一种钢结构防火涂料及其制备方法、使用方法与流程

1.本发明涉及涂料技术领域，尤其涉及一种钢结构防火涂料及其制备方法、使用方法。


背景技术：

2.近几十年，我国钢材产量快速增长，钢结构加工制造技术逐渐成熟，为钢结构建筑提供了前提。钢结构具有强度高、自重轻、抗震性好、安装施工快捷等一系列优点，被越来越多应用于高层建筑、大跨度结构和轻型结构等，但防火性差是其致命的缺陷，一旦遇到火灾，未采取防火保护措施的建筑钢结构会迅速坍塌。在建筑钢结构的各种防火保护措施中，在其表面涂覆各类防火涂料是较为简单易行、可靠和经济实用的方法，可明显提高钢构件的耐火极限。
3.钢结构防火涂料按所用基料的性质可分为有机型、无机型和有机无机复合型三类。无机非膨胀型防火涂料以厚型为主，其厚度在8～50mm范围内变化，遇火时依靠涂料中的绝热材料阻止热的传递来保护基材；该类涂料多为无机水溶性涂料，耐火极限较高，燃烧时不产生有毒气体和烟雾，且无机组份抵抗外界环境的长期侵蚀作用较好，环境友好性和耐久性均优于有机防火涂料。无机水性防火涂料的粘结剂是影响无机水性防火涂料综合性能的主要因素，目前常用的粘结剂有硅酸盐系、铝酸盐系和磷酸盐系列。硅酸盐系列粘结剂的粘结强度高，耐热、耐水性能较好，但耐碱性能较差，且固化温度较高；用铝酸盐系列作为粘结剂则存在铝酸盐水化产物易产生晶型转变的问题，导致使用状态下强度失效等；相比而言，磷酸盐系列胶粘剂具有耐水性好，固化收缩率小和高温强度高等优点，但仍存在低温固化、不便于保存和成本高等问题。
4.磷酸钾镁胶粘剂(mkpc)类属磷酸盐胶粘剂系列，由碱组份死烧氧化镁、酸组份钾磷酸盐和助剂等按照一定比例制成，其在酸性条件下通过酸碱化学反应及物理作用生成磷酸盐为黏结相，且在常温下通过化学键结合，具备常温固化、快硬、高早强、高体积稳定性、粘结性强等特点。mkpc的快硬、高早强特性可弥补硅酸盐类胶粘剂固化时间长和需养护的缺陷，mkpc中的可溶性磷酸盐可与钢结构表面的铁元素结合形成一层致密的磷酸铁类化合物保护层，既可保护钢结构表面的锈蚀，又增强了涂料在钢结构表面的附着力，可克服无机厚型涂料与基层附着力差和易剥落的缺陷，mkpc的常温固化特点使其优于其他磷酸盐类胶粘剂，mkpc的主要原料死烧氧化镁粉本身就是耐火材料，其硬化体具有较好的防火耐高温性能。但是，mkpc基材料对水胶比非常敏感，若水胶比过大，在制备mkpc基材料浆体时易出现分层、离析的情况，导致其胶凝性水化产物与未反应的氧化镁颗粒之间不能及时形成网状结构，造成硬化体表面膨胀和强度严重衰减。膨胀珍珠岩呈蜂窝结构，具有化学性能稳定、导热系数低等特点，是很理想的隔热保温材料，可用作防火涂料的轻质填料。但膨胀珍珠岩分子容易极化至氢键，呈亲水特性，多孔性和亲水性导致其吸水率较高。在与无机胶粘剂粉料混合搅拌制浆过程中，膨胀珍珠岩的高吸水率会导致满足施工稠度要求的水性无机防火涂料浆体的高水灰比和硬化体的结构缺陷。
5.基于目前钢结构防火涂料存在的问题，有必要对此进行改进。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种钢结构防火涂料及其制备方法、使用方法，以解决上述问题或者至少部分地解决上述问题。
7.第一方面，本发明提供了一种钢结构防火涂料，包括以下重量份原料：58～70份的磷酸钾镁胶粘剂、3～7份的改性助剂、30～40份的填料以及0.5～1份的增韧组分；
8.所述填料包括以下质量分数的组分：70～75％的白刚玉砂、25～30％的表面改性处理的膨胀珍珠岩散料；
9.其中，表面改性处理的膨胀珍珠岩散料的制备方法为：
10.将异丁基三乙氧基硅烷加入至水中制备得到硅烷浸渍液；
11.将硅烷浸渍液喷洒至膨胀珍珠岩散料表面，静置后，干燥，即得表面改性处理的膨胀珍珠岩散料。
12.优选的是，所述的钢结构防火涂料，所述改性助剂由石英粉、二氧化钛和引气剂组成，所述石英粉、二氧化钛和引气剂的质量比为(85～90):(5～10):(2.5～5)。
13.优选的是，所述的钢结构防火涂料，所述增韧组分由可再分散乳胶粉和玻璃纤维组成，所述可再分散乳胶粉和玻璃纤维的质量比为(45～55):(45～55)。
14.优选的是，所述的钢结构防火涂料，所述石英粉中二氧化硅的质量含量为95～99％，所述石英粉的粒径为70～160μm。
15.优选的是，所述的钢结构防火涂料，所述硅烷浸渍液的质量浓度为8～12％。
16.优选的是，所述的钢结构防火涂料，将硅烷浸渍液喷洒至膨胀珍珠岩散料表面，静置后，干燥的步骤中，静置时间为10～15h，干燥温度为50～70℃、时间为45～55h；
17.所述硅烷浸渍液与所述膨胀珍珠岩散料的质量比为(3～5):1。
18.优选的是，所述的钢结构防火涂料，所述膨胀珍珠岩散料中sio2的质量含量为70～75％、al2o3的质量含量为11～14％；所述膨胀珍珠岩散料烧失量不大于4％；所述膨胀珍珠岩散料的粒径为1～3mm，堆积密度≤100kg/m3、导热系数≤0.056w/(m
·
k)。
19.优选的是，所述的钢结构防火涂料，所述可分散性乳胶粉的ph值为5～7、平均粒径为60～100μm、粘度为0.5～2mpa.s；
20.所述玻璃纤维的直径为18～32μm、长度为3-6mm。
21.第二方面，本发明还提供了一种所述的钢结构防火涂料的制备方法，包括以下步骤：
22.于10～30℃、相对湿度为40～70％下，将磷酸钾镁胶粘剂、改性助剂、白刚玉砂和增韧组分混合得到混合物；
23.然后向混合物中加水，搅拌后，再加入表面改性处理的膨胀珍珠岩散料，边搅拌并再次加水，即得钢结构防火涂料。
24.第三方面，本发明还提供了一种所述的钢结构防火涂料或所述的制备方法制备得到的钢结构防火涂料的使用方法，包括以下步骤：
25.将钢结构防火涂料涂覆于基材表面达到规定厚度并形成防火涂层；其中，每次涂覆厚度为3～5mm厚，每两次涂覆间隔为1～3h，经过多次涂覆至达到规定厚度。
26.本发明的一种钢结构防火涂料及其制备方法，相对于现有技术具有以下有益效果：
27.1、本发明的钢结构防火涂料，由磷酸钾镁胶粘剂(mkpc)、改性助剂、填料以及增韧组分组成，其中，填料由白刚玉砂和表面改性处理的膨胀珍珠岩散料组成；用白刚玉砂作填料，可提高涂料的抗压强度和耐火性能；用膨胀珍珠岩散料作填料，可降低涂料的干密度、提高其隔热能力；进一步的，膨胀珍珠岩散料通过硅烷浸渍液进行表面改性处理，经过表面改性处理的膨胀珍珠岩散料表面憎水，经过改性后的膨胀珍珠岩散料筒压强度变大、而吸水率则大大降低，这样其在与磷酸钾镁胶粘剂粉料混合搅拌制浆过程中，膨胀珍珠岩的低吸水率不会导致满足施工稠度要求的水性无机防火涂料浆体的高水灰比和硬化体的结构缺陷；本技术的钢结构防火涂料具有常温固化、固化时间可控、硬化迅速和硬化过程体积稳定性好的特点，其与钢基体附着力强、耐久性好和耐火极限高；
28.2、本发明的钢结构防火涂料，通过采用石英粉、引气剂作为肋剂，可调节粉料颗粒级配、改善涂料的保水性、触变性，降低其干密度和导热系数；增韧组分由可再分散乳胶粉和玻璃纤维组成，通过掺适量可再分散乳胶粉和乱向短切玻璃纤维，可改善涂料的脆性和抗裂性能，增加涂料硬化体的韧性；
29.3、本发明的钢结构防火涂料的制备方法，制备工艺简单，可在常温下施工，钢结构防火涂料在20-60min内可保证良好的和易性，在施工现场可以方便地对钢设施涂抹和二次修补。涂料浆体的工作性能良好，表干时间短，可大幅度提高施工效率；在生产、施工和燃烧过程均不会产生有毒、有害气体污染环境。施工完成后涂层能够在正常大气环境下自主实现固化，以免需要专门的固化设备与加热工艺，涂料与钢基体附着力强，耐火性能高。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
31.本技术实施例提供了一种钢结构防火涂料，包括以下重量份原料：58～70份的磷酸钾镁胶粘剂、3～7份的改性助剂、30～40份的填料以及0.5～1份的增韧组分；
32.填料包括以下质量分数的组分：70～75％的白刚玉砂、25～30％的表面改性处理的膨胀珍珠岩散料；
33.其中，表面改性处理的膨胀珍珠岩散料的制备方法为：
34.将异丁基三乙氧基硅烷加入至水中制备得到硅烷浸渍液；
35.将硅烷浸渍液喷洒至膨胀珍珠岩散料表面，静置后，干燥，即得表面改性处理的膨胀珍珠岩散料。
36.本技术的钢结构防火涂料由磷酸钾镁胶粘剂(mkpc)、改性助剂、填料以及增韧组分组成，其中，填料由白刚玉砂和表面改性处理的膨胀珍珠岩散料组成；用白刚玉砂作填料，可提高涂料的抗压强度和耐火性能；用膨胀珍珠岩散料作填料，可降低涂料的干密度、提高其隔热能力；进一步的，膨胀珍珠岩散料通过硅烷浸渍液进行表面改性处理，经过表面改性处理的膨胀珍珠岩散料表面憎水，经过改性后的膨胀珍珠岩散料筒压强度变大、而吸
水率则大大降低，这样其在与磷酸钾镁胶粘剂粉料混合搅拌制浆过程中，膨胀珍珠岩的低吸水率不会导致满足施工稠度要求的水性无机防火涂料浆体的高水灰比和硬化体的结构缺陷；本技术的钢结构防火涂料具有常温固化、固化时间可控、硬化迅速和硬化过程体积稳定性好的特点，其与钢基体附着力强、耐久性好和耐火极限高。
37.在一些实施例中，改性助剂由石英粉、二氧化钛和引气剂组成，石英粉、二氧化钛和引气剂的质量比为(85～90):(5～10):(2.5～5)。
38.通过采用石英粉、引气剂作为肋剂，可调节粉料颗粒级配、改善涂料的保水性、触变性，降低其干密度和导热系数。
39.在一些实施例中，增韧组分由可再分散乳胶粉和玻璃纤维组成，可再分散乳胶粉和玻璃纤维的质量比为(45～55):(45～55)。
40.通过掺适量可再分散乳胶粉和乱向短切玻璃纤维，可改善涂料的脆性和抗裂性能，增加涂料硬化体的韧性。
41.在一些实施例中，石英粉中二氧化硅的质量含量为95～99％，所述石英粉的粒径为70～160μm。
42.在一些实施例中，硅烷浸渍液的质量浓度为8～12％。
43.在一些实施例中，将硅烷浸渍液喷洒至膨胀珍珠岩散料表面，静置后，干燥的步骤中，静置时间为10～15h，干燥温度为50～70℃、时间为45～55h；
44.硅烷浸渍液与所述膨胀珍珠岩散料的质量比为(3～5):1。
45.在一些实施例中，膨胀珍珠岩散料中sio2的质量含量为70～75％、al2o3的质量含量为11～14％；所述膨胀珍珠岩散料烧失量不大于4％；所述膨胀珍珠岩散料的粒径为1～3mm，堆积密度≤100kg/m3、导热系数≤0.056w/(m
·
k)。
46.在一些实施例中，可分散性乳胶粉的ph值为5～7、平均粒径为60～100μm、粘度为0.5～2mpa.s；
47.玻璃纤维的直径为18～32μm、长度为3-6mm。
48.基于同一发明构思，本技术实施例还提供了一种上述的钢结构防火涂料的制备方法，包括以下步骤：
49.s1、于10～30℃、相对湿度为40～70％下，将磷酸钾镁胶粘剂、改性助剂、白刚玉砂和增韧组分混合得到混合物；
50.s2、然后向混合物中加水，搅拌后，再加入表面改性处理的膨胀珍珠岩散料，边搅拌并再次加水，即得钢结构防火涂料。
51.本技术的钢结构防火涂料的制备方法，制备工艺简单，可在常温下施工，钢结构防火涂料在20-60min内可保证良好的和易性，在施工现场可以方便地对钢设施涂抹和二次修补。涂料浆体的工作性能良好，表干时间短，可大幅度提高施工效率；在生产、施工和燃烧过程均不会产生有毒、有害气体污染环境。施工完成后涂层能够在正常大气环境下自主实现固化，以免需要专门的固化设备与加热工艺，涂料与钢基体附着力强，耐火性能高。
52.基于同一发明构思，本技术实施例还提供了一种上述的钢结构防火涂料或上述的制备方法制备得到的钢结构防火涂料的使用方法，包括以下步骤：
53.将钢结构防火涂料涂覆于基材表面达到规定厚度并形成防火涂层；其中，每次涂覆厚度为3～5mm厚，每两次涂覆间隔为1～3h，经过多次涂覆至达到规定厚度(≤20mm)。
54.以下进一步以具体实施例说明本技术的钢结构防火涂料。本部分结合具体实施例进一步说明本发明内容，但不应理解为对本发明的限制。如未特别说明，实施例中所采用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本领域常规试剂、方法和设备。以下实施例中引气剂购买自郑州广旺生物科技有限公司，可再分散乳胶粉购买自济南浩天化工有限公司。实施例1
55.本实施例提供了一种表面改性处理的膨胀珍珠岩散料的制备方法，包括以下步骤：
56.s1、将异丁基三乙氧基硅烷加入至水中制备得到质量浓度为10％的硅烷浸渍液；
57.s2、将硅烷浸渍液喷洒至膨胀珍珠岩散料表面，静置12h，然后于60℃下干燥48h，即得表面改性处理的膨胀珍珠岩散料，其中，硅烷浸渍液与膨胀珍珠岩散料的质量比为4:1。
58.按照上述方法分别测试表面改性前后的膨胀珍珠岩下散料的筒压强度、吸水率和导热系数结果如下表1所示。
59.表1-表面改性前后的膨胀珍珠岩下散料性能
[0060][0061]
由磷酸钾镁胶粘剂、填料(白刚玉砂和膨胀珍珠岩)和改性助剂(石英粉)和适量水配制mkpc基防火涂料浆体，其部分物理力学性能见表2。其中的mkpc胶粘剂由死烧氧化镁粉(mgo的质量分数≥90％，比表面积2.0～2.4m2/kg)、磷酸二氢钾(工业级，主粒度为40/350～60/245(目/μm))和缓凝剂组成，填料由白刚玉砂和膨胀珍珠岩散料(厚普矿业材料厂生产、粒径为1-3mm，有未改性和按照实施例1中的方法改性二种)组成。其中m00中无填料，配合比为mkpc胶粘剂：石英粉：水＝84：6：10(质量比)；m01中填料全部为白刚玉砂，配合比为mkpc胶粘剂：石英粉：白刚玉砂：水＝49：4：40：7(质量比)；m02中填料由白刚玉砂和未改性的膨胀珍珠岩散料组成，配合比为mkpc胶粘剂：石英粉：白刚玉砂：膨胀珍珠岩：水＝46：3：34：4：13(质量比)；m03中填料由白刚玉砂和表面改性的膨胀珍珠岩散料组成，配合比为mkpc胶粘剂：石英粉：白刚玉砂：膨胀珍珠岩：水＝48：4：4：35：9(质量比)。上述配制的mkpc基防火涂料浆体的性能如下表2所示。
[0062]
表2-mkpc基防火涂料浆体的性能
[0063][0064]
[0065]
其中流动度测试参考gb/t 2419-2005“水泥胶砂流动度测试方法”，强度测试参考jgj/t70-2009“建筑砂浆基本性能试验方法”，参考gb14907-2018“钢结构防火涂料”防火性能试验方法来测试mkpc基涂料试件燃烧温度达到300℃的时间。
[0066]
实施例2
[0067]
本技术实施例提供了一种钢结构防火涂料，包括以下重量份原料：60份的磷酸钾镁胶粘剂、4份的改性助剂、31份的填料以及1份的增韧组分；
[0068]
改性助剂包括由质量比为10:1:0.3的石英粉、二氧化钛和引气剂组成；
[0069]
填料由质量比为80:20的白刚玉砂和表面改性处理的膨胀珍珠岩散料组成；
[0070]
增韧组分由质量比为50:50的可再分散乳胶粉和玻璃纤维组成；
[0071]
其中，可分散性乳胶粉的ph值为5～7、平均粒径为60～100μm、粘度为0.5～2mpa.s；
[0072]
表面改性处理的膨胀珍珠岩散料采用实施例1中的方法制备得到。
[0073]
上述钢结构防火涂料的制备方法，包括以下步骤：
[0074]
在10～30℃、40～70％rh的环境条件下按如下步骤操作：
[0075]
s1、将改性助剂、白刚玉砂、增韧组分和磷酸钾镁胶粘剂混合得到混合物；
[0076]
s2、将重量份为70份的水加入至步骤s1中的混合物中，搅拌均匀后，再加入表面改性处理的膨胀珍珠岩散料，边搅拌便加入重量份为30份的水，直至搅拌均匀，即得钢结构防火涂料。
[0077]
实施例3
[0078]
本技术实施例提供了一种钢结构防火涂料，包括以下重量份原料：58份的磷酸钾镁胶粘剂、4.5份的改性助剂、37份的填料以及0.5份的增韧组分；
[0079]
改性助剂包括由质量比为10:1:0.3的石英粉、二氧化钛和引气剂组成；
[0080]
填料由质量比为72:28的白刚玉砂和表面改性处理的膨胀珍珠岩散料组成；
[0081]
增韧组分由质量比为50:50的可再分散乳胶粉和玻璃纤维组成；
[0082]
其中，可分散性乳胶粉的ph值为5～7、平均粒径为60～100μm、粘度为0.5～2mpa.s；
[0083]
表面改性处理的膨胀珍珠岩散料采用实施例1中的方法制备得到。
[0084]
上述钢结构防火涂料的制备方法，包括以下步骤：
[0085]
在10～30℃、40～70％rh的环境条件下按如下步骤操作：
[0086]
s1、将改性助剂、白刚玉砂、增韧组分和磷酸钾镁胶粘剂混合得到混合物；
[0087]
s2、将重量份为70份的水加入至步骤s1中的混合物中，搅拌均匀后，再加入表面改性处理的膨胀珍珠岩散料，边搅拌便加入重量份为30份的水，直至搅拌均匀，即得钢结构防火涂料。
[0088]
实施例4
[0089]
本技术实施例提供了一种钢结构防火涂料，包括以下重量份原料：56份的磷酸钾镁胶粘剂、4份的改性助剂、39份的填料以及1份的增韧组分；
[0090]
改性助剂包括由质量比为14:1:0.3的石英粉、二氧化钛和引气剂组成；
[0091]
填料由质量比为75:25的白刚玉砂和表面改性处理的膨胀珍珠岩散料组成；
[0092]
增韧组分由质量比为50:50的可再分散乳胶粉和玻璃纤维组成；
[0093]
其中，可分散性乳胶粉的ph值为5～7、平均粒径为60～100μm、粘度为0.5～2mpa.s；
[0094]
表面改性处理的膨胀珍珠岩散料采用实施例1中的方法制备得到。
[0095]
上述钢结构防火涂料的制备方法，包括以下步骤：
[0096]
在10～30℃、40～70％rh的环境条件下按如下步骤操作：
[0097]
s1、将改性助剂、白刚玉砂、增韧组分和磷酸钾镁胶粘剂混合得到混合物；
[0098]
s2、将重量份为70份的水加入至步骤s1中的混合物中，搅拌均匀后，再加入表面改性处理的膨胀珍珠岩散料，边搅拌便加入重量份为30份的水，直至搅拌均匀，即得钢结构防火涂料。
[0099]
根据gb14907-2018《钢结构防火涂料》制备各种试件，对本实施例2～4中制备得到的钢结构防火涂料的基本性能进行测试，结果见表3。
[0100]
表3-实施例2～4中的钢结构防火涂料的性能
[0101][0102]
从上表1中可以看出，本技术制备得到的钢结构防火涂料具有良好的耐火性能、粘结强度和抗压强度。
[0103]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。