本发明涉及钢结构防火涂料，尤其涉及一种厚型钢结构防火涂料及其制备方法有关。
背景技术：
钢结构作为高层建筑结构的一种形式，以其强度高、质量轻，并有良好的延伸性、抗震性和施工周期短等特点，在建筑业中得到广泛应用，尤其在超高层及大跨度建筑等方面显示出强大的生命力。
根据国内外有关资料报道及有关机构的试验和统计数字表明，钢结构建筑的耐火性能较砖石结构和钢筋混凝土结构差，钢结构最致命的弱点是钢的耐火性能非常差，钢的内部晶体组织对温度非常敏感，钢材的机械强度随温度的升高而降低，在500℃左右，其强度下降到40%～50%，钢材的力学性能，诸如屈服点、抗压强度、弹性模量以及荷载能力等都迅速下降，很快失去支撑能力，导致建筑物垮塌。钢虽然为不燃烧材料，但却是热的良导体，一旦遇到高温火焰其支撑力便会在一定时间内遭到破坏。常用钢结构构件的耐火极限只有15～30min。说明未覆盖耐火保护层的钢构件的耐火极限距离防火规范的要求距离很大，根本不能满足火灾情况下对建筑防火的要求。
超薄型或薄型防火涂料具有涂覆厚度薄、饰面型好等特点，被广泛应用于建筑防火，防火涂料层在受火时膨胀发泡，形成一层致密的防火隔热层。但是现有的防火涂料在发泡初期隔热能力较低，发泡后耐火时间极限及耐受温度都不理想。
厚型防火涂料在受火时涂层基本上不发生体积变化，依靠涂层热导率低，延滞了热量传向被保基材的速度，防火涂料的涂层本身是不燃的，屏障热辐射作用，避免了火焰和高温直接攻击.还有涂料中的有些组分遇火相互反应而生成不燃气体的过程是吸热反应，也消耗了大量的热，有利于降低体系温度，但这类涂料的导热率往往较大，隔热效果差.为了取得一定的防火隔热效果，往往需要达到一定的厚度才能达到一定的防火隔热性能要求。且增加了钢结构的荷载，并且导致施工非常困难，特别是面对钢结构复杂的轮廓时。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种厚型钢结构防火涂料及其制备方法，它至少能解决上述现有钢结构防火技术的不足，可以大幅度的提高钢结构防火涂料的隔热防火能力。为解决上述问题，采用了如下技术手段：
一种厚型钢结构防火涂料，包括有按重量百分比计的如下组分：
1～50%的水泥粘结料；
1～20%的粉煤灰；
1～30%的耐火粘土；
1～30%的碳酸钙；
1～20%的疏水性二氧化硅气凝胶；
1～20%的膨胀珍珠岩；
0.01～2%的引气剂；
0.01～2%的保水剂；
0.01～5%的阻燃剂；
0.01～2%的触变剂；
0.1～5%的纤维。
在一个实施例中，组分配比是：
30%的水泥粘结料；
8%的粉煤灰；
11%的耐火粘土；
15%的碳酸钙；
10%的疏水性二氧化硅气凝胶；
23%的膨胀珍珠岩；
0.03%的引气剂；
0.4%的保水剂；
1%的阻燃剂；
0.07%的触变剂；
1.5%的纤维。
在一个实施例中，所述水泥粘结料优选为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、火山灰水泥一种或几种的组合。
在一个实施例中，所述疏水性二氧化硅气凝胶优选为表面经过硅烷基疏水基团取代羟基的一种球形颗粒，直径在1～100nm。
在一个实施例中，所述疏水性二氧化硅气凝胶的密度优选为30～100kg/m³。
在一个实施例中，所述膨胀珍珠岩优选为开放孔的内部多孔的一种轻质填料，堆积密度为40～100 kg/m³，粒径在5mm以下。
在一个实施例中，所述引气剂优选为十二烷基硫酸钠，其他的例如松香树脂类、脂肪醇磺酸盐类、皂苷类以及蛋白质盐、石油磺盐酸等引气剂也可以替代本发明中的十二烷基硫酸钠，但成本会增加，或者使用条件受限制。
在一个实施例中，所述保水剂优选为羟丙基甲基纤维素，其他的例如羧甲基纤维素、羟乙基纤维素等也可以替代本发明中的羟丙基甲基纤维素，但成本会增加，或者保水性能受限制。
在一个实施例中，所述阻燃剂优选为氢氧化铝，其他的例如有机阻燃剂和无机阻燃剂，卤系阻燃剂和非卤系阻燃剂。也可以替代本发明中的氢氧化铝作为阻燃剂，但成本会增加，或者环保、毒性问题受限制。
在一个实施例中，所述纤维优选为硅酸铝纤维，直径在5mm以下，长度小于15mm。
厚型钢结构防火涂料的制备方法，包括如下步骤：
S1：按照组合物配比对各组合物进行备料；
S2：将疏水性二氧化硅气凝胶加入到为40～60vol.%的酒精水溶液中配成粘度为600～1000pa•s的溶液，形成疏水性二氧化硅气凝胶悬浊液；
S3：将膨胀珍珠岩倒入S2所得悬浊液中搅拌；
S4：将S3所得悬液进行脱水烘干；
S5：将水泥粘结料、粉煤灰、耐火粘土、碳酸钙、保水剂、引气剂、阻燃剂、触变剂、纤维与S4中干燥后的膨胀珍珠岩混合均匀之后，得到涂料。
所述的步骤S3中，搅拌速度为10～100r/pm，时间为25～60min。
所述的步骤S4中，脱水烘干的温度为60～105℃，烘干时间为1～2.5h。
所述的步骤S5中，混合是用无重力卧式混合机混合均匀，搅拌速度为60～120r/pm，搅拌时间为6～10min。
所述的步骤S3中，膨胀珍珠岩需要经过预处理，是指将膨胀珍珠岩预先在含有1～5wt%的硅烷偶联剂的乙醇溶液中浸泡处理2～4h，再经过过滤、烘干处理；浸泡温度控制在30～45℃，膨胀珍珠岩与乙醇溶液的重量比是1：20～35；所述的硅烷偶联剂选自KH550、KH560或者KH570。
本发明的组合物为粉末混合物。当与水混合后，形成厚型钢结构防火涂料。根据具体用途，可以通过加水量的多少来调节涂料的粘度。本发明进一步的实施案例可以将本发明的厚型钢结构防火涂料喷涂或铸造后进行凝固，制成一种板材、板条、耐火异形件。
本发明中的硅酸盐水泥，具有火山灰性质的粉煤灰，通过C-S-H反应，可以明显提高粘结料的耐火性；同时粉煤灰和水泥的水化副产物氢氧化钙反应掉，避免氢氧化钙在高温下遇热分解，导致强度损失。
本发明中的耐火粘土，又称无序高岭石。以高岭石为主要矿物成分的天然硅酸铝质材料， Al2O3含量>30%，耐火度>1580℃，由硅酸盐质岩石风化作用形成。当环境温度在950±50℃左右，耐火粘土的液相产生，随着莫来石晶体逐渐长大，黏土开始烧结，当温度超过1250℃，烧结基本完成，烧结好的结构可以承受高达1350～1400℃的高温，使得钢结构保持较好的稳定结构；还有一点，耐火粘土遇热，释放水蒸气，可以起到阻燃剂的作用。
本发明中的碳酸钙作为填充料，碳酸钙在温度到825℃就热解成氧化钙和二氧化碳，这个过程是强吸热过程，同时释放的二氧化碳能阻隔氧气。
本发明中的阻燃剂优选为氢氧化铝，氢氧化铝在300℃就热解成氧化铝和水蒸汽，这个过程是强吸热过程，同时释放的水蒸气能减缓温度的上升。
本发明中的纤维优选为硅酸铝纤维，既可作为轻质保温隔热填料，又可作为维持高温时粘结料不丧失强度，减少收缩应力；尤其在高温粘结料二次烧结时，更能发挥作用，耐火温度高达1400℃。
本发明的制备方法中，首先通过疏水性二氧化硅气凝胶分散于粘性溶液中，再加入开放孔膨胀珍珠岩，可以使疏水性二氧化硅气凝胶填充到开放孔膨胀珍珠岩中，极大的降低了材料的导热系数，提高了材料的隔热能力，阻挡住热量的传递以及热辐射。另外，通过将孔膨胀珍珠岩的表面进行硅烷偶联剂预处理之后，使其能更好地吸附疏水性二氧化硅气凝胶，达到了降低导热系数的效果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，将本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描绘的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明思路的前提下，做出若干调整和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
S0：一种厚型钢结构防火涂料由以下按重量百分比计的组合物构成：硅酸盐水泥30%，粉煤灰8%，耐火粘土11%，碳酸钙20%，疏水性二氧化硅气凝胶5%，膨胀珍珠岩23%，引气剂十二烷基硫酸钠0.03%，保水剂羟丙基甲基纤维素0.4%，阻燃剂氢氧化铝1%，德国毕克BYK-410触变剂0.07%，硅酸铝纤维1.5%。
所述疏水性二氧化硅气凝胶中的颗粒为表面经过硅烷基疏水基团取代羟基的一种球形颗粒，直径在1～100nm，疏水性二氧化硅气凝胶的密度为40kg/m³，膨胀珍珠岩为开放孔的内部多孔的一种轻质填料，堆积密度为55 kg/m³，粒径在5mm以下；纤维为硅酸铝纤维，直径在5mm以下，长度小于15mm。
S1：按照组合物配比对各组合物进行备料。
S2：将疏水性二氧化硅气凝胶加入到为40vol.%的酒精水溶液中配成粘度为600pa•s的溶液，形成疏水性二氧化硅气凝胶悬浊液。
S3：将膨胀珍珠岩倒入悬浊液中，搅拌速度为60r/pm，时间为40min,利用膨胀珍珠岩易吸水的特点，将悬浊液吸附到内部孔洞中。
S4：将吸附了悬浊液的膨胀珍珠岩进行100℃脱水烘干1.5h，水分蒸发后，疏水性二氧化硅气凝胶保存在膨胀珍珠岩内部的孔洞中。
S5：将剩余组合物水泥粘结料、粉煤灰、碳酸钙、耐火粘土、保水剂、引气剂、阻燃剂、触变剂、纤维与干燥后的膨胀珍珠岩用无重力卧式混合机混合均匀，搅拌速度为80r/pm,搅拌时间为8min。
S6：计量包装，获得厚型钢结构防火涂料。
实施例2
S0：一种厚型钢结构防火涂料由以下按重量百分比计的组合物构成：硅酸盐水泥30%，粉煤灰8%，耐火粘土11%，碳酸钙15%，疏水性二氧化硅气凝胶10%，膨胀珍珠岩23%，引气剂十二烷基硫酸钠0.03%，保水剂羟丙基甲基纤维素0.4%，阻燃剂氢氧化铝1%，德国毕克BYK-410触变剂0.07%，硅酸铝纤维1.5%。
所述疏水性二氧化硅气凝胶中的颗粒为表面经过硅烷基疏水基团取代羟基的一种球形颗粒，直径在1～100nm，疏水性二氧化硅气凝胶的密度为40kg/m³，膨胀珍珠岩为开放孔的内部多孔的一种轻质填料，堆积密度为55 kg/m³，粒径在5mm以下；纤维为硅酸铝纤维，直径在5mm以下，长度小于15mm。
S1：按照组合物配比对各组合物进行备料。
S2：将疏水性二氧化硅气凝胶加入到为60vol.%的酒精水溶液中配成粘度为1000pa•s的溶液，形成疏水性二氧化硅气凝胶悬浊液。
S3：将膨胀珍珠岩倒入悬浊液中，搅拌速度为60r/pm，时间为40min,利用膨胀珍珠岩易吸水的特点，将悬浊液吸附到内部孔洞中。
S4：将吸附了悬浊液的膨胀珍珠岩进行100℃脱水烘干1.5h，水分蒸发后，疏水性二氧化硅气凝胶保存在膨胀珍珠岩内部的孔洞中。
S5：将剩余组合物水泥粘结料、粉煤灰、耐火粘土、碳酸钙、保水剂、引气剂、阻燃剂、触变剂、纤维与干燥后的膨胀珍珠岩用无重力卧式混合机混合均匀，搅拌速度为80r/pm，搅拌时间为8min。
S6：计量包装，获得厚型钢结构防火涂料。
实施例3
S0：一种厚型钢结构防火涂料由以下按重量百分比计的组合物构成：硅酸盐水泥30%，粉煤灰8%，耐火粘土11%，碳酸钙10%，疏水性二氧化硅气凝胶15%，膨胀珍珠岩23%，引气剂十二烷基硫酸钠0.03%，保水剂羟丙基甲基纤维素0.4%，阻燃剂氢氧化铝1%，德国毕克BYK-410触变剂0.07%，硅酸铝纤维1.5%。
所述疏水性二氧化硅气凝胶中的颗粒为表面经过硅烷基疏水基团取代羟基的一种球形颗粒，直径在1～100nm，疏水性二氧化硅气凝胶的密度为40kg/m³，膨胀珍珠岩为开放孔的内部多孔的一种轻质填料，堆积密度为55 kg/m³，粒径在5mm以下；纤维为硅酸铝纤维，直径在5mm以下，长度小于15mm。
S1：按照组合物配比对各组合物进行备料。
S2：将疏水性二氧化硅气凝胶加入到为50vol.%的酒精水溶液中配成粘度为800pa•s的溶液；将的疏水性二氧化硅气凝胶上述溶液中，形成疏水性二氧化硅气凝胶悬浊液。
S3：将膨胀珍珠岩倒入悬浊液中，搅拌速度为60r/pm，时间为40min,利用膨胀珍珠岩易吸水的特点，将悬浊液吸附到内部孔洞中。
S4：将吸附了悬浊液的膨胀珍珠岩进行100℃脱水烘干1.5h，水分蒸发后，疏水性二氧化硅气凝胶保存在膨胀珍珠岩内部的孔洞中。
S5：将剩余组合物水泥粘结料、粉煤灰、耐火粘土、碳酸钙、保水剂、引气剂、阻燃剂、触变剂、纤维与干燥后的膨胀珍珠岩用无重力卧式混合机混合均匀，搅拌速度为80r/pm,搅拌时间为8min。
S6：计量包装，获得厚型钢结构防火涂料。
实施例4
与实施例3的区别在于：膨胀珍珠岩经过硅烷偶联剂预处理。
S0：一种厚型钢结构防火涂料由以下按重量百分比计的组合物构成：硅酸盐水泥30%，粉煤灰8%，耐火粘土11%，碳酸钙10%，疏水性二氧化硅气凝胶15%，膨胀珍珠岩23%，引气剂十二烷基硫酸钠0.03%，保水剂羟丙基甲基纤维素0.4%，阻燃剂氢氧化铝1%，德国毕克BYK-410触变剂0.07%，硅酸铝纤维1.5%。
所述疏水性二氧化硅气凝胶中的颗粒为表面经过硅烷基疏水基团取代羟基的一种球形颗粒，直径在1～100nm，疏水性二氧化硅气凝胶的密度为40kg/m³，膨胀珍珠岩为开放孔的内部多孔的一种轻质填料，堆积密度为55 kg/m³，粒径在5mm以下；纤维为硅酸铝纤维，直径在5mm以下，长度小于15mm。
S1：按照组合物配比对各组合物进行备料。
S2：将疏水性二氧化硅气凝胶加入到为50vol.%的酒精水溶液中配成粘度为800pa•s的溶液；将的疏水性二氧化硅气凝胶上述溶液中，形成疏水性二氧化硅气凝胶悬浊液。
S3：将膨胀珍珠岩预先在含有3wt%的KH550硅烷偶联剂的乙醇溶液中浸泡处理3h，浸泡温度控制在40℃，膨胀珍珠岩与乙醇溶液的重量比是1：30，经过过滤、烘干后得到预处理后的膨胀珍珠岩。将预处理后的膨胀珍珠岩倒入悬浊液中，搅拌速度为60r/pm，时间为40min,利用膨胀珍珠岩易吸水的特点，将悬浊液吸附到内部孔洞中。
S4：将吸附了悬浊液的膨胀珍珠岩进行100℃脱水烘干1.5h，水分蒸发后，疏水性二氧化硅气凝胶保存在膨胀珍珠岩内部的孔洞中。
S5：将剩余组合物水泥粘结料、粉煤灰、耐火粘土、碳酸钙、保水剂、引气剂、阻燃剂、触变剂、纤维与干燥后的膨胀珍珠岩用无重力卧式混合机混合均匀，搅拌速度为80r/pm,搅拌时间为8min。
S6：计量包装，获得厚型钢结构防火涂料。
对照例1
与实施例3的区别在于：疏水性二氧化硅气凝胶的加入步骤不是在S2中，而是在S5中与其它组分同时加入。
S0：一种厚型钢结构防火涂料由以下按重量百分比计的组合物构成：硅酸盐水泥30%，粉煤灰8%，耐火粘土11%，碳酸钙10%，疏水性二氧化硅气凝胶15%，膨胀珍珠岩23%，引气剂十二烷基硫酸钠0.03%，保水剂羟丙基甲基纤维素0.4%，阻燃剂氢氧化铝1%，德国毕克BYK-410触变剂0.07%，硅酸铝纤维1.5%。
所述疏水性二氧化硅气凝胶中的颗粒为表面经过硅烷基疏水基团取代羟基的一种球形颗粒，直径在1～100nm，疏水性二氧化硅气凝胶的密度为40kg/m³，膨胀珍珠岩为开放孔的内部多孔的一种轻质填料，堆积密度为55 kg/m³，粒径在5mm以下；纤维为硅酸铝纤维，直径在5mm以下，长度小于15mm。
S1：按照组合物配比对各组合物进行备料。
S3：将膨胀珍珠岩倒入实施例3步骤S2中相同体积的50vol.%的酒精水溶液中，搅拌速度为60r/pm，时间为40min,；
S3：将吸附了悬浊液的膨胀珍珠岩进行100℃脱水烘干1.5h，水分蒸发后，得到干燥后的膨胀珍珠岩。
S4：将疏水性二氧化硅气凝胶、水泥粘结料、粉煤灰、耐火粘土、碳酸钙、保水剂、引气剂、阻燃剂、触变剂、纤维、疏水性二氧化硅气凝胶与干燥后的膨胀珍珠岩用无重力卧式混合机混合均匀，搅拌速度为80r/pm,搅拌时间为8min。
S5：计量包装，获得厚型钢结构防火涂料。
对照例2
与实施例3的区别在于：未加入硅酸铝纤维，其重量由硅酸盐水泥替代。
S0：一种厚型钢结构防火涂料由以下按重量百分比计的组合物构成：硅酸盐水泥31.5%，粉煤灰8%，耐火粘土11%，碳酸钙10%，疏水性二氧化硅气凝胶15%，膨胀珍珠岩23%，引气剂十二烷基硫酸钠0.03%，保水剂羟丙基甲基纤维素0.4%，阻燃剂氢氧化铝1%，德国毕克BYK-410触变剂0.07%。
所述疏水性二氧化硅气凝胶中的颗粒为表面经过硅烷基疏水基团取代羟基的一种球形颗粒，直径在1～100nm，疏水性二氧化硅气凝胶的密度为40kg/m³，膨胀珍珠岩为开放孔的内部多孔的一种轻质填料，堆积密度为55 kg/m³，粒径在5mm以下；纤维为硅酸铝纤维，直径在5mm以下，长度小于15mm。
S1：按照组合物配比对各组合物进行备料。
S2：将疏水性二氧化硅气凝胶加入到为50vol.%的酒精水溶液中配成粘度为800pa•s的溶液；将的疏水性二氧化硅气凝胶上述溶液中，形成疏水性二氧化硅气凝胶悬浊液。
S3：将膨胀珍珠岩倒入悬浊液中，搅拌速度为60r/pm，时间为40min,利用膨胀珍珠岩易吸水的特点，将悬浊液吸附到内部孔洞中。
S4：将吸附了悬浊液的膨胀珍珠岩进行100℃脱水烘干1.5h，水分蒸发后，疏水性二氧化硅气凝胶保存在膨胀珍珠岩内部的孔洞中。
S5：将剩余组合物水泥粘结料、粉煤灰、耐火粘土、碳酸钙、保水剂、引气剂、阻燃剂、触变剂与干燥后的膨胀珍珠岩用无重力卧式混合机混合均匀，搅拌速度为80r/pm,搅拌时间为8min。
S6：计量包装，获得厚型钢结构防火涂料。
根据GB14907-2002钢结构防火涂料中厚型防火涂料性能指标的要求，对实施例一，二，三样品进行检测，结果见下表：
表1
表2
从表1和表2中可以看出，本发明提供的涂料在钢结构表面具有较好的附着力、耐候性、导热性等。实施例3相对于实施例4可以看出，通过将膨胀珍珠岩进行了硅烷偶联剂改性之后，可以较好地将疏水性二氧化硅气凝胶吸附于孔道中，提高隔热性，使耐火极限值得到；实施例3相对于对照例1可以看出，疏水性二氧化硅气凝胶的加入步骤必须是制备得到悬浮液之后再与膨胀珍珠岩进行预吸附，才能拿其产生效果，而与其它组分同时加入时，则不能形成孔道填充的作用；实施例3相对于对照例2来说，可以看出硅酸铝纤维的加入可以较好地产生提高涂层强度、提高耐火效果的作用。