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纳米氧化锌晶钢结构防火涂料性能研究

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    关键词:氧化锌晶须;改性;钢结构防火涂料;耐火极限;耐热极限

    现代大型建筑的主要承重构件大多依赖于坚固的钢材。但是,钢结构的耐火性能远比砖石结构和钢筋混凝土结构差。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,只要几分钟就可上升到临界值,使得承载能力失效并导致建筑物垮塌[1]。

    为解决钢结构建筑的耐火问题,比较好的方法是采用防火涂料[2]。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。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来加以解决。

    晶须作为一种新型的增强补韧剂,在聚合物复合材料中有着广泛的应用[3-4]。但目前还没有关于用氧化锌晶须来增强钢结构防火涂料,提高其耐火极限等性能的报道。无机填料由于与基料的极性相差太大,且表面能高,很难在基料中均匀分散,一般都经过改性处理后才加入基料中[5-6]。本文采用偶联剂对ZnO晶须料进行改性,再将改性后的ZnO晶须添加到钢结构防火涂料以提高防火涂料的耐火极限、耐水性能、粘结强度,同时增加涂料的抗菌性能,使涂料具有更好的使用性能。

    1、实验

    1.1主要原料

    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[7];氧化锌晶须:市售,长10~20μm,四角针状;钛酸酯偶联剂、硬脂酸偶联剂、KH560偶联剂:均为试剂。

    1.2样品制备

    晶须的改性:将偶联剂按比例溶入乙醇溶剂中,加入晶须超声分散20min,过滤,于100℃烘干后备用。

    将改性氧化锌晶须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。

    1.3性能测试

    涂料性能按GB/T14907—2002标准进行测试;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偶联剂种类对晶须分散性的影响

    为了考察不同偶联剂对晶须的改性情况,分别选用钛酸酯偶联剂、硬脂酸偶联剂及KH560来对氧化锌晶须进行改性,通过沉降来表征改性后晶须的分散效果。

    取4份各10g氧化锌晶须,均以乙醇为分散介质,其中3份分别加入0。5%(以晶须质量计)不同的偶联剂,1份不加偶联剂作为对照,并都加溶剂定容到100mL,分散均匀后移入100mL量筒中,静置24h后,观察晶须的分散情况,实验结果如图1所示。

图1改性剂种类对改性效果的影响

    从图1可知,未加偶联剂的晶须很快沉入量筒底部,而经改性后的晶须具有较好的分散性,经过24h后仍具有较好的分散性。3种偶联剂均有较好的改性效果,有利于晶须在溶剂中的分散,其原因主要是由于偶联剂降低了晶须的表面能,改变了晶须表面的化学结构,使无机粒子的表面由亲水性转变为亲油性,这有利于无机颗粒在涂料中的分散以及无机与有机物间的界面结合。其中KH560的改性效果最为理想。

    2.2偶联剂最佳用量的确定

    分别用0。1%、0。3%、0。5%和0。7%的KH560偶联剂对晶须进行改性实验,通过24h的沉降实验数据来进行偶联剂最佳用量的确定,实验结果如图2。

图2偶联剂用量对晶须分散性的影响

    从图2可知,随着偶联剂用量的增加,晶须的分散性能提高。当偶联剂用量≥0。3%时,晶须均具有较好的分散效果,当偶联剂用量在0。7%以上时,晶须的分散性不再增加,因此过多地增加偶联剂的使用量只会增加材料成本,实验最终选用0。5%的偶联剂对晶须进行改性。

    2.3KH560偶联剂对晶须分散性的影响

    超细粒子凝集力很强,给它在基料中的分散带来很大难度,因此纳米粒子在基料中的分散均匀程度成为影响复合材料性能的关键因素。表面改性处理是防止纳米粒子团聚,实现超细微粉在基料中良好分散的有效途径之一。而偶联剂的使用对超细粒子填充钢结构防火涂料的性能有较大的影响。图3(a)、(b)分别是氧化锌晶须用偶联剂改性前后的扫描电镜图片。

    图3(a)显示经偶联剂改性后的晶须呈现出较好的分散性;从图3(b)中则可以看出,未经处理的晶须分散性很差,无法进行添加。

    2.4晶须用量对防火涂料性能的影响

    为了考察晶须的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%的改性氧化锌与防火涂料共混后用超声波处理2h,并与纯防火涂料进行对比。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。

    从表1中可以看出,改性氧化锌晶须的添加可极大地提高涂料的各项性能。未添加氧化锌晶须的纯防火涂料的耐热极限96℃,耐水极限有28h,粘结强度0。45MPa。但添加5%的改性氧化锌晶须后,其耐热极限达到了118℃,耐水极限达到37h以上,粘结强度提高了1倍以上,达1。12MPa。6%的添加量与5%的添加量相比,涂料的性能几乎不变,因此可以选择改性ZnO的添加量为4%~5%。

图3改性前后ZnO晶须的分散性

表1氧化锌晶须用量对涂料性能的影响

    2.5防火涂料断面形貌及纳米ZnO在基体中的分散性

    图4为钢结构防火涂料的扫描电镜照片。图4a为未加改性氧化锌晶须的钢结构防火涂料扫描电镜照片,图4b为添加4%改性改性氧化锌晶须的钢结构防火涂料扫描电镜照片。图中显示出,防火涂料为连续相,改性氧化锌晶须为分散相。经偶联剂处理的氧化锌晶须与钢结构防火涂料的界面粘接紧密,分散相粒子尺寸减小,分布性提高,大量细小的粒子粘附并镶嵌在钢结构防火涂料基料中,晶须在钢结构防火涂料中的镶嵌保证了晶须对钢结构防火涂料的增强作用。

图4防火涂料断面的扫描图片

    3、结语

    (1)KH560偶联剂可以改变氧化锌晶须的表面性能,提高其在高分子钢结构防火涂料中的分散性,改性剂的适宜用量为0。5%。

    (2)加入5%改性晶须的钢结构防火涂料耐热极限可提高22℃,耐水极限可提高9h,粘结强度可提高1倍以上。晶须的适宜添加量为4%~5%。

    (3)SEM显示改性后的晶须均匀地嵌布在防火涂料基体中,从而起到了增强作用和提高耐火性能的目的。