摘 要

近年来，随着社会经济的高速发展，各种灾害日益增多，火灾发生的几率越来越大，且防控困难，已经对人类社会经济财产与人身安全造成了严重的损害。这其中建筑火灾一直都是发生频率高、防治难度大的灾害之一。尤其是最近几十年，建筑火灾发生频率越来越大，重大的火灾对经济社会与人身安全造成的伤害触目惊心，令人深思。在建筑火灾中，玻璃爆炸飞溅，会对建筑内的人员造成二次伤害，且玻璃破碎后，火势沿着外墙蔓延，将会加重火势，所以本文的目标是，制出一款具有优秀防火、防爆性能的透明玻璃涂膜，以改善上述情况。

本文主要进行了三个方面的工作：通过配方优化设计了一款具有良好耐火性能、耐候性能以及透光率优良的防火玻璃涂膜，通过添加硅溶胶提高水玻璃的模数，探究硅溶胶的添加量对耐火性能以及透光率的影响。选取合适的无机阻燃剂提高涂膜性能，确定其添加量，通过添加氧化铈进一步提高其耐候性能。

结果表明，添加5%的硅溶胶可以使防火涂膜的防火性能有所提高，且粒径分布更均匀。钾水玻璃:硅溶胶为20:1时，性能最佳。加入硼酸锌阻燃剂可在一定程度上提高耐火性能，且对透光率等影响不大，最佳添加量为4%。氧化铈对透光率影响较大，故不做考虑，且涂膜本身耐候性能已经良好。

关键词：硅溶胶；防火玻璃；无机阻燃剂；耐火性能；透光率

Abstract

In recent years, with the rapid economic and social development, the number of disaster factors has increased significantly, and the incidence of fire and the difficulty of prevention and control have increased, causing serious damage to human social and economic activities and property security. Among them, building fire has always been one of the disasters with high frequency and difficulty in prevention and control. Especially in recent decades, there have been frequent construction fires, and some major fires have caused terrible damage to society and humans. In a building fire, the explosion of glass will cause secondary damage to the building personnel, and after the glass is broken, the fire will spread along the outer wall and will aggravate the fire. Therefore, the goal of this article is: A transparent glass coating with excellent fire protection and explosion proof performance was produced to improve the above situation.

This paper mainly carries on the work of three aspects: through the formulation optimization design a fire resistant glass coating with good fire resistance, weather resistance and good light transmission rate, by adding Silicon Sol to improve the modulus of water glass. To investigate the effect of the addition of silica Sol on fire resistance and light permeability. The suitable inorganic flame retardant was selected to improve the coating properties, and its addition was determined.

The results show that adding 5 % silica Sol can improve the fireproof properties and the particle size distribution. Potassium glass: silica Sol is 20:1, the best performance. Zinc borate flame retardant can improve the fire resistance to some extent, and has little effect on the light permeability, and the optimal addition amount is 4 %. Cerium oxide has a great influence on the light transmission rate, so it is not considered, and the weathering resistance of the coating itself has been good.

Key Words: silica Sol; Fireproof glass; Inorganic flame retardants; Refractory performance: transmittance

1

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景 1

1.2防火玻璃的概述 2

1.2.1防火玻璃的简介 2

1.2.2防火玻璃的分类 3

1.3国内外防火玻璃的研究现状及发展 4

1.3.1国外防火玻璃的研究现状及发展 4

1.3.2国内防火玻璃的研究现状及发展 4

1.4水玻璃简介 4

1.4.1 水玻璃模数简介 4

1.4.3提高水玻璃模数的方法 5

1.5硅溶胶简介 5

1.6无机阻燃剂简介 5

1.6.1氢氧化铝阻燃剂简介 5

1.6.2硼酸锌阻燃剂简介 6

1.6.3氢氧化镁阻燃剂简介 6

1.7氧化铈简介 7

1.8本文研究内容及目标 7

第二章 水玻璃的选择及最佳配方的确定 8

2.1引言 8

2.2实验部分 8

2.2.1实验原料与仪器 8

2.2.2试验设计 9

2.2.3基板的处理 9

2.2.4防火涂膜的制备 9

2.2.5试片的制备 9

2.3测试与表征 10

2.3.1涂膜外观质量 8

2.3.2透光率测试 10

2.3.3耐火性能测试 10

2.3.4粒径测试 11

2.3.5红外光谱表征 11

2.4结果与讨论 11

2.4.1涂膜外观质量分析 8

2.4.2粒径分析 11

2.4.3透光率分析 11

2.4.4耐火性能分析 11

2.4.5红外光谱分析 11

2.5本章小结 11

第三章 透明无机防火玻璃涂膜的制备 12

3.1引言 12

3.2实验部分 12

3.2.1实验原料与仪器 12

3.2.2防火玻璃涂膜的制备 13

3.2.3基板的处理 14

3.2.4试片的制备 14

3.3测试与表征 14

3.3.1涂膜外观质量 8

3.3.2透光率测试 15

3.3.3耐火性能测试 15

3.4结果与讨论 15

3.4.1涂膜外观质量分析 8

3.4.2透光率分析 15

3.4.3耐火性能分析 15

3.5提高无机防火阻燃玻璃涂膜耐辐照性能的研究 15

3.5.1无机防火玻璃涂膜的制备 15

3.5.2透光率测试及分析 15

3.6本章小结 15

第四章 总结与展望 17

4.1结论 17

4.2展望 17

致谢 18

第一章 绪论

1.1课题研究的背景

我国目前正处于经济高速发展的时代，各种高层建筑，超高层建筑，地下建筑，大型建筑，大型石油化工建筑开始涌现。随着科技的发展，新材料新产品越来越多，火灾发生时，这些新产品带来的安全问题才会被大家注意，已经严重威胁了财产与人身安全^[1]。

建筑火灾在我们的生活中司空见惯。2011年2月3日零时左右，沈阳市和平区皇朝万鑫酒店B座楼发生火灾。由于没有采用防火玻璃，火灾造成A、B座两楼外墙表面及部分房间火势惨烈，火光冲天。据目击者称，整个B座外墙被烧毁，面目全非，A座外墙也有一定的损毁。

2009年2月9日晚8时许，元宵节晚上燃放的烟花爆竹点燃了正在建设中的央视大楼。27个消防队，近600名消防官兵，动用了85台消防车，奋战六小时才将火扑灭。灾后的央视大楼门窗已全部损毁。令人痛心的是，此次火灾不但直接经济损失达到了1.6亿。还造成了救火人员的伤亡，令人深思。

上述举例的建筑火灾在生活中非常常见，建筑材料在燃烧时会放出许多有毒气体，其中包括过氧化物、不饱和烃、CO等。这些有毒气体被人体吸入后，会严重危害人身安全。图1-1（a）和图1-1（b）代表的分别是世界范围内起火分类和起火类型死亡人数的统计图^[2]。由图（a）可知，建筑类火灾占比达到了35％，由图（b）可知，住宅楼火灾造成的死亡人数占比高达90％。大量的高层建筑，或商用或民用正建或已经投入使用，并且都建设在人口密集，人流量大的地区，使得火灾防控难度变大，要求也越来越高。

图1.1 （a）世界范围内起火分类；（b）起火类型死亡人数

与此同时，大量的透明玻璃构件在现代建筑中被大量使用，而这其中大部分都是不具有防火功能的普通玻璃。理论研究表明：玻璃破裂是由于表面微裂纹在外力作用下扩展造成的^[3]。当普通法璃遭遇火灾时，玻璃向火面温度高于背火面，温度差会产生内应力，导致玻璃向内弯曲变形，向火面就会出现裂纹，裂纹扩展造成玻璃破裂。这已经成为了火灾蔓延的主要原因，因此，我们要更加注重玻璃的防火防爆性能，防火玻璃已经成为防火材料中的重中之重。

1.2防火玻璃的概述

1.2.1防火玻璃的简介

防火玻璃是防火材料的衡量标准。 它是一种特殊的玻璃，经过特殊工艺处理和加工，在特定的防火测试中保持完整性和均匀的隔热性^[5]。 发生火灾时，防火玻璃可以控制火势蔓延一段时间，阻挡烟气和热辐射，为人员逃生和营救财产创造有利条件。 尽量减少财产损失并确保生命安全。

1.2.2防火玻璃的分类

防火玻璃一般可分为灌浆防火玻璃，夹层复合防火玻璃，夹丝防火玻璃，中空防火玻璃特种防火玻璃，高强度单层铯钾防火玻璃等^[6]。

（1）灌浆型防火玻璃

灌浆型防火玻璃是由两层或多层平板玻璃制成，周围密封有密封胶，填充口填充防火胶，然后固化密封。普通灌浆玻璃防火胶主要包括无机胶和有机胶。有机物主要是聚酰胺，无机物主要是硅酸盐，磷酸盐和铵盐。

（2）夹层复合型防火玻璃

我们市面上比较常见的夹层复合型防火玻璃，一般是由两层或者两层以上的平板玻璃，中间填充透明防火粘结剂所组成。火灾发生遇热时，中间的粘结剂就会迅速发泡膨胀，此泡沫层能吸收大量热量，有一定的隔热功能。同时，发泡层还可以把破碎的玻璃片黏住，防止飞溅伤人，防爆性能优良。

（3）夹丝防火玻璃

夹丝防火玻璃顾名思义，一般是在两层玻璃之间的无机胶粘剂夹层中添加金属丝、金属网制成。这种处理可以提高玻璃的抗冲击能力，还可以通电，可连接加热系统或报警系统。夹丝防火玻璃缺点就是透光率差。

（4）中空防火玻璃

近年来，中空防火玻璃在市场上走俏。它不但可以防火，还可以隔热，并且隔音效果优良。生产在中空玻璃时，如果对向火面的玻璃基板上涂一层金属盐，并在一定的温度和湿度下进行干燥后，就可生产出不同类型的中空玻璃。此种玻璃一般被用于门窗，隔墙、消防隧道等场所。

（5）特种防火玻璃

特种防火玻璃因为成本高，价格昂贵，虽然防火效果优良，但无法大范围使用。这种玻璃就是采用了特种成分的玻璃（阻燃微晶玻璃，硼、铝硅酸盐防火玻璃等）作为基片。

1.3国内外防火玻璃的研究现状及发展

1.3.1国外防火玻璃的发展和研究现状

国外的防火玻璃研究开展较早，最早是英国最先发现防火玻璃的重要性，并着手研究。英国、法国和德国的防火玻璃研究走在了世界前列^[7]。英国皮尔金顿公司在防火玻璃的研制上可谓历史悠久。其公司主要产品有三大系列产品：复合型防火玻璃、浇注法夹丝防火玻璃和夹层安全防火玻璃。但是近些年来，日本成为了后起之秀，其研发已经超过欧美各国。日本板玻璃公司、旭硝子公司和日本桑田硝子三家所生产的防火玻璃产品享誉全世界^[8]。

一直以来，国外的防火玻璃研发公司更倾向于轻便的单片防火玻璃。但近年来，大家也开始着手研究复合防火玻璃，虽然看起来稍显笨重，但隔热性优势明显。

国外在防火玻璃方面，研究最多的就是以下三种：硅酸盐类、有机无机复合类丙烯酰胺类。美国专利US8057905［P］公开了一种透明复合玻璃，其构造是在两块玻璃板中水和碱金属硅酸盐的膨胀层不少于一层^[9]。美国专利US8663788［P］公开了一种主要成分为聚合丙烯酸单体，磷化合物，金属醇盐溶胶溶液，硅烷偶联剂，季铵盐，聚合引发剂等的有机-无机复合透明水凝胶的成分以及制造方法。

1.3.2国内防火玻璃的发展和研究现状

中国的防火玻璃研究相比国外起步较晚，在20世纪80年代中末起才逐步开展。和国外市场种类繁多的防火玻璃相比，中国的防火玻璃发展一直较为缓慢。近年来，国内有几家防火玻璃制造商做的比较好，主要有金刚玻璃、耀皮玻璃、金晶集团等^[10]。并且，在国内开发、测试、生产和销售的制造商也在逐年增加。

国内防火玻璃的研发生产厂家已经达到150余家，但生产灌浆型复合防火玻璃的产家却只有40余家。这其中，广东金刚公司的产品，单片铯钾防火玻璃在市场上已被大量应用，其具有良好的防火钢构架结构系统配套能力，但缺点是隔热性不佳。而国内主要的灌浆型防火玻璃一般都加入了大量的聚丙烯酰胺，这就导致其耐火性一般，耐候性也差强人意。

国内也对硅酸盐类防火玻璃有了一定的研究。穆元春利用了增塑剂、钾水玻璃成炭剂、成碳助剂、消泡剂等制成了防火玻璃夹层胶。李武川首先用硅溶胶与氢氧化钾反应，制成硅酸盐，再用此盐作为制成防火玻璃夹层胶的主要成分，本课题也是以此为基础进行进一步研究。

目前，我国在防火玻璃产品的种类、产量、质量、材料、工艺制作上虽然都有了很大的进步，但是与国外的产品相比仍有很长的路要走。

1.4水玻璃简介

1.4.1 水玻璃模数简介

水玻璃是一种水溶性硅酸盐，即硅酸盐的水溶液。常见的水玻璃主要有三种：钾水玻璃、钠水玻璃和锂水玻璃。水玻璃的化学通式为，为碱金属氧化物，n为二氧化硅与碱金属氧化物物质的量的比值，称为水玻璃的模数^[11]。水玻璃模数一般来说，处于1.5~3.5之间的范围，模数的大小与水玻璃中游离的二氧化硅数目成正比，水玻璃的粘度越大，干燥速度也越快。分解和硬化过程也随之加快，施工时，质量将会受到有一定的影响。所以水玻璃的模数是水玻璃的一个重要参数。

1.4.2提高水玻璃模数的方法

高模数水玻璃和低模数水玻璃之间最大的不同就是体系中的含量。因为的含量高，水玻璃硅酸凝胶的生成速率就更快，干燥过程也更快，产生物理的粘结。耐火性能也会随着水玻璃模数的提高而提高。

目前，提高水玻璃模数有两种方法：一种是在水玻璃中加入盐酸或氯化铵；另一种就是在水玻璃中加入无定型^[12]。我们的实验就是用无定型的来提高水玻璃的模数，因此选择采用硅溶胶。

1.5硅溶胶简介

硅溶胶是将纳米二氧化硅分赛在水或者溶剂中，得到的一种分散体，一般表述为

mSiOnHO。硅溶胶分散体系是一个热力学不稳定体系，其中含有大量的水和离子，具有非常大的表面自由能，所以颗粒之间就趋向于相互聚集，来降低表面能。但与此同时，硅溶胶具有的双电子层结构使其可以具有一定的稳定性。

硅溶胶是一种胶体，颗粒近似于球形，带负电荷。硅溶胶的比表面积越大，表面能就越大。同时，硅溶胶形成凝胶的过程是不可逆的。影响硅溶胶稳定性的因素很多，如电解质、温度、浓度、粒度等。硅溶胶被广泛被运用在石油化工、耐火材料、陶瓷工业、涂料工业等。

1.6无机阻燃剂简介

阻燃剂的定义是指加入可燃材料中后，能够加强材料耐燃性、减缓燃烧速度或阻止燃烧的助剂^[13]。随着大家对安全、效率和环境保护越来越重视，阻燃剂已经有了一定的发展，其被广泛用于和生产生活息息相关的行业中，比如建筑业、塑料制品业、纺织业、运输业、木制品业、 电子电器业、航天业等。根据分子结构的差异，我们可把阻燃剂分为有机阻燃剂和无机阻燃剂两大类。尽管有机阻燃剂具有更好的阻燃效果，但受热后，其分解产物一般具有毒性，危害到环境和人体。与之相比，无机阻燃剂因为具有低毒、环保、价格低廉等诸多优点 ，近年来受到广泛的关注和研究。无机阻燃剂主要包括氢氧化物、无机磷系化合物、硼酸盐、氧化锑、钼化合物及状硅酸盐。本实验选取三种常见的无机阻燃剂：氢氧化镁、氢氧化铝和硼酸锌。

1.6.1氢氧化铝阻燃剂简介

氢氧化铝阻燃剂一种酸性阻燃剂，其不含卤素。在吸热的条件下会发生分解，起反应方程式如下：水蒸气可以遮盖火焰，隔绝氧气，并稀释可燃性气体。同时，在接触火焰的材料表面时，会产生一种物质附在表面，阻止燃烧放出的气体扩散，并且可以隔热。这与含磷阻燃剂形成焦炭的功能相似^[14]。

氢氧化铝常温下化学性质非常稳定，温度达220℃后才会开始吸热分解，同时放出三个结晶水，当温度达到300℃，氢氧化铝就会失去两个结晶水转变为一水软铝石。因为氢氧化铝分解时会吸收大量的热量，并且分解过程中只放出蒸汽，无毒，不助燃，无污染，因此氢氧化铝作为阻燃剂，同时具有阻燃和消烟双重功能，是材料工业中被广泛关注的阻燃剂。

1.6.2硼酸锌阻燃剂简介

硼酸锌，英文名称是Flame Retardant ZB，分子式为BOZn ，分子量为125.2261，硼酸锌主要用作无机类添加剂、无毒阻燃剂^[15]。水合硼酸锌的阻燃机理是：温度高于300 ℃时，硼酸锌就会受热分解，同时放出结晶水，水蒸气可以稀释氧气，还有一定的冷却作用。与此同时，在高温下硼酸锌分解生成，它会形成一层膜覆盖在表面，可阻止燃烧继续进行，放出可燃性气体。

1.6.3氢氧化镁阻燃剂简介

氢氧化镁是一种新型阻燃剂，受热时会放出结晶水，可吸收大量的热，降低材料表面温度，减缓热分解，同时可冷却产生的可燃气体。不但如此，分解生成的氧化镁耐火性能优良，可提高材料的抗火性能，同时它放出的水蒸气也可作为一种抑烟剂。氢氧化镁一款具有阻燃、抑烟双重功能的优秀阻燃剂。

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