粉煤灰基厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的制備工藝

張泓，王衛(wèi)江，2，張永鋒，2，公彥兵，2

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)煤基固廢高效循環(huán)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展迅速，鋼結(jié)構(gòu)建筑在穩(wěn)定性、剛度和抗震性能方面具有較大優(yōu)勢(shì)，其中裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)被不斷推廣，在新建建筑中的比例不斷提高[1]，與此同時(shí)鋼材自身存在的防火、防腐性能差的特點(diǎn)也較為顯著地暴露出來(lái)[2]。鋼材的熱膨脹系數(shù)大，受熱后易變形；同時(shí)隨著溫度的上升，鋼材到達(dá)臨界溫度（540℃）時(shí)，便失去承載能力[3]，因此對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑，耐火防護(hù)是重中之重。目前，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)耐火防護(hù)的方法依據(jù)是否允許熱量傳遞到構(gòu)件上分為截流法和疏導(dǎo)法[4]。疏導(dǎo)法通過(guò)在空心構(gòu)件中注水傳遞熱量以延緩鋼材達(dá)到臨界溫度的時(shí)間，但此設(shè)計(jì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求較高，施工難度較大。截流法原理是阻滯熱量傳遞到構(gòu)件上，通過(guò)設(shè)置防火保護(hù)措施，延緩熱量向鋼構(gòu)件的傳輸，其中鋼結(jié)構(gòu)防火涂料具有施工簡(jiǎn)便、耐火性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，是目前應(yīng)用較為廣泛的鋼結(jié)構(gòu)耐火防護(hù)措施。目前，對(duì)于厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的研究已有很多，其中較多以水泥作為粘結(jié)劑[5-7]，而水泥的大量使用，可能因水泥的水化和水解作用不完全或受到抑制影響其膠凝化和硬化過(guò)程從而產(chǎn)生開(kāi)裂[8]，導(dǎo)致受火時(shí)鋼構(gòu)件快速升溫失去承載能力；另外，水泥基粘結(jié)劑的大量使用，需要較多的乳液、助劑進(jìn)行理化性能的調(diào)控，一定程度上增加了防火涂料受火時(shí)的發(fā)煙量。為了解決上述問(wèn)題，有必要對(duì)防火涂料配方進(jìn)行改進(jìn)，得到一種少用甚至不用水泥作為粘結(jié)劑的產(chǎn)品。

粉煤灰空心微珠具有輕質(zhì)、隔聲、隔熱和耐高溫等特點(diǎn)，已在諸多行業(yè)中應(yīng)用[9-10]。在制備防火涂料的過(guò)程中，一般只利用隔熱效果好的小粒徑FAC，而大粒徑FAC隔熱效果較差且抗壓能力相對(duì)較弱，在加工過(guò)程中易破碎[11-12]，導(dǎo)致利用率低，因此需要在小粒徑FAC合理利用的基礎(chǔ)上，探究大粒徑FAC的利用途徑，從而提高FAC的利用水平。

本研究提出一種粉煤灰基厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的制備工藝，利用大粒徑FAC制備厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中的硅酸鈉粘結(jié)劑和氫氧化鋁阻燃劑，并對(duì)工藝過(guò)程中的影響因素進(jìn)行探究，得出最優(yōu)制備條件。本工藝的特點(diǎn)是既研制了一種性能優(yōu)良的厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料，又實(shí)現(xiàn)了大粒徑FAC的廢物利用，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料與儀器設(shè)備

（1）原材料

粉煤灰空心微珠（FAC）：由實(shí)驗(yàn)室從內(nèi)蒙古某電廠粉煤灰自篩，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1；純丙乳液：BA-201型，山東優(yōu)索化工科技有限公司；氫氧化鎂：ZH-H6型，蘇州市澤鎂新材料科技有限公司；鈦白粉：銳鈦型，廣州楓森新材料有限公司；活性硅材料：主要成分為硅酸鈣，內(nèi)蒙古伊晨環(huán)境材料有限公司；聚羧酸鈉鹽分散劑：5040型，山東優(yōu)索化工科技有限公司；消泡劑：GS-T128型，GS化學(xué)；增塑劑：DOP，齊魯石化；改性聚氨酯流變改性劑：RM-2020型，山東優(yōu)索化工科技有限公司；醇酯十二：C12型，廣州市潤(rùn)宏化工有限公司；碳酸鈉：工業(yè)級(jí)（99%），山東九重化工有限公司；氫氧化鈉：粒狀，天津風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；鹽酸溶液、EDTA溶液、乙酸-乙酸鈉緩沖溶液[pH值=（5.9±0.05）]、乙酸鋅溶液、氟化鉀溶液、乙酸（1+3）、氨水（1+1）、三氧化二鋁標(biāo)準(zhǔn)工作溶液（1 mg/mL）、乙酸鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.01 mol/L），均為化學(xué)純?cè)噭┡渲啤Ｍ苛现苽浼澳退詼y(cè)試用水均為自來(lái)水，其余均為去離子水。

表1 空心微珠的主要化學(xué)成分 %

（2）儀器設(shè)備

分散砂磨機(jī)：FS400-D型，碩舟儀器；恒溫恒濕培養(yǎng)箱：BD-232WD型，萬(wàn)科試驗(yàn)儀器；電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：WDW-10型，上海華龍測(cè)試儀器股份有限公司；電動(dòng)攪拌器：JB200-D型，上海圣科儀器設(shè)備有限公司；箱式電阻爐：SX16BYL型，包頭云捷電爐廠；行星式球磨機(jī)：QM-3SP2，南大儀器有限公司；掃描電子顯微鏡：SU8020型，日本日立公司；同步熱分析儀：STA449F3型，德國(guó)NETZSCH公司；X射線粉末衍射儀：D8ADVANCE型，德國(guó)布魯克公司。

1.2 FAC制備硅酸鈉副產(chǎn)氫氧化鋁

FAC摻入防火涂料前，用80目標(biāo)準(zhǔn)篩篩分后約有40%左右的篩余物，因此考慮對(duì)其進(jìn)行利用。由表1可知，F(xiàn)AC中SiO2含量達(dá)60.43%，可作為制備硅酸鈉溶液的優(yōu)質(zhì)硅源。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)利用鹽酸酸浸的方法對(duì)FAC進(jìn)行硅的提純，然后采用堿溶的方法制備硅酸鈉溶液，同時(shí)副產(chǎn)氫氧化鋁的試驗(yàn)方案，工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 硅酸鈉粘結(jié)劑及氫氧化鋁阻燃劑的制備流程

（1）對(duì)大粒徑FAC進(jìn)行物理改性，考察球磨時(shí)間對(duì)粒度的影響，確定最優(yōu)時(shí)間，得到改性FAC粉。

（2）由于FAC主要物相為晶相的莫來(lái)石和二氧化硅及非晶相的玻璃體[13]，直接酸浸浸出率低。Guo Yanxia等[14]在粉煤灰熱活化過(guò)程中加入復(fù)配堿（NaOH與Na2CO3質(zhì)量比為1∶1，下同），高溫煅燒后使其形成霞石相，酸浸霞石提取Al2O3的提取率可達(dá)95%。因此探究FAC粉與復(fù)配堿的質(zhì)量比以及煅燒溫度對(duì)霞石形成的影響，確定最優(yōu)煅燒條件，獲得酸浸原料。

（3）利用酸浸原料進(jìn)行酸浸提硅試驗(yàn)，考察反應(yīng)條件對(duì)Al2O3浸出率的影響，確定最佳酸浸條件，并對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行過(guò)濾，得到濾渣和濾液。

（4）對(duì)上述濾渣進(jìn)行堿溶，制備硅酸鈉溶液，考察反應(yīng)條件對(duì)SiO2浸出的影響，確定最優(yōu)浸出條件，并利用最優(yōu)條件對(duì)硅酸鈉溶液進(jìn)行提高模數(shù)（提模），得到適于厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料使用的硅酸鈉粘結(jié)劑。

（5）將（3）得到的濾液用NaOH調(diào)節(jié)pH值至12左右，通入CO2進(jìn)行碳分，使Na[Al（OH）4]中的鋁元素以氫氧化鋁的形式沉淀出來(lái)，烘干后得到適用于厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料使用的阻燃劑。

1.3 厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的制備

1.3.1 厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料制備工藝

本文所用厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料基準(zhǔn)配方由硅酸鈉溶液、純丙乳液、氫氧化鋁、氫氧化鎂、活性硅材料、鈦白粉、助劑及水組成，其基礎(chǔ)配方見(jiàn)表2。

表2 厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的基礎(chǔ)配方

根據(jù)表2稱取原料，將硅酸鈉溶液倒入分散容器中，用分散機(jī)進(jìn)行中速分散，隨后加入阻燃劑、鈦白粉、活性硅材料、水和分散劑，進(jìn)行高速攪拌。隨后加入純丙乳液和助劑，進(jìn)行中速攪拌。最后更換分散機(jī)分散盤(pán)為不銹鋼三葉片，進(jìn)行慢速攪拌，攪拌過(guò)程中加入FAC，將攪拌好的漿料移入容器中靜置待用。

1.3.2 鋼板基材的預(yù)處理

基板采用Q235鋼板，尺寸為120 mm×120 mm×3 mm，由于鋼板表面存在較多油污及銹跡，因此需對(duì)鋼板進(jìn)行表面處理，這是整個(gè)涂層工藝獲得良好效果的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)[15]。具體步驟為：用除銹機(jī)及細(xì)砂紙對(duì)鋼板表面進(jìn)行打磨；用除油劑（60 g NaOH、40 g Na2CO3、20 g Na3PO4配成1 L水溶液）浸泡鋼板30 min，用水沖洗后用除銹劑（質(zhì)量濃度5%的鹽酸溶液）浸泡鋼板1 h，再用水沖洗后進(jìn)行干燥；然后在鋼板表面涂覆1層防銹底漆，待其表干后，涂覆制備好的防火涂料。

1.3.3 厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料試樣的施工工藝

采用刷涂法分步涂刷，第1層基本覆蓋鋼板即可，待涂層表干后，再次涂刷，每次涂刷的厚度為2~3 mm。將涂層刷涂至一定厚度后，在恒溫恒濕箱（25℃、60%RH）中養(yǎng)護(hù)28 d，隨后進(jìn)行涂料性能測(cè)試。

1.4 測(cè)試方法

（1）酸浸濾液中Al2O3含量的測(cè)試：采用GB 1574—2007《煤灰成分分析方法》中氟鹽取代EDTA絡(luò)合滴定法；硅酸鈉溶液中SiO2含量和模數(shù)的測(cè)試按GB/T 4209—2008《工業(yè)硅酸鈉》進(jìn)行。

（2）厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的理化性能測(cè)試：按GB 14907—2018《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》進(jìn)行，涂層厚度為（8±2）mm。

（3）厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料耐火性能測(cè)試：采用小板背面受火燃燒法，搭建簡(jiǎn)易耐火試驗(yàn)平臺(tái)（見(jiàn)圖2），使用酒精噴燈作為加熱熱源，利用雙針表面熱電偶測(cè)量背火面中心溫度，采用3 h耐火試驗(yàn)達(dá)到的溫度作為耐火性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)（空白鋼板煅燒試驗(yàn)中鋼板在9 min左右已達(dá)到540℃，3 h后溫度穩(wěn)定在820℃），涂層厚度為（25±2）mm。

圖2 耐火試驗(yàn)簡(jiǎn)易裝置示意

2 結(jié)果與討論

2.1 FAC的理化性質(zhì)

2.1.1 FAC的物理性質(zhì)

FAC為球形中空顆粒，具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐高溫、隔聲、隔熱、電絕緣等特性，實(shí)測(cè)FAC松散密度為475.53 kg/m3；粒徑分布為0.17～716 μm之間，D50為102 μm；比表面積為1.5747 m2/g。圖3為FAC高溫煅燒前后的SEM照片。

圖3 FAC的SEM照片

從圖3（a）FAC原樣的SEM照片可以觀察到，大部分FAC呈薄壁中空球形結(jié)構(gòu)，外壁粗糙，表面局部凹陷，部分呈現(xiàn)出破損狀態(tài)，同時(shí)具有不同的孔隙度[16]。從圖3（b）FAC高溫煅燒后的SEM照片可以觀察到，大多數(shù)FAC表現(xiàn)出不同程度的熔融，但其空心球狀結(jié)構(gòu)未被破壞，表明FAC在高溫環(huán)境下仍具備良好的熱穩(wěn)定性。

2.1.2 FAC的物相分析

圖4為FAC的XRD圖譜。

圖4 FAC的XRD圖譜

由圖4可見(jiàn)，F(xiàn)AC中的主要結(jié)晶相為莫來(lái)石及石英，莫來(lái)石相衍射峰數(shù)目多且峰值低，說(shuō)明其結(jié)晶度較差，而石英相衍射峰多且尖銳，說(shuō)明其結(jié)晶度較高，是FAC中的主要成分；在22～35°的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了比較寬的特征衍射峰，表明FAC中玻璃體的存在，說(shuō)明其含有一定的活性成分[17]。

2.2 FAC制備硅酸鈉粘結(jié)劑副產(chǎn)氫氧化鋁阻燃劑

2.2.1 FAC球磨改性

對(duì)FAC進(jìn)行球磨改性，表3為球磨時(shí)間與FAC粒度D50的關(guān)系。

表3 FAC球磨時(shí)間對(duì)粒度的影響

由表3可見(jiàn)，隨著球磨時(shí)間的延長(zhǎng)，F(xiàn)AC的顆粒粒徑減小，但粒徑減小趨勢(shì)逐漸變緩。這是由于在機(jī)械力的作用下，顆粒粒徑減小，機(jī)械熱效應(yīng)導(dǎo)致出現(xiàn)一定程度的團(tuán)聚，球磨效果出現(xiàn)下降，因此，選擇6 h球磨時(shí)間為最優(yōu)條件，得到D50為16.5 μm的FAC粉。

2.2.2 堿法分解FAC制備酸浸原料

將FAC粉與復(fù)配堿混合后置于700~900℃馬弗爐中煅燒3 h，考察煅燒溫度及FAC粉與復(fù)配堿的質(zhì)量比對(duì)霞石形成的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 FAC粉與復(fù)配堿不同質(zhì)量比混合物經(jīng)700~900℃煅燒后的XRD圖譜

由圖5可見(jiàn)，F(xiàn)AC粉與復(fù)配堿不同質(zhì)量比混合物經(jīng)700~900℃煅燒后，反應(yīng)產(chǎn)物中均未檢測(cè)出莫來(lái)石相，說(shuō)明復(fù)配堿可以對(duì)莫來(lái)石進(jìn)行有效分解，并且隨著復(fù)配堿含量的增大，霞石晶相開(kāi)始消失，因此復(fù)配堿的添加量不宜過(guò)高。其中復(fù)配堿在莫來(lái)石分解過(guò)程中的作用如下[14]：

莫來(lái)石的分解及Na2CO3的形成（＜400℃）：

6NaOH+3Al2O·3SiO2+10SiO2→6NaAlSi2O6+3H2O

2NaOH+CO32-→Na2CO3+H2O

硬玉分解（400~600℃）：

8NaOH+Na2CO3+4NaAlSi2O6→2NaAlSiO4+Al2O3+6Na2SiO3+4H2O+CO2

霞石形成（700~800℃）：

Na2CO3+3NaAlSiO4→NaAlSiO4（霞石）+2Na2SiO3+Al2O3+CO2

800℃條件下，在m（FAC）∶m（復(fù)配堿）為2.0∶1.0、1.5∶1.0、1.2∶1.0時(shí)出現(xiàn)了霞石的特征峰，說(shuō)明在較低的溫度下，較高的復(fù)配堿添加量有助于霞石晶相的形成。隨著煅燒溫度降至700℃，只出現(xiàn)了一條霞石晶相的特征峰，并且不同的是，各個(gè)比例圖中均出現(xiàn)了SiO2的特征衍射峰，因此可以判斷，700℃的煅燒條件不足以形成霞石晶相。

綜上所述，出于試驗(yàn)效率考慮，選擇煅燒溫度800℃、m（FAC）∶m（復(fù)配堿）=2∶1作為堿法分解FAC制備酸浸原料的的最優(yōu)條件。

2.2.3 酸浸硅提取試驗(yàn)

試驗(yàn)主要考察反應(yīng)時(shí)間、液固比、反應(yīng)溫度和鹽酸濃度對(duì)Al2O3浸出率的影響。

（1）反應(yīng)時(shí)間的影響

在反應(yīng)溫度為60℃，液固比為6∶1，鹽酸濃度為12%的條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)Al2O3溶出率的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)Al2O3浸出率的影響

由表4可見(jiàn)，隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，Al2O3浸出率呈先提高后逐漸降低，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為15 min時(shí)Al2O3浸出率最高，說(shuō)明酸浸原料具有較好的反應(yīng)活性。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，體系水分蒸發(fā)，形成的膠狀物質(zhì)過(guò)于黏稠，影響反應(yīng)的傳質(zhì)速率，另一方面對(duì)過(guò)濾不利，導(dǎo)致Al2O3浸出率逐漸降低。因此，最佳反應(yīng)時(shí)間為15 min。

（2）液固比的影響

在反應(yīng)溫度60℃，鹽酸濃度12%，反應(yīng)時(shí)間15 min的條件，考察不同液固比（鹽酸質(zhì)量/酸浸原料質(zhì)量）對(duì)Al2O3溶出率的影響，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 液固比對(duì)Al2O3浸出率的影響

由表5可見(jiàn)，隨液固比的增大，Al2O3浸出率呈先提高后趨基本穩(wěn)定，當(dāng)液固比為9時(shí)，Al2O3浸出率達(dá)到最大（30.73%）。這是由于液固比較小時(shí)，混合物黏度較高，在浸出界面溶液趨于飽和，阻礙酸浸反應(yīng)的進(jìn)行，隨著液固比的增大，溶質(zhì)在液固界面處向外擴(kuò)散速度增大，Al2O3浸出率得到提高，此后繼續(xù)增加液固比無(wú)法提高固液界面飽和度，Al2O3浸出率基本維持平穩(wěn)[18]。因此，最佳液固比為9。

（3）反應(yīng)溫度的影響

在鹽酸濃度12%，反應(yīng)時(shí)間為15 min，液固比為9的條件，考察反應(yīng)溫度對(duì)Al2O3溶出率的影響，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 反應(yīng)溫度對(duì)Al2O3浸出率的影響

由表6可見(jiàn)，隨反應(yīng)溫度的升高，Al2O3浸出率呈先提高后降低再趨基本穩(wěn)定。當(dāng)反應(yīng)溫度升高到60℃時(shí)，Al2O3浸出率最高，達(dá)30.73%；隨著反應(yīng)溫度繼續(xù)上升，鹽酸的揮發(fā)速度加快，但由于酸浸反應(yīng)時(shí)間較短，速率較快，鹽酸揮發(fā)對(duì)于Al2O3浸出影響有限，因而Al2O3浸出率基本保持不變。因此，最佳反應(yīng)溫度為60℃。

（4）鹽酸濃度的影響

在反應(yīng)時(shí)間15 min，液固比為9，反應(yīng)溫度60℃的條件下，考察鹽酸濃度對(duì)Al2O3溶出率的影響，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 鹽酸濃度對(duì)Al2O3浸出率的影響

由表7可見(jiàn)，Al2O3浸出率隨鹽酸初始濃度的增大呈先提高后降低。當(dāng)鹽酸濃度從12%增大到16%時(shí)，Al2O3浸出率增幅很小，基本保持平穩(wěn)，考慮到高濃度的鹽酸揮發(fā)速度較快，因此鹽酸的優(yōu)選濃度為12%。

綜上所述，酸浸最優(yōu)條件為：鹽酸濃度12%、反應(yīng)溫度60℃、液固比9、反應(yīng)時(shí)間15 min，得到的Al2O3浸出率為30.73%。

2.2.4 高硅渣堿溶制備硅酸鈉粘結(jié)劑

試驗(yàn)主要考察反應(yīng)溫度、液固比、堿濃度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)硅酸鈉溶液中SiO2含量的影響。

（1）反應(yīng)溫度的影響

在液固比為20，反應(yīng)時(shí)間為4 h，堿濃度20%條件下，考察反應(yīng)溫度對(duì)SiO2溶出的影響，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 反應(yīng)溫度對(duì)SiO2含量的影響

由表8可見(jiàn)，隨著反應(yīng)溫度的升高，SiO2含量呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)溫度為110℃時(shí)，SiO2含量最高。這是由于。反應(yīng)初期，酸渣中的活性SiO2與堿液迅速劇烈反應(yīng)。隨著反應(yīng)溫度的升高，非活性的SiO2也開(kāi)始與堿液進(jìn)行反應(yīng)，因此SiO2含量逐漸增加。當(dāng)反應(yīng)溫度高于110℃時(shí)，體系失水過(guò)多造成黏度增大，物料出現(xiàn)部分結(jié)痂，擴(kuò)散速度減緩，造成SiO2含量減小[19]。因此，最佳反應(yīng)溫度為110℃。

（2）液固比的影響

在反應(yīng)溫度110℃，反應(yīng)時(shí)間4 h，堿濃度20%的條件，考察液固比對(duì)SiO2溶出的影響，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 液固比對(duì)SiO2含量的影響

由表9可見(jiàn)，隨著液固比的增大，SiO2含量減小。這是由于在其他條件一定的情況下，當(dāng)液固比大于5時(shí)，堿相對(duì)過(guò)量，在SiO2表面形成了較為黏稠的硅酸鈉覆蓋層，阻擋了反應(yīng)的進(jìn)行[20]；當(dāng)液固比小于5時(shí)，形成的懸濁液過(guò)于黏稠，不利于攪拌，因此，最佳液固比為5。

（3）堿濃度的影響

在反應(yīng)溫度為110℃，反應(yīng)時(shí)間4 h，液固比為5的條件下，考察堿濃度對(duì)SiO2溶出的影響，結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 堿濃度對(duì)SiO2含量的影響

由表10可見(jiàn)，隨著堿濃度的增大，SiO2含量呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)堿濃度為20%時(shí)SiO2含量達(dá)到最大。主要原因是，堿濃度的增大，體系黏度增大，堿溶反應(yīng)進(jìn)程受阻，導(dǎo)致浸出的SiO2減少[21]。綜合考慮堿用量和SiO2含量，最佳堿濃度為15%。

（4）反應(yīng)時(shí)間的影響

在反應(yīng)溫度為110℃，液固比為5，堿濃度為15%的條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)SiO2溶出的影響，結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 反應(yīng)時(shí)間對(duì)SiO2含量的影響

由表11可見(jiàn)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，SiO2含量先明顯增大后減小。說(shuō)明酸浸渣活性SiO2與堿液在初期的反應(yīng)速率較快，而后期SiO2的含量呈減小，一方面是由于體系中水分的蒸發(fā)，致使體系黏度增大，另一方面溶液中的SiO2和Al2O3形成鈉硅渣沉淀，降低了溶液中SiO2的含量，同時(shí)在反應(yīng)物表面形成的保護(hù)層抑制了反應(yīng)進(jìn)行[19]，因此，最佳反應(yīng)時(shí)間為1 h。

綜上，堿溶最優(yōu)條件為：反應(yīng)溫度110℃、液固比5、堿濃度15%、反應(yīng)時(shí)間1 h，得到的硅酸鈉溶液中SiO2含量為10.97%，模數(shù)為1.11。隨后利用新鮮酸渣按上述最優(yōu)條件進(jìn)行提模，制備的硅酸鈉溶液中SiO2含量為18.8%，模數(shù)為2.13，黏度適宜用作厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料粘結(jié)劑。

2.2.5 酸浸濾液制備氫氧化鋁阻燃劑的TG-DSC分析（見(jiàn)圖6）

圖6 氫氧化鋁的TG-DSC曲線

由圖6可見(jiàn)，氫氧化鋁的熱分解過(guò)程分為3個(gè)階段：第1階段為30～196℃，伴隨著0.48%的失重，為樣品自由水的脫除；第2階段為196～342℃，伴隨著29.6%的失重，在此階段樣品大量分解脫水；第3階段為342～610℃，伴隨著4.96%的失重，516℃左右開(kāi)始出現(xiàn)的吸熱峰，再次失去少量結(jié)晶水[22]。由此可知，利用酸浸濾液制得的氫氧化鋁阻燃劑可以在196～342℃的范圍內(nèi)大量分解吸熱，可作為厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料中的阻燃劑使用。

2.3 防火涂料的性能

采用鹽酸濃度12%、反應(yīng)溫度60℃、液固比9、反應(yīng)時(shí)間15 min的最優(yōu)酸浸條件和反應(yīng)溫度為110℃、液固比為5、堿濃度為15%、反應(yīng)時(shí)間1 h的最優(yōu)堿溶條件，制備硅酸鈉溶液及副產(chǎn)物氫氧化鋁，按表2配方制備厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。將所制備的涂料涂刷在鋼板基材上，養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果如表12所示。

表12 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料性能評(píng)價(jià)

由表12可知，所制備的防火涂料除干密度外，其余理化性能均基本符合GB 14907—2018要求。可在后續(xù)的研究中添加其他輕質(zhì)組分，降低涂料干密度，以此制得性能更優(yōu)的防火涂料。

3 結(jié)論

（1）FAC壁薄、質(zhì)輕，強(qiáng)度高，導(dǎo)熱系數(shù)低，在1000℃馬弗爐中進(jìn)行3 h煅燒后中空結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，適于用作防火涂料的隔熱填料；FAC中SiO2和Al2O3含量分別為60.43%和20.29%，可以對(duì)FAC中的成分進(jìn)行有效利用，制備涂料中的硅酸鈉粘結(jié)劑和氫氧化鋁阻燃劑。

（2）對(duì)大粒徑FAC進(jìn)行物理改性，球磨時(shí)間6 h時(shí)，得到的FAC粉的D50為16.2 μm。堿法分解的最優(yōu)條件為：煅燒溫度800℃、FAC粉與復(fù)配堿質(zhì)量比為2∶1。酸浸最優(yōu)條件為：鹽酸濃度12%、反應(yīng)溫度60℃、液固比9、反應(yīng)時(shí)間15 min，得到的Al2O3浸出率為30.73%。堿溶的最優(yōu)條件為：反應(yīng)溫度110℃、液固比5、堿濃度15%、反應(yīng)時(shí)間1 h，提模后得到的硅酸鈉溶液中SiO2含量為18.8%，模數(shù)可達(dá)2.13，適合用作厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料粘結(jié)劑。

（3）所制備的防火涂料除干密度外，理化性能良好，可在后續(xù)的研究中添加其他輕質(zhì)組分，降低涂料干密度，進(jìn)而制備出性能優(yōu)異的厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。