比重为7.5mL/g，粒径为125目的可再分散乳胶粉，4kg粒径为90目的冷溶型聚乙烯醇，14kg粒径为0.5mm，容重为488kg/m3的膨胀蛭石，14kg粒径为2mm，容重为65kg/m3的膨胀珍珠岩，7kg容重为611kg/m3的海泡石，3kg粒径为0.6mm，容重为387kg/m3的空心漂珠，4kg平均粒径为65μm的氢氧化镁，8kg平均粒径为12μm的氢氧化铝，2kg粒径为0.1μm的g-C3N4，得到石墨相氮化碳防火涂料；
将隧道内侧墙体表面上的浮尘、残渣、油渍清理干净，在墙体表面喷水润湿，晾干至表面无水，然后将配制好的防火涂料人工涂刷在隧道内侧墙体表面上，分2次涂刷，观察有无脱落的现象，若有脱落需要进行补刷，最后在20℃下养护28天，得到厚度为19mm的防火涂层。
根据GB28375-2012《混凝土结构防火涂料》对本实施例所得石墨相氮化碳防火涂料的基本性能进行测定，并根据光催化净气的国际标准《ISO/DIS22197–1》，采用自制的可见光催化去除NOx的测试装置，评价石墨相氮化碳防火涂料的空气净化性能。得到本实施例所得石墨相氮化碳防火涂料的黏结强度为0.24MPa，耐火极限为3.1h，可见光催化去除NOx效率为232μmol/(h·m2)。
实施例2
将5g三聚氰胺和29g氯化铵充分混合，以3.5℃/min的升温速率加热至580℃并保温4.2小时，保温结束后自然冷却至27℃，将样品进行研磨，得到粒径为2.5μm的g-C3N4；
将5kg碱激发剂(碱激发剂中氢氧化钾和碳酸钠的质量比为9：11)与85kg水混合，然后加入45kg前驱体(前驱体中矿渣和镍渣的质量比为7：13)，3kg比重为8mL/g，粒径为135目的可再分散乳胶粉，3kg粒径为100目的冷溶型聚乙烯醇，13kg粒径为1mm，容重为531kg/m3的膨胀蛭石，13kg粒径为3mm，容重为75kg/m3的膨胀珍珠岩，6kg容重为656kg/m3的海泡石，2kg粒径为0.9mm，容重为434kg/m3的空心漂珠，3kg平均粒径为75μm的氢氧化镁，6kg平均粒径为15μm的氢氧化铝，1kg粒径为2.5μm的g-C3N4，得到石墨相氮化碳防火涂料；
将隧道内侧墙体表面上的浮尘、残渣、油渍清理干净，在墙体表面喷水润湿，晾干至表面无水，然后将配制好的防火涂料人工涂刷在隧道内侧墙体表面上，分3次涂刷，观察有无脱落的现象，若有脱落需要进行补刷，最后在19.5℃下养护27天，得到厚度为20mm的防火涂层。
根据GB28375-2012《混凝土结构防火涂料》对本实施例所得石墨相氮化碳防火涂料的基本性能进行测定，并根据光催化净气的国际标准《ISO/DIS22197–1》，采用自制的可见光催化去除NOx的测试装置，评价石墨相氮化碳防火涂料的空气净化性能。得到本实施例所得石墨相氮化碳防火涂料的黏结强度为0.27MPa，耐火极限为2.9h，可见光催化去除NOx效率为141μmol/(h·m2)。
实施例3
将7.5g三聚氰胺和36g氯化铵充分混合，以2.5℃/min的升温速率加热至520℃并保温3.7小时，保温结束后自然冷却至24℃，将样品进行研磨，得到粒径为5μm的g-C3N4；
将3kg碱激发剂(碱激发剂中氢氧化钾和碳酸钠的质量比为1：1)与75kg水混合，然后加入57kg前驱体(前驱体中矿渣和镍渣的质量比为3：7)，2kg比重为8.5mL/g，粒径为145目的可再分散乳胶粉，2kg粒径为110目的冷溶型聚乙烯醇，11kg粒径为2mm，容重为576kg/m3的膨胀蛭石，11kg粒径为4mm，容重为85kg/m3的膨胀珍珠岩，5kg容重为696kg/m3的海泡石，1kg粒径为1.2mm，容重为472kg/m3的空心漂珠，2kg平均粒径为85μm的氢氧化镁，5.5kg平均粒径为18μm的氢氧化铝，0.5kg粒径为5μm的g-C3N4，得到石墨相氮化碳防火涂料；
将隧道内侧墙体表面上的浮尘、残渣、油渍清理干净，在墙体表面喷水润湿，晾干至表面无水，然后将配制好的防火涂料人工涂刷在隧道内侧墙体表面上，分2次涂刷，观察有无脱落的现象，若有脱落需要进行补刷，最后在20.5℃下养护28.5天，得到厚度为21mm的防火涂层。
根据GB28375-2012《混凝土结构防火涂料》对本实施例所得石墨相氮化碳防火涂料的基本性能进行测定，并根据光催化净气的国际标准《ISO/DIS22197–1》，采用自制的可见光催化去除NOx的测试装置，评价石墨相氮化碳防火涂料的空气净化性能。得到本实施例所得石墨相氮化碳防火涂料的黏结强度为0.31MPa，耐火极限为2.7h，可见光催化去除NOx效率为87μmol/(h·m2)。
对比例1
将3kg碱激发剂(碱激发剂中氢氧化钾和碳酸钠的质量比为1：1)与75kg水混合，然后加入57kg前驱体(前驱体中矿渣和镍渣的质量比为3：7)，2kg比重为8.5mL/g，粒径为145目的可再分散乳胶粉，2kg粒径为110目的冷溶型聚乙烯醇，11kg粒径为2mm，容重为576kg/m3的膨胀蛭石，11kg粒径为4mm，容重为85kg/m3的膨胀珍珠岩，5kg容重为696kg/m3的海泡石，1kg粒径为1.2mm，容重为472kg/m3的空心漂珠，2kg平均粒径为85μm的氢氧化镁，5.5kg平均粒径为18μm的氢氧化铝，0.5kg二氧化钛，得到二氧化钛防火涂料；
将隧道内侧墙体表面上的浮尘、残渣、油渍清理干净，在墙体表面喷水润湿，晾干至表面无水，然后将配制好的防火涂料人工涂刷在隧道内侧墙体表面上，分2次涂刷，观察有无脱落的现象，若有脱落需要进行补刷，最后在20.5℃下养护28.5天，得到厚度为21mm的防火涂层。
根据GB28375-2012《混凝土结构防火涂料》对本对比例所得二氧化钛防火涂料的基本性能进行测定，并根据光催化净气的国际标准《ISO/DIS22197–1》，采用自制的可见光催化去除NOx的测试装置，评价二氧化钛防火涂料的空气净化性能。得到二氧化钛防火涂料的黏结强度为0.29MPa，耐火极限为2.6h，可见光催化去除NOx效率为57μmol/(h·m2)。
由以上实施例可知，本发明提供了一种石墨相氮化碳防火涂料，具备优异的防火性能、抗开裂性能、工作性能、抗渗性能以及优越的热稳定性和化学稳定性，黏结强度达到0.31MPa，耐火极限达到3.1h，可见光催化去除NOx的效率达到232μmol/(h·m2)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种石墨相氮化碳防火涂料，其特征在于，包含下列质量份数的组分：
碱激发水泥40～60份、可再分散乳胶粉2～4份、聚乙烯醇2～4份、膨胀蛭石11～14份、膨胀珍珠岩11～14份、海泡石5～7份、空心漂珠1～3份、氢氧化镁2～4份、氢氧化铝5～8份、g-C3N40.5～2份。
2.如权利要求1所述的石墨相氮化碳防火涂料，其特征在于，所述碱激发水泥包含下列质量份数的组分：前驱体85～95份，碱激发剂5～15份；
所述前驱体中矿渣和镍渣的质量比为30～40：60～70；
所述碱激发剂中氢氧化钾和碳酸钠的质量比为40～50：50～60。
3.如权利要求1或2所述的石墨相氮化碳防火涂料，其特征在于，所述可再分散乳胶粉的粒径为125～145目，比重为7.5～8.5mL/g；所述聚乙烯醇的粒径为90～110目。
4.如权利要求3所述的石墨相氮化碳防火涂料，其特征在于，所述膨胀蛭石的粒径为0.5～2mm，所述膨胀蛭石的容重为480～580kg/m3；所述膨胀珍珠岩的粒径为2～4mm，所述膨胀珍珠岩的容重为65～85kg/m3；所述海泡石的容重为600～700kg/m3；所述空心漂珠的粒径为0.6～1.2mm，所述空心漂珠的容重为380～480kg/m3。
5.如权利要求4所述的石墨相氮化碳防火涂料，其特征在于，所述氢氧化镁的平均粒径为65～85μm；所述氢氧化铝的平均粒径为12～18μm。
6.如权利要求1、4和5中任意一项所述的石墨相氮化碳防火涂料，其特征在于，所述g-C3N4的制备方法包含下列步骤：
将三聚氰胺和氯化铵混合，顺次进行煅烧和研磨，得到所述的g-C3N4。
7.如权利要求6所述的石墨相氮化碳防火涂料，其特征在于，所述三聚氰胺和氯化铵的质量比为4～8：20～40；
所述煅烧的升温速率为2～4℃/min，所述煅烧的目标温度为500～600℃，到达目标温度的保温时间为3.5～4.5h；所述研磨的粒径为0.05～5μm。
8.权利要求1～7任意一项所述石墨相氮化碳防火涂料在隧道中的应用。
9.权利要求1～7任意一项所述石墨相氮化碳防火涂料在隧道中的应用方法，其特征在于，包含下列步骤：
将石墨相氮化碳防火涂料与水混合，顺次进行涂敷和养护，得到防火涂层。
10.如权利要求9所述的应用方法，其特征在于，所述水与石墨相氮化碳防火涂料的质量比为70～90：100；所述防火涂层的厚度为18～22mm；所述养护的温度为18～22℃，所述养护的时间为26～30天。
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