一种应对火灾场景的隔热复合材料及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种应对火灾场景的隔热复合材料及其制备方法和应用 (A kind of heat-insulation composite material and its preparation method and application for coping with fire scenario ) 是由 张峰 程亚星 成云飞 王勇 王安秦 王丹奇 程家骥 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种应对火灾场景的隔热复合材料及其制备方法和应用,属于隔热材料技术领域,该隔热复合材料按重量百分比计的制备原料包括：硅酸镁锂0.83%-1.4%,NaHSO<Sub>3</Sub>1.38%-1.5%,(NH<Sub>4</Sub>)<Sub>2</Sub>S<Sub>2</Sub>O<Sub>8</Sub>0.08%-0.14%,丙烯酸钾溶液16.7%,蒸馏水80.26%-81.46%。本发明的隔热材料可以直接与水混合后进行喷涂,因此操作和使用十分的便利。此外,本发明的隔热材料可以在喷涂材料的表面形成致密、坚固的炭层,因此能够很好的削弱热辐射和防止水气流失。而且,在发生火灾的情况下,将本发明的隔热材料喷涂于邻近储罐,能够大幅降低邻近储罐的升温速率,保护邻近储罐不会因在高温下破裂而引起连锁反应,从而为控制事故及应急救援争取时间。(The invention discloses a kind of heat-insulation composite materials and its preparation method and application for coping with fire scenario, belong to heat-barrier material technical field, the raw material for preparing of the heat-insulation composite material by weight percentage includes: lithium magnesium silicate 0.83%-1.4%, NaHSO 3 1.38%-1.5%, (NH 4 ) 2 S 2 O 8 0.08%-0.14%, potassium acrylate solution 16.7%, distilled water 80.26%-81.46%.Heat-barrier material of the invention is sprayed after can directly mixing with water, therefore operation and use are very convenient.In addition, heat-barrier material of the invention can form fine and close, firm layer of charcoal on the surface of sprayed on material, therefore it can be good at weakening heat radiation and aqueous vapor prevented to be lost.And; in the event of a fire, heat-barrier material of the invention is sprayed at nearby tank, the heating rate of nearby tank can be greatly reduced; protection nearby tank will not cause chain reaction because rupturing at high temperature, to race against time for control accident and emergency management and rescue.)
技术领域
本发明涉及隔热材料技术领域，尤其涉及一种应对火灾场景的隔热复合材料
技术背景
随着石油化工行业的发展，储罐的大型化和集群化已经变成一种必然的趋势。储罐的大型化和集群化意味当单个储罐发生火灾事故时，不仅单个储罐本身造成的危害是巨大的，而且有可能导致出现连锁效应，危及邻近储罐，因此在储罐发生火灾事故后，对邻近储罐进行隔热防护显得尤为重要。
现有应用于油罐外壁的隔热涂料能够广泛有效地阻止热传导，降低表面涂层和油罐的内部环境温度，从而达到改善工作环境，降低能耗的目的。但是，目前市面上的隔热涂料只适应于自然日光条件下的隔热，无法满足火灾状态下对于储罐的隔热防护，且目前的隔热涂料多是涂抹于储罐的表面，不适应于火灾场景下对储罐进行紧急隔热防护。
聚丙烯酸盐如聚丙烯酸钠和聚丙烯酸钾是一类新型的功能高分子材料，其在水处理、油田钻井、化工、食品加工等领域得到了广泛的应用
硅酸镁锂是一种蒙皂石族硅酸盐矿物，硅酸镁锂在水中膨胀能形成包含大量水的网络结构的凝胶,因此其被广泛的应用于涂料、纸张、印刷油墨、化妆品、家用制剂、牙膏、表面涂层、陶瓷、农药、颜料、研磨膏、胶粘剂等作增稠剂、触变剂、悬浮剂、防流挂剂、上浆剂、分散剂、粘合剂，但是目前未见到聚丙烯酸盐与硅酸镁锂杂化并应用于隔热材料中。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的其一在于提供一种应用于火灾场景的隔热复合材料。本发明的目的其二在于提供上述隔热复合材料的制备方法。本发明的目的其三在于提供上述隔热复合材料的应用方法。
为实现上述目的，本发明提供一种应对火灾场景的隔热复合材料，所述隔热复合材料的制备原料包括：硅酸镁锂,NaHSO3，(NH4)2S2O8，丙烯酸钾溶液，蒸馏水；
优选地，所述隔热复合材料按重量百分比计的制备原料包括：硅酸镁锂0.83％-1.4％,NaHSO3 1.38％-1.5％，(NH4)2S2O8 0.08％-0.14％,丙烯酸钾溶液16.7％，蒸馏水80.26％-81.46％；
优选地，所述隔热复合材料按重量百分计的制备原料包括：硅酸镁锂1.4％,NaHSO3 1.38％，(NH4)2S2O8 0.14％,丙烯酸钾溶液16.7％，蒸馏水80.38％；
优选地，丙烯酸钾溶液按重量比计的制备原料包括：不含阻滞剂的丙烯酸：30％KOH＝3：8；
不含阻滞剂的丙烯酸按重量百分比计的制备原料包括：丙烯酸99％，对苯二酚1％。
此外，本发明还提供一种应对火灾场景的隔热复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将丙烯酸和对苯二酚混合，搅拌，加热得到不含有阻聚剂的丙烯酸；
步骤二，将KOH滴加到不含有阻聚剂的丙烯酸中，在水浴条件下搅拌得到丙烯酸钾溶液；
步骤三，将硅酸镁锂和蒸馏水混合，搅拌并使其均匀分散，之后加入NaHSO3继续搅拌，加热；将(NH4)2S2O8溶于蒸馏水中制成(NH4)2S2O8溶液；将丙烯酸钾溶液和(NH4)2S2O8水溶液滴加到硅酸镁锂溶液中，控制反应温度和反应时间，即得无色透明粘稠的聚丙烯酸钾；
步骤四，将聚丙烯酸钾干燥和研磨后得到聚丙烯酸钾粉末，之后将聚丙烯酸钾粉末与水按比例混合并调节动力黏度，即得所述隔热复合材料。
优选地，所述步骤一中，所述加热的温度为40℃-70℃。
优选地，所述步骤二中，所述水浴的温度条件为20℃。
优选地，所述步骤三中，所述加热的温度为70℃；在所述步骤三中，所述反应温度为60℃；在所述步骤三中，所述反应时间为4小时。
优选地，所述步骤四中，所述干燥的温度为70℃；所述步骤四中，所述干燥的时间为18h；所述步骤四中，聚丙烯酸钾粉末与水的混合比例为1:12，所述步骤四中，所述动力粘度调节为3Pa·s。
此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种应对火灾场景的隔热复合材料的应用，所述隔热复合材料喷涂于材料表面。
相较于现有技术，本发明隔热材料的有益效果主要在于
1.本发明的隔热材料可以直接与水混合后进行喷涂，因此操作和使用十分的便利，并且适于在火灾场景下对材料进行应急隔热。
2.在发生火灾的情况下，本发明的隔热材料可以在被喷涂的物质表面形成致密、坚固的炭层，因此能够很好的削弱热辐射和防止水分流失，从而对被喷涂的物质起到保护作用。
3.本发明的隔热材料存在两个游离于材料三维网络结构上的亲水基团羟基和羧基，因此本发明的隔热材料可以吸收大量的水分，并且具有良好的保水性能。
4.在发生火灾的情况下，将本发明隔热材料喷涂于邻近储罐，能够大幅降低邻近储罐的升温速率，保护邻近储罐不会因在高温下破裂而引起连锁反应，从而为控制事故及应急救援争取时间。
5.本发明隔热材料的原料易得，价格便宜，生产方便，因此适于大规模生产和应用。
附图说明
图1 PPH隔热材料的红外光谱图。
图2 35kW/m2(左)和50kW/m2(右)热辐射功率下温度测试后PPH3隔热材料的照片。
图3 35kW/m2(左)和50kW/m2(右)热辐射功率下温度测试后PPH3隔热材料的扫描电镜照片。
图4 PPH1和PPH3的TG曲线。
图5 PPH1和PPH3的DTG曲线。
图6 PPH3的TG-IR图谱。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明，应当理解，实施例仅用于进一步说明和阐释本发明，并非用于限制本发明。
实施例1
1.将198g丙烯酸和2g对苯二酚混合，搅拌之后进行加热，加热温度由40℃缓慢升温到70℃，即得不含有阻聚剂的丙烯酸；
2.将60g 30％KOH滴加到160g不含有阻聚剂的丙烯酸中，在20℃水浴条件下搅拌，即得丙烯酸钾溶液；
3.将11g硅酸镁锂和200g蒸馏水混合，搅拌并使其均匀分散，之后加入15g NaHSO3继续搅拌，并且于70℃条件下加热；将0.8g(NH4)2S2O8溶于606.2g蒸馏水中制成(NH4)2S2O8溶液；将167g丙烯酸钾溶液和(NH4)2S2O8水溶液滴加到硅酸镁锂溶液中，60℃反应4小时即得无色透明粘稠的聚丙烯酸钾；
4.将无色透明粘稠的聚丙烯酸钾置于70℃干燥后，研磨得到聚丙烯酸钾粉末，之后将聚丙烯酸钾粉末与水按1:12比例混合并调节为3Pa·s，即得聚丙烯酸钾杂化硅酸镁锂(PPH1,Potassium polyacrylate&Hectorite)。
实施例2
1.将198g丙烯酸和2g对苯二酚混合，搅拌之后进行加热，加热温度由40℃缓慢升温到70℃，即得不含有阻聚剂的丙烯酸；
2.将60g 30％KOH滴加到160g不含有阻聚剂的丙烯酸中，在20℃水浴条件下搅拌，即得丙烯酸钾溶液；
3.将11g硅酸镁锂和200g蒸馏水混合，搅拌并使其均匀分散，之后加入15g NaHSO3继续搅拌，并且于70℃条件下加热；将1.1g(NH4)2S2O8溶于605.9g蒸馏水中制成(NH4)2S2O8溶液；将167g丙烯酸钾溶液和(NH4)2S2O8水溶液滴加到硅酸镁锂溶液中，60℃反应4小时即得无色透明粘稠的聚丙烯酸钾；
4.将无色透明粘稠的聚丙烯酸钾置于70℃干燥后，研磨得到聚丙烯酸钾粉末，之后将聚丙烯酸钾粉末与水按1:12比例混合并调节为3Pa·s，即得聚丙烯酸钾杂化硅酸镁锂(PPH2)。
实施例3
1.将198g丙烯酸和2g对苯二酚混合，搅拌之后进行加热，加热温度由40℃缓慢升温到70℃，即得不含有阻聚剂的丙烯酸；
2.将60g 30％KOH滴加到160g不含有阻聚剂的丙烯酸中，在20℃水浴条件下搅拌，即得丙烯酸钾溶液；
3.将11g硅酸镁锂和200g蒸馏水混合，搅拌并使其均匀分散，之后加入15g NaHSO3继续搅拌，并且于70℃条件下加热；将1.4g(NH4)2S2O8溶于605.6g蒸馏水中制成(NH4)2S2O8溶液；将167g丙烯酸钾溶液和(NH4)2S2O8水溶液滴加到硅酸镁锂溶液中，60℃反应4小时即得无色透明粘稠的聚丙烯酸钾；
4.将无色透明粘稠的聚丙烯酸钾置于70℃干燥后，研磨得到聚丙烯酸钾粉末，之后将聚丙烯酸钾粉末与水按1:12比例混合并调节为3Pa·s，即得聚丙烯酸钾杂化硅酸镁锂(PPH3)。
实施例4
1.将198g丙烯酸和2g对苯二酚混合，搅拌之后进行加热，加热温度由40℃缓慢升温到70℃，即得不含有阻聚剂的丙烯酸；
2.将60g 30％KOH滴加到160g不含有阻聚剂的丙烯酸中，在20℃水浴条件下搅拌，即得丙烯酸钾溶液；
3.将11g硅酸镁锂和200g蒸馏水混合，搅拌并使其均匀分散，之后加入14.4gNaHSO3继续搅拌，并且于70℃条件下加热；将1.4g(NH4)2S2O8溶于606.2g蒸馏水中制成(NH4)2S2O8溶液；将167g丙烯酸钾溶液和(NH4)2S2O8水溶液滴加到硅酸镁锂溶液中，60℃反应4小时即得无色透明粘稠的聚丙烯酸钾；
4.将无色透明粘稠的聚丙烯酸钾置于70℃干燥后，研磨得到聚丙烯酸钾粉末，之后将聚丙烯酸钾粉末与水按1:12比例混合并调节为3Pa·s，即得聚丙烯酸钾杂化硅酸镁锂(PPH4)。
实施例5
1.将198g丙烯酸和2g对苯二酚混合，搅拌之后进行加热，加热温度由40℃缓慢升温到70℃，即得不含有阻聚剂的丙烯酸；
2.将60g 30％KOH滴加到160g不含有阻聚剂的丙烯酸中，在20℃水浴条件下搅拌，即得丙烯酸钾溶液；
3.将11g硅酸镁锂和200g蒸馏水混合，搅拌并使其均匀分散，之后加入13.8gNaHSO3继续搅拌，并且于70℃条件下加热；将1.4g(NH4)2S2O8溶于606.8g蒸馏水中制成(NH4)2S2O8溶液；将167g丙烯酸钾溶液和(NH4)2S2O8水溶液滴加到硅酸镁锂溶液中，60℃反应4小时即得无色透明粘稠的聚丙烯酸钾；
4.将无色透明粘稠的聚丙烯酸钾置于70℃干燥后，研磨得到聚丙烯酸钾粉末，之后将聚丙烯酸钾粉末与水按1:12比例混合并调节为3Pa·s，即得聚丙烯酸钾杂化硅酸镁锂(PPH5)。
实施例6
1.将198g丙烯酸和2g对苯二酚混合，搅拌之后进行加热，加热温度由40℃缓慢升温到70℃，即得不含有阻聚剂的丙烯酸；
2.将60g 30％KOH滴加到160g不含有阻聚剂的丙烯酸中，在20℃水浴条件下搅拌，即得丙烯酸钾溶液；
3.将8.3g硅酸镁锂和200g蒸馏水混合，搅拌并使其均匀分散，之后加入13.8gNaHSO3继续搅拌，并且于70℃条件下加热；将1.4g(NH4)2S2O8溶于609.5g蒸馏水中制成(NH4)2S2O8溶液；将167g丙烯酸钾溶液和(NH4)2S2O8水溶液滴加到硅酸镁锂溶液中，60℃反应4小时即得无色透明粘稠的聚丙烯酸钾；
4.将无色透明粘稠的聚丙烯酸钾置于70℃干燥后，研磨得到聚丙烯酸钾粉末，之后将聚丙烯酸钾粉末与水按1:12比例混合并调节为3Pa·s，即得聚丙烯酸钾杂化硅酸镁锂(PPH6)。
实施例7
1.将198g丙烯酸和2g对苯二酚混合，搅拌之后进行加热，加热温度由40℃缓慢升温到70℃，即得不含有阻聚剂的丙烯酸；
2.将60g 30％KOH滴加到160g不含有阻聚剂的丙烯酸中，在20℃水浴条件下搅拌，即得丙烯酸钾溶液；
3.将14g硅酸镁锂和200g蒸馏水混合，搅拌并使其均匀分散，之后加入13.8gNaHSO3继续搅拌，并且于70℃条件下加热；将1.4g(NH4)2S2O8溶于603.8g蒸馏水中制成(NH4)2S2O8溶液；将167g丙烯酸钾溶液和(NH4)2S2O8水溶液滴加到硅酸镁锂溶液中，60℃反应4小时即得无色透明粘稠的聚丙烯酸钾；
4.将无色透明粘稠的聚丙烯酸钾置于70℃干燥后，研磨得到聚丙烯酸钾粉末，之后将聚丙烯酸钾粉末与水按1:12比例混合并调节为3Pa·s，即得聚丙烯酸钾杂化硅酸镁锂(PPH7)。
下面结合实验进一步说明本发明的有益效果：
实验方式
1.PHH红外光谱图
通过傅里叶红外光谱仪获取PHH的红外光谱图。
2.温度测试
将钻孔的钢板(10mm×10mm×2mm)用铝箔包裹，将热电偶(型号WRNK-191，直径2mm，规格L＝300mm)***并固定以测量该深度处的温度变化，利用多通道数据采集仪在线采集所测量的温度数据，并且实时传递到计算机中。热电偶分别高出钢板表面3mm和7mm。制备的PPH1-PPH7隔热材料被均匀的喷涂在钢板表面，在锥形量热仪下分别以35kW/m2和50kW/m2的辐射功率加热。对照组为未喷涂隔热材料的钢板。
3.炭层检测
通过照相机和扫描电子显微镜(SEM)来观察PPH3隔热材料进行温度测试后的炭层情况，在进行扫描电镜观察之前应对样品进行喷金处理。
4.热稳定性分析
将约10mg PPH1和PPH3放入铝坩埚中，以20℃/min的升温速率从30℃加热到700℃(N2环境下，流率为60mL/min)并使用热重分析仪进行检测。
5.热重-红外联用(TG-IR)分析
通过傅里叶红外光谱仪与热重分析仪联用，动态地检测PPH3隔热材料的热解过程。
实验结果
1.PHH红外光谱图结果
通过图1PPH隔热材料的红外光谱图可以看出两个很明显的峰，分别是3436.67cm-1处代表羟基O-H键的伸缩振动峰和1628.29cm-1处代表羧基(-COOH)中羰基(C＝O)伸缩振动吸收峰。这两个基团是游离在材料三维网络结构上的亲水基团，由于它们的存在，隔热材料可以吸收大量的水，因此隔热材料具有良好的保水性能。721.87cm-1处的峰为硅酸镁锂分子内八面体(Mg-OH)弯曲振动，1387.29cm-1处的峰为硅酸镁锂分子内硅氧四面体(Si-O-Si)的伸缩振动，3436.67cm-1处的峰还包含了硅酸镁锂分子晶体层间的羟基氢键峰。硅酸镁锂的特征峰都不强是由于硅酸镁锂的添加量太少，但是通过红外光谱图依然能看出硅酸镁锂参与了聚合。
2.温度测试结果
表1 35kW/m2热辐射功率下，对照组和喷涂3mm实施例1-7的钢板在加热100s，200s，300s，400s，500s，600s时的温度。
100s
200s
300s
400s
500s
600s
对照组
245
400
450
465
469
469
PPH1
59
86
92
100
126
294
PPH2
68
93
103
130
251
347
PPH3
69
94
97
100
128
270
PPH4
75
90
95
106
154
295
PPH5
58
87
96
99
112
209
PPH6
71
96
106
140
264
371
PPH7
78
90
98
101
125
167
表2 35kW/m2热辐射功率下，对照组和喷涂3mm实施例1-7的钢板达到50℃,100℃,150℃,200℃,250℃,300℃时所需的时间。
表3 35kW/m2热辐射功率下，对照组和喷涂7mm实施例1-7的钢板在加热100s，300s，500s，700s，900s时的温度。
100s
300s
500s
700s
900s
对照组
245
450
469
469
469
PPH1
47
87
90
88
99
PPH2
51
90
98
96
114
PPH3
40
81
90
88
97
PPH4
51
92
98
100
114
PPH5
43
88
98
99
100
PPH6
42
88
97
106
236
PPH7
39
73
88
93
106
表4 35kW/m2热辐射功率下，对照组和喷涂3mm实施例1-7的钢板达到40℃,60℃,80℃,100℃,120℃时所需的时间。
表5 50kW/m2热辐射功率下，对照组和喷涂3mm实施例1-7的钢板在加热100s，200s，300s，400s，500s，600s时的温度。
100s
200s
300s
400s
500s
600s
对照组
405
547
584
601
602
604
PPH1
91
99
150
360
454
488
PPH2
84
99
107
153
319
385
PPH3
68
89
94
99
168
252
PPH4
95
106
133
174
278
413
PPH5
78
95
102
122
223
343
PPH6
79
100
129
238
403
460
PPH7
70
100
100
107
186
274
表6 50kW/m2热辐射功率下，对照组和喷涂3mm实施例1-7的钢板达到50℃,150℃,250℃,350℃,450℃时所需的时间。
表7 50kW/m2热辐射功率下，对照组和喷涂7mm实施例1-7的钢板在加热100s，300s，500s，700s，900s时的温度。
100s
300s
500s
700s
900s
对照组
405
547
584
601
602
PPH1
50
93
98
99
250
PPH2
52
94
98
99
178
PPH3
40
85
96
96
109
PPH4
60
89
102
133
319
PPH5
51
95
97
124
175
PPH6
43
98
93
154
463
PPH7
47
87
93
98
154
表8 50kW/m2热辐射功率下，对照组和喷涂3mm实施例1-7的钢板达到50℃,100℃,150℃,200℃,250℃,300℃,350℃,400℃时所需的时间。
通过表1-表8可以看出，在35kW/m2和50kW/m2辐射功率下，加热相同时间时，喷涂隔热材料PPH的钢板的表面温度明显低于未喷涂隔热材料PPH的钢板表面温度。其次，相较于未喷涂隔热材料PPH的钢板，喷涂隔热材料的钢板达到某一相同温度所需的时间明显更长。而且，随着隔热材料厚度的增加，隔热材料对于钢板的隔热能力也随之增强。其中，PPH7隔热材料的隔热性能最优。
3.炭层测试结果
通过图2可以看出隔热材料在钢板表面形成了一层炭层，且炭层对钢板的包裹性良好。通过图3可以看出，隔热材料被加热后所形成的炭层较为致密并且没有明显的孔洞。通过上述结果可以得出，隔热材料可以在钢板表面形成较为致密、坚固的炭层，而形成炭层起到减慢水蒸气扩散和减缓热量向下辐射的作用。
4.热稳定性分析结果
通过图4可以看出，PPH3的分解温度要高于PPH1，PPH1快速失重的温度为100℃，而PPH3快速失重的温度为120℃。200℃时两种样品的分解速度减慢，此时PPH3的剩余质量约为16.5％，PPH1的剩余质量约为10％。由图4的放大部分可以看出，200℃后PPH3还在分解，这是由于材料本身的保水性能较好，材料中的水分此时彻底蒸发完毕，剩余材料开始分解，到400℃时两组样品剩余质量基本相同，但是仍然在缓慢分解直到700℃测试结束。
通过图5可以看出，PPH1样品的DTG峰值为28.1％/min，而PPH3样品的DTG峰值为16.3％/min，而且PPH3样品达到DTG峰值的温度要比PPH1样品高。
通过上述结果可以看出，PPH3隔热材料的热稳定性高于PPH1。
5.热重-红外联用(TG-IR)分析
通过图6可以看出，最明显的峰是位于1650cm-1处的峰，此处代表的是样品中含有的羰基(C＝O)，200℃之前波峰较弱，在200℃之后波峰开始增强。同样，出现在3750cm-1处的吸收峰，也出现了这种趋势，略有不同的是，3750cm-1处的峰从100℃-200℃的过程中是减弱的，这是因为在100℃时分解产物的主要成分是水蒸气，此时3750cm-1处的峰对应的是水中的O-H弯曲振动。200℃之后，3750cm-1处的峰又开始增强，这与1650cm-1处的峰表现的趋势相同，这是因为，在200℃之前样品受热分解的大部分产物是水蒸气，到了200℃之后样品开始分解，样品中的-OH和-COOH等基团分解为气相产物，这就是1650cm-1和3750cm-1处的峰在200℃之后开始明显上升的原因，需要注意的是3750cm-1处的峰在200℃之前代表水中的O-H弯曲振动，在200℃之后表示-OH基团。
通过以上分析可以知道，PPH隔热材料受热分解分为两个阶段，在200℃之前主要分解产物是水和少量羰基化合物。因为材料本身具有很好的保水性，200℃时水分才完全蒸发完毕，250℃之后剩余样品开始分解，此时会产生大量羰基化合物。
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