王亞超,趙江平

(西安建筑科技大學(xué),西安　710055)

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硅灰基外墻外保溫阻燃涂料的制備與表征

王亞超,趙江平

(西安建筑科技大學(xué),西安710055)

外墻外保溫材料的阻燃設(shè)計已成為建筑安全發(fā)展的重要趨勢，本文采用溶膠-凝膠法，以硅灰為原料，對比研究了NaOH (2 mol/L,3 mol/L,4 mol/L和5 mol/L)，KOH(2 mol/L,3 mol/L,4 mol/L和5 mol/L)和Na2SiO3(1 mol/L,1.5 mol/L,2 mol/L和2.5 mol/L)以及它們二者混合所制備硅灰基涂料的阻燃性能。結(jié)果表明，以KOH (2 mol/L)和Na2SiO3(1 mol/L)為化學(xué)活化劑時阻燃效果最佳，其可使EPS的極限氧指數(shù)可達(dá)38.6%，燃燒性能達(dá)到UL-94 V0級別；并提出了KOH和Na2SiO3對硅灰的協(xié)同反應(yīng)原理，SEM結(jié)果證實其有助于硅灰發(fā)展成結(jié)構(gòu)更加致密的無定型硅質(zhì)層，熱重-差式量熱結(jié)果表明該硅灰基涂料具有良好的熱穩(wěn)定性；XRD和FT-IR結(jié)果表明在堿性環(huán)境下硅灰結(jié)構(gòu)發(fā)生了“解聚-重組”，所制備涂料在燃燒過程中可將EPS中有毒的Cl元素固化為NaCl。

硅灰; 阻燃涂料; 微觀結(jié)構(gòu); 極限氧指數(shù)

1　引　言

外墻外保溫技術(shù)積極地推動了節(jié)能建筑的發(fā)展，當(dāng)下大多采用的外墻外保溫材料多為有機材料，如塑料聚苯板(PS)、聚氨酯(PU)等，它們都具有質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、保溫效果優(yōu)良的特點，可有效降低建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的能耗，但聚苯板和聚氨酯板均具有易燃、防火能力差等的性能特點。PS這類材料遇火易燃且易產(chǎn)生融滴，燃燒的融滴也易引燃其他材料，其最高使用溫度為60～80℃，在70～98℃開始熱變形，150℃時收縮并開始熔融，300℃時開始分解。因此該類材料一旦發(fā)生火災(zāi)，其火災(zāi)危險性比較大，燃燒級別上EPS可以做到B1級 (氧指數(shù)>32)，XPS目前只能做到B2級(氧指數(shù)>26)。

傳統(tǒng)阻燃材料廣泛采用的鹵系阻燃劑具有用量少、阻燃效率高且適應(yīng)性廣，但其燃燒時產(chǎn)生大量有毒有害氣體，嚴(yán)重妨礙消防救火、人員疏散、其易于腐蝕儀器和設(shè)備，致使火災(zāi)中的死亡事故達(dá)到80% 以上是由燃燒過程中產(chǎn)生的濃煙和有毒氣體所致。因此，隨著人們對更安全的人就環(huán)境和環(huán)保意識的強化，積極研發(fā)無鹵高效的阻燃劑已成為當(dāng)下阻燃材料必然的發(fā)展趨勢。

硅灰是冶煉硅鐵合金和工業(yè)硅時產(chǎn)生的SiO2和Si在空氣中迅速氧化并凝結(jié)成超細(xì)的粉體微粒，其中含有大量的活性SiO2可以用來制備復(fù)合阻燃材料，張金柱等[1]發(fā)現(xiàn)一定用量的硅灰石可提高阻燃塑料材料的斷裂伸長率、彎曲彈性模量、耐熱性和加工性能。龐桂林等[2]將制備的改性硅灰石應(yīng)用于防火涂料中，表干時間在 3 h，炭化體積 28 cm3，耐水浸泡性大于 24 h，其它各項指標(biāo)均達(dá)到 GB14907-2002的規(guī)定要求。

采用具有較高反應(yīng)活性的粘土可制備阻燃材料，其中高硅含量的粘土在燃燒時可產(chǎn)生具有阻止質(zhì)量傳輸和有機物分解的硅質(zhì)層，且納米級粘土可均勻分散在基體中更易于形成隔熱層，其阻燃效果更優(yōu)[3]。Ullah 等[4]研究了粘土在膨脹型石墨烯的阻燃協(xié)同效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)粘土作為填料在燃燒過程中可形成具有陶瓷結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)硅質(zhì)層，能更好地隔熱和阻燃物質(zhì)傳輸，從而產(chǎn)生一定的協(xié)同效應(yīng)。Zhao等[5]采用具有較高反應(yīng)活性的米糠灰(含有高活性的SiO2)對高密度聚乙烯塑料進(jìn)行阻燃，也發(fā)現(xiàn)其所形成的硅質(zhì)層對熱量和氧氣、有機物傳輸具有較高的屏蔽效應(yīng)。Gong等[6]發(fā)現(xiàn)在微硅粉中加入一定量的Ni2O3可產(chǎn)生一定的協(xié)同阻燃效應(yīng)，可顯著提高聚乳酸塑料的阻燃性能。Cárdenas等[7]分別研究了將納米級硅灰、Al(OH)3、海泡石用于無機填料所制備納米復(fù)合阻燃材料的阻燃性能。Fu等[8]發(fā)現(xiàn)一定量的微粉硅可提高醋酸乙烯酯/Mg(OH)2混合物的極限氧指數(shù)，保持其燃燒性能達(dá)到V0級，還可抑制其燃燒過程中產(chǎn)生的黑煙。

綜上所述，針對鹵系阻燃材料在燃燒過程易產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，且其阻燃效果有限，探索發(fā)展無機硅質(zhì)復(fù)合阻燃涂料成為當(dāng)下阻燃材料的研究熱點。具有一定反應(yīng)活性的硅質(zhì)粉體材料可用于制備復(fù)合阻燃材料，其在燃燒過程中產(chǎn)生的硅質(zhì)層可有效地阻止熱量的傳遞、隔離氧氣、且可阻止有機物的分解，進(jìn)而在燃燒過程中產(chǎn)生一定的屏蔽效應(yīng)。但是采用硅灰制備阻燃涂料，并將其應(yīng)用于外墻外保溫材料阻燃的文獻(xiàn)還鮮有報道，本文擬采用化學(xué)活化微硅灰形成硅質(zhì)溶膠，并將其作為外墻外保溫材料(聚苯板，EPS)的阻燃涂料，最后采用FTIR、SEM、DTG等多種分析手段研究其極限氧指數(shù)、燃燒性能、熱重性能、鍵合結(jié)構(gòu)變化和微觀形貌，在此基礎(chǔ)上，對比研究不同的化學(xué)激發(fā)劑所制備阻燃涂料的性能特征，旨在探索制備高效無鹵阻燃材料。

2　實　驗

2.1原材料

硅灰采用西安林源有限公司的微硅灰，經(jīng)X-射線熒光分析得知其中SiO2含量達(dá)到86%，其密度為為1.62 g/cm3，測得其勃氏比表面積為25 m2/g。實驗中所用的NaOH、KOH和Na2SiO3均產(chǎn)于鄭州派尼化學(xué)試劑有限公司，均屬于分析純。

2.2樣品的制備

分別稱取50 g硅灰和50 g水，分別稱取適量的NaOH、Na2SiO3·9H2O和KOH按照表1配制出NaOH量濃度分別為2 mol/L，3 mol/L，4 mol/L和5 mol/L的溶液，Na2SiO3量濃度分別為1 mol/L，1.5 mol/L，2 mol/L和2.5 mol/L的溶液，KOH量濃度分別為2 mol/L，3 mol/L，4 mol/L和5 mol/L的溶液，在磁力攪拌機上邊攪拌邊加入硅灰(約1 h加完)，并將加完硅灰時所形成硅溶膠在40～50℃下攪拌1 h后，形成具有一定粘性、混合均勻的粘性溶膠，將所形成的硅灰基溶膠按照標(biāo)準(zhǔn)刷涂(3遍，約2 mm厚)在阻燃型模塑聚苯板(EPS)表面，通過測試其極限氧指數(shù)，燃燒性能，礦物晶相，熱重性能和微觀形貌。

實驗并探究了NaOH和Na2SiO3混合溶液，KOH和Na2SiO3混合溶液，對比分析等物質(zhì)的量的堿金屬陽離子(Na+或K+)所形成溶液對硅藻土的活化程度，旨在探索不同堿性物質(zhì)對硅灰的協(xié)同活化效應(yīng)。

2.3樣品的表征

采用DX8355型(廣東，大顯)數(shù)顯氧指數(shù)測定儀，參考GB/T2406-93標(biāo)準(zhǔn)測試材料的極限氧指數(shù)，其誤差為0.2；采用DX8522型(廣東，大顯)垂直/水平燃燒試驗機檢測所制備樣品的燃燒性能(參照GB/T 2408-2008標(biāo)準(zhǔn))，其誤差為1 s，樣品的燃燒性能均以液化煤氣為燃料。樣品的微觀形貌采用Quanta 200型(日本)電子掃描電鏡進(jìn)行觀察，其工作電壓為20 kV，真空度為10-5Torr。利用Mettler(德國)熱重-差式量熱分析儀對涂料在50～850℃的熱重性能進(jìn)行分析，其測試條件為氮氣氛圍下，升溫速率為30℃/min。采用D/MAX-2400型(美國)衍射分析儀研究該硅灰基涂料在燃燒前后的晶相變化，其工作電壓為40 kV，工作電流為40 A，以Cu 為靶材。樣品的鍵合結(jié)構(gòu)采用FTIR-650型(日本)紅外分析儀進(jìn)行表征，其測試范圍為4000～500 cm-1，其誤差小于2 cm-1，試驗時將樣品粉末與KBr(樣品∶KBr =1∶99)在研缽中充分混合后直接測試。

3　結(jié)果與討論

3.1阻燃涂料的阻燃性能

如表1所示為實驗樣品的極限氧指數(shù)(參照ISO 4589標(biāo)準(zhǔn))及其燃燒性能(參照IEC60695-11-10標(biāo)準(zhǔn))所對應(yīng)的T1，T2和T3，已知阻燃性EPS其氧指數(shù)為32%，由表可知，經(jīng)不同的堿性溶液活化所形成的硅灰基溶膠均可提高EPS的阻燃性能，其極限氧指數(shù)均不同程度的提高，同時余焰時間隨著堿性溶液溶度的增大而逐漸縮短，如表中隨著NaOH濃度的增大，極限氧指數(shù)從2 mol/L時的32.7%增加至5 mol/L時的36.2%，同時阻燃級別也從V2提高到V1級別。當(dāng)以NaOH、Na2SiO3和KOH的單一堿性溶液活化處理硅灰所形成的溶膠，將其刷涂在EPS表面后，樣品的阻燃性能明顯低于將其進(jìn)行復(fù)合活化硅灰所形成溶膠對EPS的阻燃性能，其中Na2SiO3和KOH復(fù)合溶液的活化效果最佳，可使樣品的極限氧指數(shù)達(dá)到38.6%，同時其阻燃性能可提高至V0級別。

硅灰在堿性溶液中的活化過程可分為兩步，第一步是硅酸鹽的離子化過程，所形成的-Si-O-M+進(jìn)一步轉(zhuǎn)變-Si-O-Si-鏈，其反應(yīng)過程如方程式(1)和(2)所示，式中M代表堿金屬:

-Si-OH + MOH → -Si-O-M++·H2O

(1)

2-Si-O-M++ H2O→-Si-O-Si- + 2 MOH

(2)

在這一步中，離子化速度主要是由離子種類決定的，實驗中對比研究了Na+和K+的活化性能，具有較大離子半徑的K+的離子化程度大于 Na+的離子化程度。硅灰活化過程的第二步是 Si-O 鍵的斷裂，形成低聚體，其反應(yīng)過程如方程式(3)所示：

-Si-O-Si- + 2MOH →+M-O-Si-O-Si-M++ H2O

(3)

這一反應(yīng)的速度由離子的水化程度決定，陽離子電荷密度越大，其水化程度越高，由于Na+的半徑較小而電荷密度較大(Na+和K+的電荷密度分別為1和0.75[9])，其水化程度大于K+，致使NaOH比KOH具有更強的活化效果，所制備的硅灰基涂料的阻燃性能更高。

實驗中硅灰經(jīng)活化后形成的無機硅酸鹽礦物架狀骨干中氧離子剩余電荷是由Al3+代替Si4+產(chǎn)生的，導(dǎo)致其電荷量較低，而且其架狀骨干中存在著較大的空隙，因此，架狀硅酸鹽易于吸附骨干外低電價、大半徑、高配位數(shù)的陽離子如K+和Na+等以平衡電荷，具有更大半徑的K+更易于促成更多無定形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的Si-O-Si鏈。雖然Na+能夠和帶負(fù)電的硅酸鹽凝膠由于靜電締合作用形成離子對，進(jìn)而形成具有活性的Si-O-Si鏈，但是Na+隨著溶液NaOH濃度的增大，pH值的上升，其難于與硅酸鹽凝膠形成離子對，容易發(fā)生聚沉，不利于無機硅質(zhì)凝膠中的生長和延伸，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜相互交錯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。表現(xiàn)為當(dāng)以Na2SiO3和KOH復(fù)合活化硅灰時，水解形成活性的nSi(OH)4，如方程式(4)所示，形成的NaOH則可活化硅灰促成Si(OH)4，活性的硅氧四面體則可相互之間發(fā)生縮聚脫水，形成具有-Si-O-Si-的物質(zhì)，如方程式(5)所示。另一方面，而半徑較大的K+易于被無定形的具有孔洞結(jié)構(gòu)的硅酸鹽層狀或架狀結(jié)構(gòu)吸附，有效地促成更多無定形的Si-O-Si鏈相互交織，促成具有互穿交錯結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如方程式(6)所示，致使所形成的硅質(zhì)層結(jié)構(gòu)更加致密，其“隔熱阻氧”的能力更強，其阻燃效果更優(yōu)。

當(dāng)將其刷涂在EPS表面上，在燃燒過程中，密實的硅質(zhì)層具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，可有效地隔離熱量的傳導(dǎo)；同時部分活性的Si(OH)4在燃燒過程中可產(chǎn)生一定的水蒸氣，其可隔絕氧氣與可燃的EPS接觸；燃燒過程中產(chǎn)生的CO2也可以與未反應(yīng)的Na2SiO3發(fā)生反應(yīng)形成一定的硅凝膠；最后密實的硅質(zhì)層可阻止EPS受熱產(chǎn)生的熔融液體流出產(chǎn)生“融滴”，可有效地阻止EPS的分解。綜上所述，實驗中所制備的硅灰基阻燃涂料對EPS具有明顯“隔熱驅(qū)氧阻分解”的效果，致使樣品的阻燃性能顯著提高。

nNa2SiO3+ 2nH2O → nSi(OH)4(活性的)+2nNaOH

(4)

2Si(OH)4(活性的) →(HO)3-Si-O-Si-(OH)3+H2O

(5)

表1　樣品的極限氧指數(shù)及燃燒性能

SamplesNaOH(mol/L)Na2SiO3(mol/L)KOH(mol/L)LOI%T1(s)T2(s)T3(s)MeltingdropUL94VS120032.781425YesV2S230034.381224NoV1S340035.571222NoV1S450036.261018NoV1S501033.2101222NoV1S601.5034.591020NoV1S702035.68918NoV1S802.5036.48816NoV1S900232.2101628YesV2S1000332.491426NoV1S1100433.581425NoV1S1200534.381224NoV1S1310.5033.571220NoV1S141.50.75035.271018NoV1S1521036.86915NoV1S162.51.25037.26815NoV1S1700.5136.46816NoV1S1800.751.537.35714NoV1S1901238.54512NoV0S2001.252.538.64512NoV0

3.2阻燃材料的XRD

從圖1可見，硅灰的XRD圖譜中存在較大的“饅頭峰”，表明其無定性物質(zhì)含量較高，反應(yīng)活性較高，但其中還含有少量的石英(quarz)和方石英(cristobalite)，經(jīng)KOH和Na2SiO3溶液復(fù)合活化后，其所對應(yīng)的無定形“饅頭峰”發(fā)生了明顯的“右移”，表明硅灰中的活性無定形物質(zhì)在堿性環(huán)境中發(fā)生了結(jié)構(gòu)的“解聚-重組”過程，新形成一定量的-Si-O-Si-無定形物質(zhì)，但其中具有一定反應(yīng)惰性的石英(石英和方石英)作為填充物未發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。經(jīng)燃燒后，硅灰基涂料發(fā)生了結(jié)構(gòu)變化，生成一定量的巖鹽，經(jīng)XRD分析，其主要為NaCl，由于實驗所用的EPS為阻燃型(氯系)外墻外保溫材料，在燃燒過程中，EPS受熱分解產(chǎn)生的含氯物質(zhì)與硅灰基涂料中的吸附在硅氧網(wǎng)絡(luò)中的Na+結(jié)合形成NaCl所致，表明該硅灰基涂料可有效地吸附EPS燃燒所產(chǎn)生有毒有害的含氯物質(zhì)，并經(jīng)其固化在涂料中，從而有效地實現(xiàn)了環(huán)保高效的阻燃效果。

圖1　硅灰原料及其涂料的XRD圖譜Fig.1　XRD patterns of silica fume and coatings

圖2　硅灰基涂料的熱重-差式量熱曲線Fig.2　TG-DSC curves of silica fume based coating

3.3樣品的熱重-差式量熱分析

如圖2所示，經(jīng)NaOH和Na2SiO3溶液復(fù)合活化的硅灰基溶膠涂料的熱重和熱流曲線，從圖2上可見，在50～850℃加熱過程中，樣品持續(xù)的發(fā)生質(zhì)量損失，經(jīng)800℃高溫處理后其質(zhì)量損失僅為8%，表明該涂料具有一定的耐高溫性能。但未出現(xiàn)明顯的吸熱峰或放熱峰，表明其結(jié)構(gòu)未發(fā)生顯著變化。將其受熱過程可大致分為以下三個階段，分別為50～240℃，240～600℃和600～850℃。在50～240℃受熱過程中，涂料中的少量的自由水蒸發(fā)，其熱重?fù)p失較低(約為3%)。隨著加熱溫度逐漸升高，在240～600℃之間涂料中發(fā)生結(jié)合水的脫水蒸發(fā)，處于-Si-O-Si-鏈端的-Si-OH發(fā)生脫水，其質(zhì)量由97.4%減小至92.1%。當(dāng)溫度超過600℃后，硅灰基涂料質(zhì)量基本不再變化。表明該硅灰基涂料具有一定的高溫穩(wěn)定性，在高溫過程中能夠起到隔熱屏蔽的作用，防止熱輻射、對流等方式的熱量傳遞。

3.4紅外光譜分析

如圖3所示為硅灰原料及其經(jīng)燃燒后的傅里葉-紅外吸收光譜，從圖3可見，硅灰的鍵合結(jié)構(gòu)在燃燒前后并沒有出現(xiàn)明顯變化，其中在1067 cm-1處強而寬的吸收峰是-Si-O-Si-的反對稱伸縮振動峰，800 cm-1處的吸收峰為Si-OH的對稱伸縮峰，即為硅氧四面單體中的Si-OH伸縮振動，結(jié)合XRD結(jié)果，硅灰中除了含有一定量的石英及方石英，還存在大量的具有反應(yīng)活性的Si-OH。

圖3　硅灰的傅里葉-紅外光譜Fig.3　FT-IR spectra of silica fume

圖4　硅灰基涂料的傅里葉-紅外光譜Fig.4　FT-IR spectra of silica fume based coating

如圖3所示，經(jīng)4 mol/L的NaOH溶液活化的硅灰溶膠其傅里葉-紅外光譜中出現(xiàn)新的吸收峰，與硅灰原料對比，在1067 cm-1處強而寬的吸收峰明顯地發(fā)生“右移”，在982 cm-1處出現(xiàn)明顯的吸收峰，其對應(yīng)為硅氧四面體的聚合體，表明在NaOH溶液的作用下，硅灰中的活性物質(zhì)發(fā)生了“重組”，即活性的硅氧四面體單體縮聚成聚合度較低的鏈狀硅氧聚合物，其鍵合結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

另一方面，當(dāng)溶液活化的硅灰溶膠經(jīng)燃燒后，其紅外吸收光譜與燒前相比發(fā)生了明顯的變化，在982 cm-1處的吸收峰變得極其微弱，在982 cm-1處的吸收峰變得更加寬而強，在1193 cm-1出也出現(xiàn)吸收峰，其對應(yīng)為架狀硅氧聚合物中的-Si-O-Si-的反對稱伸縮振動峰[10]，表明該涂料在燃燒過程中形成聚合度更高的硅氧聚合物。

綜合對比圖4可知，經(jīng)堿性溶液活化的硅灰可形成層狀的硅酸鹽，在燃燒時其可發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂屑軤罱Y(jié)構(gòu)的硅氧聚合物，實驗中也發(fā)現(xiàn)燃燒后硅灰基涂料發(fā)生明顯的膨脹，其厚度約為5～8 mm，表明在燃燒過程中，層狀的硅酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)榧軤罟杷猁}的過程中有助于形成阻燃的硅質(zhì)膨脹層，從而實現(xiàn)高效地阻燃。

3.5樣品的微觀形貌

圖5　硅灰基涂料及其燃燒后的微觀形貌(×5000)(a)4 mol/L的NaOH活化的硅灰基涂料；(b)經(jīng)燃燒后4 mol/L的NaOH活化的硅灰基涂料；(c)2 mol/L的Na2SiO3活化的硅灰基涂料；(d)經(jīng)燃燒后2 mol/L的Na2SiO3活化的硅灰基涂料；(e)NaOH和Na2SiO3(CNa+= 4 mol/L)活化硅灰基涂料；(f)經(jīng)燃燒后NaOH和Na2SiO3(CNa+= 4 mol/L)活化硅灰基涂料；(g)KOH(2 mol/L)和Na2SiO3 (2 mol/L)活化硅灰基涂料；(h)經(jīng)燃燒后KOH(2 mol/L)和Na2SiO3 (2 mol/L)活化硅灰基涂料Fig.5　Morphologies of silica fume based coating with an amplification of 5000

如圖5所示，為經(jīng)不同堿液活化的硅灰基涂料及其燃燒后的微觀形貌，從圖中可見，單獨采用NaOH活化硅灰時，所制備涂料微觀上呈現(xiàn)不連續(xù)的粉狀，經(jīng)燃燒后，其可發(fā)展為片狀的硅質(zhì)層，其表面存在大量六方狀的小晶粒；單獨采用Na2SiO3活化硅灰制備涂料時，其可形成無定型的片狀硅質(zhì)層，當(dāng)其經(jīng)燃燒后，該硅質(zhì)層可保持其片狀結(jié)構(gòu)，但該片層較脆薄，易于斷裂成碎片狀；當(dāng)同時采用NaOH和Na2SiO3(CNa+=4 mol/L)活化硅灰制備涂料時，其可形成結(jié)構(gòu)致密，斷面平滑的無定型硅質(zhì)層，如圖5e所示，該硅質(zhì)層在燃燒過程中可不易斷裂破碎的硅質(zhì)層；當(dāng)同時采用KOH(2 mol/L)和Na2SiO3(2 mol/L)活化硅灰制備涂料時，其可發(fā)展為結(jié)構(gòu)致密、斷面較為曲折的無定型的硅質(zhì)層，其在燃燒過程中，可發(fā)展為具有多孔結(jié)構(gòu)的硅質(zhì)層，如圖5h所示，其能夠完整地包裹住EPS，從而有效地阻止熱量和氧氣的傳輸，進(jìn)而提高材料的阻燃性能。

4　結(jié)　論

(1)采用溶膠-凝膠法成功地制備出可用于外墻外保溫材料的硅灰基阻燃涂料，其最佳的制備條件為同時以KOH (2 mol/L)和Na2SiO3(1 mol/L)為化學(xué)活化劑，可使EPS的極限氧指數(shù)達(dá)到38.6%，燃燒性能達(dá)到UL-94 V0級別;

(2)研究對比發(fā)現(xiàn)KOH和Na2SiO3在活化硅灰時具有一定的協(xié)同效應(yīng)，SEM結(jié)果證實它們在硅灰中有助于形成結(jié)構(gòu)更加致密的無定型硅質(zhì)層，其在燃燒過程中可形成具有多孔結(jié)構(gòu)的硅質(zhì)保護(hù)層，有效地阻止熱量和氧氣的傳輸，進(jìn)而提高材料的阻燃性能;

(3)熱重-差式量熱結(jié)果表明該硅灰基涂料具有良好的熱穩(wěn)定性，在50～850℃加熱過程中，樣品的質(zhì)量損失僅為8%;

(4)XRD和FT-IR結(jié)果表明在堿性環(huán)境下硅灰結(jié)構(gòu)發(fā)生了“解聚-重組”，所制備涂料在受熱燃燒過程中可將EPS中有毒的Cl元素固化為NaCl。

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Preparation and Characterization of Silica Fume Based Flame-retardant Coating for External Thermal Insulation

WANG Ya-chao,ZHAO Jiang-ping

(Xi'an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,China)

The flame retardant design of external wall thermal insulation material has become an important trend in the development of construction safety. Using silica fume as raw material and sol-gel method,it studied the effects of NaOH (2 mol/L,3 mol/L,4 mol/L and 5 mol/L),KOH (2 mol/L,3 mol/L,4 mol/L and 5 mol/L) and Na2SiO3(1 mol/L,1.5 mol/L,2 mol/L and 2.5 mol/L) and their two hybrids on the silica fume based flame-retardant coating. Results showed that the sample with KOH (2 mol/L) and Na2SiO3(1 mol/L) as the chemical activator presented the highest flame-retardant properties,the limiting oxygen index of EPS covered coating reached 38.6%,the combustion performance attained V0 level of UL-94,and the synergistic effects were proposed between KOH and Na2SiO3in silica fume,SEM results confirmed that they were benefit to transform silica fume into denser and amorphous silica layer,thermo-gravimetric-differential scan calorimeter results showed that the silica fume based coating held good thermal stability,XRD and FT-IR results showed that the "depolymerization-restructuring" involved in silica fume occurred under alkaline environment,it also could solidify poisonous Cl element and form NaCl during EPS combustion.

silica fume;flame-retardant coating;microscopic structure;limit oxygen index

西安建筑科技大學(xué)博士基金(DB09082)；西安建筑科技大學(xué)青年基金(QN1524)

王亞超(1988-)，男，博士，講師.主要從事無機硅質(zhì)阻燃材料制備方面的研究.

TD985;O657

A

1001-1625(2016)02-0421-07