CN108177405B - 用于钢结构的防火防腐蚀复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于钢结构的防火防腐蚀复合材料，其由内到外依次包括：第一纤维增强混凝土层、第一纤维增强层、第一耐火纤维层、第一氟树脂层、第二氟树脂层、第二耐火纤维层、第三耐火纤维层、第二纤维增强层以及第四氟树脂层，其中，第一氟树脂层、第二氟树脂层以及第四氟树脂层中掺杂有耐火颗粒，第二纤维增强层中掺杂有活性炭颗粒和纳米二氧化硅颗粒，第三耐火纤维层中掺杂有活性炭颗粒和纳米二氧化硅颗粒。本发明设计了纤维增强层、防腐蚀层以及耐火层，使得本发明的复合材料既具有高的力学性能，又具有耐火、防腐蚀的特性。本发明在耐腐蚀层中加入了耐火颗粒，提高了耐腐蚀层的耐火性能。本发明在耐火层及增强层中加入了活性炭颗粒，使得复合材料本身能够吸附耐腐蚀层烧蚀之后产生的有毒气体。
Description
技术领域
本发明涉及一种防火防腐蚀复合材料，特别涉及一种用于钢结构的防火防腐蚀复合材料。
背景技术
大型钢结构如：避雷针铁塔、海上灯塔、大型水库闸、供水塔、海上采油设施、罐车、球罐、贮槽、油箱、碳化塔、换热器、烟囱、集装箱、舰船船体、海上平台钢结构等，都是长期处于海洋大气、工业大气腐蚀环境下。若要长期使用，而不进行大面积维修，长效涂层防护是必不可少的。
目前常用的图层包括：金属锌、铝涂层，金属锌、铝涂层具有很大的耐大气腐蚀的特性。在钢铁构件上喷锌或喷铝，锌、铝是负电位和钢铁形成牺牲阳极保护作用从而使钢铁基本得到了保护。目前用喷铝涂层来防止工业大气、海洋大气的腐蚀，其特点如下：喷铝涂层与钢铁基体结合力牢固、涂层寿命长，长期经济效益好；工艺灵活，适用于重要的大型及难维修的钢铁结构的长效防护，可现场施工；喷锌或喷铝涂层加防腐涂料封闭，可大大延长涂层的使用寿命，从理论和实际应用的效果来看，喷锌或喷铝的涂层是防腐涂料的最好底层。金属喷涂层与防腐涂料涂层的复合涂层的防护寿命较金属喷涂层和防腐涂料防护层二者寿命之和还要长，为单一涂料防护层寿命的数倍。重防腐长效涂料由底漆、中间漆和面漆构成。从长效经济性考虑，喷铝涂层最为经济，但一次性投入大，施工良好的涂层可在10年内无需维修。环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆及丙烯酸聚氨酯长效防护系统具有较佳的经济性。
但是现有技术中使用金属锌、铝涂层进行防腐具有如下缺陷：首先，金属锌、铝涂层对施工要求很高，目前比较重要的钢结构部位的防腐需要有专业的检测机构进行检测验收，如果验收不合格，还需要重做阳极保护，这样一来防腐成本大大增加，此外，仅仅涂覆金属锌、铝涂层，并不能使得钢结构具备耐火特性，导致在耐火和耐腐蚀之间不能做到兼顾。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于钢结构的防火防腐蚀复合材料，从而克服现有技术的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于钢结构的防火防腐蚀复合材料，复合材料由内到外依次包括：第一纤维增强混凝土层、第一纤维增强层、第一耐火纤维层、第一氟树脂层、第二氟树脂层、第二耐火纤维层、第三耐火纤维层、第二纤维增强层以及第四氟树脂层，其中，第一氟树脂层、第二氟树脂层以及第四氟树脂层中掺杂有耐火颗粒，第二纤维增强层中掺杂有活性炭颗粒和纳米二氧化硅颗粒，第三耐火纤维层中掺杂有活性炭颗粒和纳米二氧化硅颗粒。
优选地，上述技术方案中，第二耐火纤维层、第一纤维增强层以及第一耐火纤维层中掺杂有活性炭颗粒。
优选地，上述技术方案中，耐火颗粒是二氧化硅和氮化硅混合颗粒，二氧化硅和氮化硅混合颗粒是由如下方法制备的：提供1-5μm粒径的硅粉以及20-30nm粒径的氮化硅粉末；对硅粉进行第一氧化处理；对氧化后的硅粉进行还原处理，使得硅粉颗粒表面出现孔隙，孔隙孔径为50-100nm，孔隙率为20-30％；将还原后的硅粉与氮化硅粉末进行球磨，球磨时间为20-30h，得到合金化粉末；对合金化粉末进行第二氧化处理，得到二氧化硅和氮化硅混合颗粒。
优选地，上述技术方案中，第一氧化处理的具体工艺为，在1000-1300℃下，氧化处理10-20h。
优选地，上述技术方案中，还原处理的具体工艺为，在1000-1300℃，氢气气氛下，还原处理10-20h。
优选地，上述技术方案中，第一纤维增强混凝土层是玻璃纤维及碳纤维增强的混凝土层，其中，玻璃纤维与碳纤维的质量比为10:1-8:1，并且玻璃纤维与碳纤维的总质量占第一纤维增强混凝土层质量的10-15％。
优选地，上述技术方案中，在第二纤维增强层中，活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的质量比为4:1-3:1，并且活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的总质量占第二纤维增强层质量的5-10％。
优选地，上述技术方案中，在第三耐火纤维层中，活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的质量比为2:1-1:1，并且活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的总质量占第三耐火纤维层质量的15-20％。
优选地，上述技术方案中，在第一纤维增强层中，活性炭颗粒占第一纤维增强层质量的2-3％。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明设计了纤维增强层、防腐蚀层以及耐火层，使得本发明的复合材料既具有高的力学性能，又具有耐火、防腐蚀的特性。本发明在耐腐蚀层中加入了耐火颗粒，提高了耐腐蚀层的耐火特性，避免了层结构的反复修复或者层结构被快速破坏，耐火颗粒经过特别设计，使得加入本发明耐火颗粒的复合材料，耐火性能得到大大提高。经验表明，火灾过程中有相当一部分伤害是燃烧之后的毒气造成的，所以本发明在耐火层及增强层中加入了活性炭颗粒，使得复合材料本身能够吸附耐腐蚀层烧蚀之后产生的有毒气体。
附图说明
图1是根据本发明的用于钢结构的防火防腐蚀复合材料的结构示意图。
具体实施方式
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。本发明的复合材料可以使用本领域公知的方法进行制造，例如，各纤维层之间可以使用混凝土进行粘结，氟树脂可以直接涂覆在其它表面之上。本发明所涉及的颗粒可以购自化学用品商店。本发明对于增强纤维层、耐火纤维层、氟树脂的具体组成不做限定，任意增强纤维或耐火纤维都可以实现本发明的目的，为了便于比较实验结果，本发明的实施例中各个增强纤维层均使用凯夫拉纤维，耐火纤维选用氧化铝耐火纤维，氟树脂选用PTFE。
如图1所述，本发明的用于钢结构的防火防腐蚀复合材料由内到外依次包括：第一纤维增强混凝土层109、第一纤维增强层108、第一耐火纤维层107、第一氟树脂层106、第二氟树脂层105、第二耐火纤维层104、第三耐火纤维层103、第二纤维增强层102、第四氟树脂层101。
实施例1
复合材料由内到外依次包括：第一纤维增强混凝土层、第一纤维增强层、第一耐火纤维层、第一氟树脂层、第二氟树脂层、第二耐火纤维层、第三耐火纤维层、第二纤维增强层、第四氟树脂层，其中，第一氟树脂层、第二氟树脂层以及第四氟树脂层中掺杂有耐火颗粒，第二纤维增强层中掺杂有活性炭颗粒和纳米二氧化硅颗粒，第三耐火纤维层中掺杂有活性炭颗粒和纳米二氧化硅颗粒。第二耐火纤维层、第一纤维增强层以及第一耐火纤维层中掺杂有活性炭颗粒。耐火颗粒是二氧化硅和氮化硅混合颗粒，二氧化硅和氮化硅混合颗粒是由如下方法制备的：提供1μm粒径的硅粉以及20nm粒径的氮化硅粉末；对硅粉进行第一氧化处理；对氧化后的硅粉进行还原处理，使得硅粉颗粒表面出现孔隙，孔隙孔径为50nm，孔隙率为20％；将还原后的硅粉与氮化硅粉末进行球磨，球磨时间为20h，得到合金化粉末；对合金化粉末进行第二氧化处理，得到二氧化硅和氮化硅混合颗粒。第一氧化处理的具体工艺为，在1000℃下，氧化处理10h。还原处理的具体工艺为，在1000℃，氢气气氛下，还原处理10h。第一纤维增强混凝土层是玻璃纤维及碳纤维增强的混凝土层，其中，玻璃纤维与碳纤维的质量比为10:1，并且玻璃纤维与碳纤维的总质量占第一纤维增强混凝土层质量的10％。在第二纤维增强层中，活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的质量比为4:1，并且活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的总质量占第二纤维增强层质量的5％。在第三耐火纤维层中，活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的质量比为2:1，并且活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的总质量占第三耐火纤维层质量的15％。在第一纤维增强层中，活性炭颗粒占第一纤维增强层质量的2％。
实施例2
复合材料由内到外依次包括：第一纤维增强混凝土层、第一纤维增强层、第一耐火纤维层、第一氟树脂层、第二氟树脂层、第二耐火纤维层、第三耐火纤维层、第二纤维增强层、第四氟树脂层，其中，第一氟树脂层、第二氟树脂层以及第四氟树脂层中掺杂有耐火颗粒，第二纤维增强层中掺杂有活性炭颗粒和纳米二氧化硅颗粒，第三耐火纤维层中掺杂有活性炭颗粒和纳米二氧化硅颗粒。第二耐火纤维层、第一纤维增强层以及第一耐火纤维层中掺杂有活性炭颗粒。耐火颗粒是二氧化硅和氮化硅混合颗粒，二氧化硅和氮化硅混合颗粒是由如下方法制备的：提供5μm粒径的硅粉以及30nm粒径的氮化硅粉末；对硅粉进行第一氧化处理；对氧化后的硅粉进行还原处理，使得硅粉颗粒表面出现孔隙，孔隙孔径为100nm，孔隙率为30％；将还原后的硅粉与氮化硅粉末进行球磨，球磨时间为30h，得到合金化粉末；对合金化粉末进行第二氧化处理，得到二氧化硅和氮化硅混合颗粒。第一氧化处理的具体工艺为，在1300℃下，氧化处理20h。还原处理的具体工艺为，在1300℃，氢气气氛下，还原处理20h。第一纤维增强混凝土层是玻璃纤维及碳纤维增强的混凝土层，其中，玻璃纤维与碳纤维的质量比为8:1，并且玻璃纤维与碳纤维的总质量占第一纤维增强混凝土层质量的15％。在第二纤维增强层中，活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的质量比为3:1，并且活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的总质量占第二纤维增强层质量的10％。在第三耐火纤维层中，活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的质量比为1:1，并且活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的总质量占第三耐火纤维层质量的20％。在第一纤维增强层中，活性炭颗粒占第一纤维增强层质量的3％。
实施例3
复合材料由内到外依次包括：第一纤维增强混凝土层、第一纤维增强层、第一耐火纤维层、第一氟树脂层、第二氟树脂层、第二耐火纤维层、第三耐火纤维层、第二纤维增强层、第四氟树脂层，其中，第一氟树脂层、第二氟树脂层以及第四氟树脂层中掺杂有耐火颗粒，第二纤维增强层中掺杂有活性炭颗粒和纳米二氧化硅颗粒，第三耐火纤维层中掺杂有活性炭颗粒和纳米二氧化硅颗粒。第二耐火纤维层、第一纤维增强层以及第一耐火纤维层中掺杂有活性炭颗粒。耐火颗粒是二氧化硅和氮化硅混合颗粒，二氧化硅和氮化硅混合颗粒是由如下方法制备的：提供3μm粒径的硅粉以及25nm粒径的氮化硅粉末；对硅粉进行第一氧化处理；对氧化后的硅粉进行还原处理，使得硅粉颗粒表面出现孔隙，孔隙孔径为75nm，孔隙率为25％；将还原后的硅粉与氮化硅粉末进行球磨，球磨时间为25h，得到合金化粉末；对合金化粉末进行第二氧化处理，得到二氧化硅和氮化硅混合颗粒。第一氧化处理的具体工艺为，在1200℃下，氧化处理15h。还原处理的具体工艺为，在1200℃，氢气气氛下，还原处理15h。第一纤维增强混凝土层是玻璃纤维及碳纤维增强的混凝土层，其中，玻璃纤维与碳纤维的质量比为9:1，并且玻璃纤维与碳纤维的总质量占第一纤维增强混凝土层质量的13％。在第二纤维增强层中，活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的质量比为3.5:1，并且活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的总质量占第二纤维增强层质量的8％。在第三耐火纤维层中，活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的质量比为1.5:1，并且活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的总质量占第三耐火纤维层质量的18％。在第一纤维增强层中，活性炭颗粒占第一纤维增强层质量的2.5％。
实施例4
复合材料由内到外依次包括：第一纤维增强混凝土层、第一耐火纤维层、第一氟树脂层、第二氟树脂层、第二耐火纤维层、第三耐火纤维层、第二纤维增强层、第四氟树脂层。其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例5
复合材料由内到外依次包括：第一纤维增强混凝土层、第一纤维增强层、第一氟树脂层、第二氟树脂层、第二耐火纤维层、第三耐火纤维层、第二纤维增强层、第四氟树脂层。其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例6
复合材料由内到外依次包括：第一纤维增强混凝土层、第一纤维增强层、第一耐火纤维层、第二耐火纤维层、第三耐火纤维层、第二纤维增强层、第四氟树脂层，其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例7
复合材料由内到外依次包括：第一纤维增强混凝土层、第一纤维增强层、第一耐火纤维层、第一氟树脂层、第二氟树脂层、第二耐火纤维层、第三耐火纤维层、第二纤维增强层，其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例8
第一氟树脂层、第二氟树脂层以及第四氟树脂层中不掺杂耐火颗粒。其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例9
第一氟树脂层、第二氟树脂层以及第四氟树脂层中掺杂氮化硅颗粒。其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例10
第二纤维增强层中不掺杂活性炭颗粒，第三耐火纤维层不掺杂活性炭颗粒，其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例11
第二纤维增强层中不掺杂纳米二氧化硅，第三耐火纤维层不掺杂纳米二氧化硅，其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例12
耐火颗粒是二氧化硅和氮化硅混合颗粒，二氧化硅和氮化硅混合颗粒是由如下方法制备的：对硅粉进行第一氧化处理；对氧化后的硅粉进行还原处理，使得硅粉颗粒表面出现孔隙，孔隙孔径为30nm，孔隙率为15％。第一氧化处理的具体工艺为，在900℃下，氧化处理8h。还原处理的具体工艺为，在900℃，氢气气氛下，还原处理8h。其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例13
耐火颗粒是二氧化硅和氮化硅混合颗粒，二氧化硅和氮化硅混合颗粒是由如下方法制备的：对硅粉进行第一氧化处理；对氧化后的硅粉进行还原处理，使得硅粉颗粒表面出现孔隙，孔隙孔径为120nm，孔隙率为40％。第一氧化处理的具体工艺为，在1500℃下，氧化处理30h。还原处理的具体工艺为，在1500℃，氢气气氛下，还原处理30h。其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例14
不对合金化粉末进行第二氧化处理，其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例15
第一纤维增强混凝土层是玻璃纤维及碳纤维增强的混凝土层，其中，玻璃纤维与碳纤维的质量比为15:1。其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例16
第一纤维增强混凝土层是玻璃纤维及碳纤维增强的混凝土层，其中，玻璃纤维与碳纤维的质量比为5:1。其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例17
第一纤维增强混凝土层是玻璃纤维及碳纤维增强的混凝土层，其中，玻璃纤维与碳纤维的总质量占第一纤维增强混凝土层质量的5％。其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例18
第一纤维增强混凝土层是玻璃纤维及碳纤维增强的混凝土层，其中，玻璃纤维与碳纤维的总质量占第一纤维增强混凝土层质量的20％。其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例19
在第二纤维增强层中，活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的质量比为10:1，其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例20
在第二纤维增强层中，活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的质量比为1:1，其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例21
在第三耐火纤维层中，活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的质量比为5:1，并且活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的总质量占第三耐火纤维层质量的25％。其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例22
在第三耐火纤维层中，活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的质量比为1:5，并且活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的总质量占第三耐火纤维层质量的5％。其余条件、参数、组分、配比均与实施例1相同。
实施例23
在第一纤维增强层中，活性炭颗粒占第一纤维增强层质量的5％。
对实施例1-23进行拉伸强度测试、冲击韧性测试、耐火度测试、抗氧化性测试、燃烧释放有毒气体体积测试、腐蚀失效时间测试。上述测试的测试方法是本领域公知的方法，为了便于清楚明了的比较实验结果。将所有测试结果基于实施例1的各项指标进行归一化。结果参见表1。表1
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (9)
1.一种用于钢结构的防火防腐蚀复合材料，其特征在于：所述复合材料由内到外依次包括：第一纤维增强混凝土层、第一纤维增强层、第一耐火纤维层、第一氟树脂层、第二氟树脂层、第二耐火纤维层、第三耐火纤维层、第二纤维增强层以及第四氟树脂层，其中，所述第一氟树脂层、第二氟树脂层以及第四氟树脂层中掺杂有耐火颗粒，所述第二纤维增强层中掺杂有活性炭颗粒和纳米二氧化硅颗粒，所述第三耐火纤维层中掺杂有活性炭颗粒和纳米二氧化硅颗粒。
2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于：第二耐火纤维层、第一纤维增强层以及第一耐火纤维层中掺杂有活性炭颗粒。
3.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述耐火颗粒是二氧化硅和氮化硅混合颗粒，所述二氧化硅和氮化硅混合颗粒是由如下方法制备的：
提供1-5μm粒径的硅粉以及20-30nm粒径的氮化硅粉末；
对所述硅粉进行第一氧化处理；
对氧化后的硅粉进行还原处理，使得硅粉颗粒表面出现孔隙，所述孔隙孔径为50-100nm，孔隙率为20-30％；
将还原后的硅粉与所述氮化硅粉末进行球磨，球磨时间为20-30h，得到合金化粉末；
对所述合金化粉末进行第二氧化处理，得到所述二氧化硅和氮化硅混合颗粒。
4.如权利要求3所述的复合材料，其特征在于：所述第一氧化处理的具体工艺为，在1000-1300℃下，氧化处理10-20h。
5.如权利要求3所述的复合材料，其特征在于：所述还原处理的具体工艺为，在1000-1300℃，氢气气氛下，还原处理10-20h。
6.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述第一纤维增强混凝土层是玻璃纤维及碳纤维增强的混凝土层，其中，所述玻璃纤维与碳纤维的质量比为10:1-8:1，并且所述玻璃纤维与所述碳纤维的总质量占所述第一纤维增强混凝土层质量的10-15％。
7.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于：在所述第二纤维增强层中，所述活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的质量比为4:1-3:1，并且所述活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的总质量占所述第二纤维增强层质量的5-10％。
8.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于：在所述第三耐火纤维层中，所述活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的质量比为2:1-1:1，并且所述活性炭颗粒与纳米二氧化硅颗粒的总质量占所述第三耐火纤维层质量的15-20％。
9.如权利要求2所述的复合材料，其特征在于：在所述第一纤维增强层中，所述活性炭颗粒占所述第一纤维增强层质量的2-3％。
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