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绢云母改善钢结构防火涂料性能研究

浏览次数: 日期:2010年6月7日

摘 要:以绢云母为添加剂,来改善钢结构防火涂料的性能。研究了偶联剂改性绢云母的过程,以及改性云母对钢结构防火涂料的耐火极限、耐水性能、粘结强度的影响,通过扫描电镜观察了 绢云母在基体中的分散状况。研究表明,使用8% 的 JSC偶联剂改性后的绢云母具有较好的分散性;与不添加绢云母的钢结构防火涂料相比,绢云母的添加量,为12% 的钢结构防火涂料的性能有了较大的提高,其耐热极限由96℃提高到121℃,耐水极限由28h提高到47h,粘结强度由0.45MPa提高到1.44MPa。

关键词:绢云母;钢结构防火涂料;耐热极限;偶联剂

引 言: 现代大型建筑的主要承重构件大多依赖于坚固的钢材, 钢结构已经成为大型建筑的主要形式,但是, 钢结构建筑的耐火性能远比砖石结构和钢筋混凝土结构差。一般说来,钢材的机械强度是温度的函数,可以认为,钢材的机械强度随温度的升高而降低。当温度达到某一值时,钢材便失去承载能力,这一温度被定义为,钢材的临界温度,一般常用的建筑钢材的临界温度在540℃ 左右。对于建筑火灾,火场的温度大多在800~1200℃之间,在火灾发生的10min内,火场的温度即可达到700℃以上。对于裸露的钢材,在这样的火灾温场下,只要几分钟就可上升到500℃而达到临界值,使得承载能力失效并导致建筑物垮塌[1-2]。为解决钢结构建筑的耐火问题,常用的方法是采用防火涂料涂覆[3]。但是国产钢结构防火涂料普遍存在价位高、装饰性差及耐火能力不强等缺点,其应用更是受到了极大的限制[4]。为了克服钢结构防火涂料的上述缺点,一般采用制备新型钢结构防火涂料和对传统防火涂料进行改性等办法加以解决。绢云母属云母类矿物,结构呈二八面体,即由两层硅氧四面体和一层铝氧八面体构成四面体的顶,氧(活性氧)与附加阴离子(OH-)位于两层六面网中央,构成活性结晶水基团,(001)解理完全,可劈成极薄的片状,因此,具有高模量(1.8×105Pa)、径厚比大等优点,可以起到二维增强作用,因而广泛应用于改性研究中[5]。本文以聚乙烯醇、丙烯酸树脂和磷酸三聚氰胺为主要原料制备了新型超薄型钢结构防火涂料,并采用纳米TiO2、ZnO晶须等纳米粒子对其进行了改性研究[6-9]。采用偶联剂对绢云母进行表面改性,再将改性后的绢云母添加到钢结构防火涂料中以提高防火涂料的耐热极限、耐水性能、粘结强度,使涂料具有更好的使用性能。

1.实验

1.1主要原材料

    钢结构防火涂料:自制,当涂层厚度为2mm 时耐火极限为96min, 耐水极限28h, 粘结强度0.45MPa;绢云母:市售,d=40μm,结构呈二八面体;KH550、KH560(硅烷偶联剂)、NTC401、CT136、JSC(钛酸酯偶联剂)。

1.2样品制备

    绢云母的改性:室温下,用乙醇将偶联剂稀释后加入绢云母,超声波分散20min,抽滤并干燥样品后备用。将改性绢云母按一定配比与防火涂料于高速搅拌机内混合后采用超声波处理2h,在钢板上涂刷3次,晾干后制得待测样品。

1.3性能测试

    涂料性能按GB/T14907—2002进行测试;用JSM—5900LV电子扫描电镜观察涂层断面形态。

2.结果与讨论

2.1不同偶联剂对绢云母活化指数的影响

    为了选择对绢云母进行改性的最佳偶联剂,试验将NTC401、CT136、JSC、KH550、KH560等5种偶联剂以5% 的用量,分别对绢云母进行表面改性。将改性后的样品进行活化指数测定,试验方法是:分别称取一定量的改性后的样品,加入盛有一定量蒸馏水的烧杯中,充分搅拌并静置1小时以上,然后将沉降于烧杯底部的物料分离,干燥后称质量(m2)。用原样质量(m1)减去其沉降部分质量, 即可得到样品中漂浮部分的质量(m1-m2),粉体的活化指数R=(m1-m2)/m1,实验结果如图1所示。

                         1 5种偶联剂对绢云母活化指数的影响

    从图1 可以看出,在5种偶联剂中,钛酸酯偶联剂JSC对绢云母的活化指数为0.996,粉体基本上不被水所浸润,而CT136和KH550的改性效果则较差。因此,本文研究了采用JSC对绢云母进行表面改性。

2.2 JSC偶联剂用量对绢云母活化指数的影响

    选择对绢云母改性效果较好的偶联剂JSC,考察偶联剂用量对绢云母改性效果的影响,实验结果如图2所示。

                       图2 JSC用量对绢云母活化指数的影响

    从图2 可以看出,对绢云母而言,随着偶联剂用量的增加,绢云母的改性效果越好,当偶联剂用量超过8% 时,活化指数上升趋势不明显,说明偶联剂对绢云母的改性效果已经趋于完全,因此,适宜的偶联剂用量为绢云母质量的8%。

2.3绢云母用量对防火涂料性能的影响

    为了考察绢云母用量对防火涂料性能的影响,实验中分别添加1%、2%、3%、4%、5%和6%的改性绢云母与防火涂料共混后用超声波处理2h,并与未加绢云母的防火涂料进行对比。分别测定了涂料的耐热极限、耐水极限、粘结强度等物理指标,测试结果见表1。

                                 表1 绢云母用量对涂料性能的影响

    从表1 中的数据可以看出, 改性绢云母的添加可极大地提高涂料的各项性能。未添加绢云母的防火涂料的耐热极限仅为96℃,耐水极限只有28h,粘结强度只有0.45MPa。而添加12%的改性绢云母后,其耐热极限提高了25℃,达到了121℃,耐水极限提高了19h,达到47h以上,粘结强度提高了1倍以上,达1.44MPa。10%的添加量与12%的添加量相比,涂料的改善不明显,因此可以选择改性绢云母的添加量为10%~12%。

2.4防火涂料断面形貌及绢云母的作用

    图3 为钢结构防火涂料的扫描电镜照片。图3(a)为添加8%未改性绢云母的钢结构防火涂料放大1000倍的照片,图3(b)为添加8%改性绢云母的钢结构防火涂料放大1000倍的扫描电镜照片,图中显示出,防火涂料为连续相,绢云母为分散相。

                                    图3 防火涂料断面的扫描图片

    众所周知,影响无机物在涂料基体中的分散性能的主要因素是,无机粒子之间的团聚力,以及无机粒子与树脂基体之间的浸润性和颗粒在分散过程中所受的剪切力。从图3(a)、(b)中可以看出,未经偶联剂改性处理的绢云母,在防火涂料中分散不均匀,出现严重的团聚现象;经偶联剂改性处理的绢云母与钢结构防火涂料的界面粘接紧密, 分散相粒子尺寸减小及分布性提高,使大量细小的粒子粘附并镶嵌在钢结构防火涂料基体中, 绢云母在钢结构防火涂料中的镶嵌保证了绢云母对钢结构防火涂料的增强增韧作用。从SEM照片可以看出,防火涂料表面的云母都基本是形成平行于涂料表面的整齐排列。这种高度取向的结果,不但可以,赋予防火涂料相对均匀的强度和模量,而且限制了涂料的不均匀收缩。所以防火涂料在耐热极限、粘结强度和耐水极限等方面都有了大幅度的提高。

3.结语

    为了提高钢结构防火涂料的耐热极限、耐水极限和黏结强度等性能,采用偶联剂对绢云母进行表面改性,并使用改性后的绢云母改善钢结构防火涂料的力学性能和热学性能,得出以下结论。

    (1) 偶联剂可极大地改善云母的分散性能,在NTC401、CT136、JSC、KH550、KH560等5种偶联剂中,JSC偶联剂的改性效果最好,其适宜用量为云母的8%,相应的活化指数为0.976%。

    (2) 经绢云母改性后的钢结构防火涂料的各项性能都有较大幅度的提高,其适宜添加量为12%时,相应的耐火极限由96℃提高到121℃, 耐水极限由28h提高到47h,粘结强度由0.45MPa提高到1.44MPa。

    (3) SEM显示,改性绢云母在钢结构防火涂料中呈均匀分散状态,防火涂料表面的云母基本形成平行于涂料表面的整齐排列。这种高度取向的结果,不但可以,赋予防火涂料相对均匀的强度和模量,而且限制了涂料的不均匀收缩,从而大幅度地提高了防火涂料在耐热极限、粘结强度和耐水极限。

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