TWI733178B

TWI733178B - 環保防火材

Info

Publication number: TWI733178B
Application number: TW108130902A
Authority: TW
Inventors: 張祖恩; 施百鴻; 張益國; 呂東璇; 戴浩安; 潘祈臻
Original assignee: 國立成功大學
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2019-09-23
Publication date: 2021-07-11
Also published as: TW202112705A

Abstract

本發明環保防火材，其包含有一鋼鐵爐碴、鹼劑、發泡劑、拌合後形成一漿體，且該漿體元素包括有矽元素為25%~27%，鈣元素為54%~56%，鋁元素為14~16%，鈉元素為3~5%；其中，該鋼鐵爐碴包括有一80%重量百分比之水淬高爐石粉，以及一1~20%重量百分比之還原碴；因此，透過上述之配比，使該鋼鐵爐碴、發泡劑拌合後，再加入鹼劑混合即可形成一具膠結性之漿體，不須額外加熱或加壓下，即可自凝固成而形成一環保防火材，如此，將能有效將該工業副產物轉換成一資源再回收利用外，同時生產過程亦兼具環保且低耗能等功效。

Description

環保防火材

本發明係有關於一種防火材材料，特別是一種使用工業副產物製作而成之環保防火材。

隨著人類生活水準的提高及對生命財產的重視，火災的預防變得愈來愈重要，高防火性的防火材料開發為重要課題，而現有技術中所採用的防火材，其主要為開採天然資源所得，且生產過程中需要高耗能加熱、燒結，而造成生產過程的二氧化碳的排放量增加，無論是開採天然資源或生產過程都是非常不環保的，且生產過程成本也相對提高，而隨著環保意識的抬頭，因此，如何於開發高防火性材料過程中，在原料、製程部分又符合低耗能等環保需求為首要之目標。

再者，在煉鋼過程中會產生大量的副產物，像電弧爐還原碴一年約會產生近40萬噸，若僅用傳統掩埋處理，將會對環境及土地帶來重大的衝擊及負荷，此外又因該還原碴會對混凝土體積穩定性造成負面影響，僅能少量使用於回填工程上，故再利用效果有限，因此，如何擴展還原碴的使用範圍，使該還原碴能達到資源再利用之效果。

因此，本發明之目的，是在提供一種環保防火材，其所利用之原料主要為工業副產物，同時生產過程亦具備低耗能、環保之功效。

於是，本發明環保防火材包含有一鋼鐵爐碴、鹼劑、發泡劑、拌合後形成一漿體，且該漿體元素包括有矽元素為25%~27%，鈣元素為54%~56%，鋁元素為14%~16%，鈉元素為3%~5%；其中，該鋼鐵爐碴包括有一80%重量百分比之水淬高爐石粉，以及一1~20%重量百分比之還原碴；另，該鹼劑添加量為佔該鋼鐵爐碴總量之27~39%重量百分比；至於，該發泡劑為一鋁粉，且以佔該鋼鐵爐碴總量之0.05%~0.2%重量百分比進行添加；故依據上述配比條件，藉由該發泡劑、水淬高爐石與還原碴拌合後，再加入鹼劑進行拌合而形成一具膠結性之漿體，故生產過程不須額外加熱或加壓，即可凝固成型，使該隔熱磚同時具有高抗壓、低熱傳導之功效，且有效將該工業副產物轉換成一資源再回收利用外，同時生產過程亦兼具環保且低耗能等功效。

圖1為本實驗例之吸水率及抗壓強度關係。

圖2為本實施例與比較例之熱傳導係數。

圖3為本實施例與比較例之背面溫度升溫曲線圖。

圖4為本實施例與比較例於一小時噴燒後之試體表面狀態。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地明白。

參閱圖1，本發明環保防火材之一較佳實施例，其包含有一鋼鐵爐碴、鹼劑、發泡劑、拌合後形成一漿體，且該漿體元素包括有矽元素為25%~27%，鈣元素為54%~56%，鋁元素為14%~16%，鈉元素為3~5%；其中，該鋼鐵爐碴包括有一80%重量百分比之水淬高爐石粉，以及一1~20%重量百分比之還原碴，而前述該水淬高爐石粉於本實施例中，其選用矽元素為25~48.6%，鈣元素為35.3%~45.75%，另，該環原碴選用範圍為矽元素為2.26~28.2%，鈣元素為31.71%~49.4%，鋁元素為11~12.65%，密度為2500~3000kg/m³，而前述該水淬高爐石粉與還原碴拌合所使用細度範圍為4000~5000cm²/g，而該還原碴與該水淬高爐石粉其主要用於製作膠結材料，經卜作嵐反應之材料，而產生類似水泥水化之膠結性物質。

仍續前述，該鹼劑為濃度45%重量百分比之氫氧化鈉，或者可為矽酸鈉，而該矽酸鈉可使用3號水玻璃，而本實施中該3號水玻璃成分包括有一8.15%重量百分比之Na2O，一26.18%重量百分比之SiO2及65.67%含水量所組成，而該鹼劑主要為提供鹼性環境，進而破壞材料中之Si-O-Si以及AL-O-Si間共價鏈使之斷開，重新鏈結以產生膠結與強度；另，該發泡劑為一鋁粉，其選用含鋁量為90~99%，而該發泡劑主要是提供漿體中孔隙，而其中的孔隙率越大則密度越小，導致熱傳導係數也越低，防火與隔熱能力也越高，當然相對的抗壓強度也越低。

仍續前述，本發明中更可適時加入有一穩泡劑，該穩泡劑係添加佔該鋼鐵爐碴總量0.01~0.5%重量百分比，而該穩泡劑可為十二烷基苯磺酸鈉(sodium dodecyl benzene sulfonate，簡稱SDBS)、三仙膠(Xanthan Gun)之其一，而其中該穩泡劑能克服漿體中高含鹼當量所導致的結構不穩定問題，其中該三仙膠屬於增稠劑會讓漿體變稠、流動性下降、效果類似降低水膠比所帶來的變化，並且能強化氣孔膜壁，導致較高的抗壓強度；另外，該十二烷基苯磺酸鈉屬於界面活性劑，其具有分散孔洞、讓大孔隙分散成小孔，因此可以導致較小之平均孔徑，依據鹼當量高低進行添加量調整，而本發明中之水膠比可控制在0.3~0.45，如該穩泡劑使用十二烷基苯磺酸鈉其添加重量百分比可控制在0.01~0.2%wt%，若使用三仙膠時其添加重量百分比可控制在0.5wt%為最佳。

為證明上述實驗例確實得以實施，且因加入越高比例之還原碴取代水淬高爐石粉時，其可能崩裂穩定之情形產生，其最高取代比例可為20%重量百分比，故本實驗例直接採用以最高比例的該還原碴取代該水淬高爐石粉的添加量20%為例，同時透過不同添加比例之鹼劑測試防火特性，其採用之實驗例資料如下：實驗配比主要以三個實驗例為準：各實施例中之鋼鐵爐渣成分(%為重量百分比)：

於各實施例中另外添加入該鋼鐵爐渣中之成份：

而上述配比所調製而成之各漿體成分含量如下表：

依據上述之參數，藉由調整水膠比與特定比例之穩泡劑製成不同密度之環保防火材，而本發明分別選用密度實驗例一為製成密度1000kg/m³、實驗例二為製成密度800kg/m³、實驗例三為製成密度600kg/m³支配比，測試其隔熱、防火等功能特性，並與市面上常見產品比較判斷其功能性之好壞。

參閱圖1，由圖1可以看到在實驗例一(密度1000kg/m³)的抗壓強度可以達10MPa，而實驗例二(密度800kg/m³)的抗壓強度約為4MPa，可符合ASTM C1693-09中AAC-4的抗壓規範4MPa，本實驗例三(密度600kg/m³)的抗壓強度為1MPa，而由於密度低其孔隙率較大，吸水率也越大；反之密度大者孔隙較少吸水率也較小，故其抗壓強度，本實驗例一至三皆具有不錯之抗壓強度。

參閱圖2，本實驗中以熱傳導試驗儀測試隔熱能力，並且加入比較例一(一般水泥)、與比較例二(水淬爐石粉+還原碴+鹼劑製成的混合材)，於本發明實驗例一至實驗例三之實驗結果，不同的密度其孔隙率隨著密度下降而上升，高孔隙率有利降低熱傳導係數，本發明實驗例三熱導熱係數僅為0.5324W/m．k，隨著密度從800kg/m³上升到1000kg/ m³，熱傳導係數也從0.6W/m．k，上升到0.9W/m．k，而比較例一(密度為2000kg/m³)的水泥其熱傳導係數為1.1613W/m．k，與比較例二(密度為2000kg/m³)之混合材，熱傳導係數約為1.1435W/m．k，皆比水泥的熱傳導係數來的低，顯示透過本發明之配比具有良好之隔熱能力，並且可以調整參數的調整可得較低密度且隔熱效果較佳的環保隔熱材。

參閱圖3，本發明以800℃火焰進行噴燒，測試本發明環保防火材與一般市售岩棉(60K)以及水泥(OPC)之防火能力，於圖3為背溫的溫度變化，可以看見岩棉升溫非常快速，在十分鐘後溫度已高達140℃，而本發明環保防火材皆升溫較慢經過十分鐘背溫皆未達45℃，其中密度較大者有較快的升溫速率，反之密度較小者升溫較慢且最終溫度也最低，OPC則是在開始噴燒數分鐘後即開始碎裂；配合參閱圖4顯示在持續一小時火焰噴燒下，岩棉表面開始熔解並開裂產生龜裂面，有文獻指出水泥在550℃即會失去強度，因此在使用800℃的火焰噴燒時很快就發生崩毀，而本發明環保防火材在火焰噴燒下並未有明顯受熱分解情形，僅在試體受熱表面殘留噴燒後之碳黑以及少量因噴燒所造成表面的裂痕，板材維持其整體穩定性；此外，最測試結果如下表：

表中可以看見經過一小時後本發明環保防火材的背溫都未超過100℃，本實驗例三密度為600kg/m³的溫度為62.5℃，而傳統認為隔熱效果良好的岩棉，在經過一小時噴燒後，溫度已高達155℃。顯示在使用火焰噴燒時，岩棉不具有隔熱及防火效果，而本發明環保防火材則仍有良好之隔熱及防火能力；是以，本發明透過使用該水淬高爐石粉、還原渣、鹼劑、發泡劑、拌合後形成一漿體後，所製造而成之環保防火材，其在原料上使用大量之工業副產物，除了能增加該工業副產物之利用外，也可以減少對天然資源之開採，同時生產過程也不需消耗熱能高溫燒結產製，藉以達到綠色環保之需求外，且製造而成之環保防火材也具備有優異之隔熱、防火效果。

歸納前述，本發明環保防火材，其包含有一鋼鐵爐碴、鹼劑、發泡劑、拌合後形成一漿體，且該漿體元素控制於矽元素為25%~27%，鈣元素為54%~56%，鋁元素為14%~16%，鈉元素為3%~5%；其中，該鋼鐵爐碴包括有一80%重量百分比之水淬高爐石粉，以及一1~20%重量百分比之還原碴；因此，透過上述之配比，不須額外加熱或加壓下，即可自凝固成而形成一環保防火材，如此，將能有效將該工業副產物轉換成一資源再回收利用外，同時生產過程亦兼具環保且低耗能等功效，故的確能達到本發明之目的。

惟以上所述者，僅為說明本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims

一種環保防火材，其包含有一鋼鐵爐碴、鹼劑、發泡劑、拌合後形成一漿體，且該漿體元素包括有下列組合之其一：27%矽元素、54%鈣元素、15%鋁元素、4%鈉元素或25%矽元素、56%鈣元素、14%鋁元素、5%鈉元素或26%矽元素、55%鈣元素、16%鋁元素、3%鈉元素；其中，該鋼鐵爐碴包括有一80%重量百分比之水淬高爐石粉，以及一1~20%重量百分比之還原碴；另，該鹼劑添加量為佔該鋼鐵爐碴總量之27~39%重量百分比；至於，該發泡劑為一鋁粉，且以佔該鋼鐵爐碴總量之0.05%~0.2%重量百分比進行添加。
根據申請專利範圍第1項所述環保防火材，該環保防火材更包含有一穩泡劑，該穩泡劑係添加佔該鋼鐵爐碴總量之0.01~0.5%重量百分比。
根據申請專利範圍第2項所述環保防火材，該穩泡劑為十二烷基苯磺酸鈉，其添加配比為佔該鋼鐵爐碴總量之0.01~0.2%重量百分比。
根據申請專利範圍第2項所述環保防火材，該穩泡劑為三仙膠，其添加配比為佔該鋼鐵爐碴總量之0.5%重量百分比。
根據申請專利範圍第1項所述環保防火材，其中，該水淬高爐石粉選用範圍為矽元素為25~48.6%，鈣元素為35.3%~45.75%，鋁元素為8.97%~11.64%，鐵元素為5%以下。
根據申請專利範圍第1項所述環保防火材，其中，該還原碴選用範圍為矽元素為2.26~28.2%，鈣元素為31.71%~49.4%，鋁元素為11~12.65%，密度為2500~3000kg/m³。
根據申請專利範圍第1項所述環保防火材，其中，該鹼劑為濃度45%重量百分比之氫氧化鈉。
根據申請專利範圍第1項所述環保防火材，其中，該鹼劑為矽酸鈉。
根據申請專利範圍第1項所述環保防火材，其中，該發泡劑為鋁粉且含鋁量為90~99%重量百分比。
根據申請專利範圍第1項所述環保防火材，其中，該漿體之水膠比可控制於0.3~0.45。