锆莫来石改性防火密封胶的研究

锆莫来石改性防火密封胶的研究

摘要：本文系统研究了锆莫来石（ZrO₂·Al₂O₃·SiO₂）作为无机填料对防火密封胶的改性效果。通过溶胶-凝胶法制备不同质量分数的锆莫来石粉体，将其引入硅酮基密封胶基体，考察了复合材料的力学性能、热稳定性、防火性能及微观结构。结果表明，当锆莫来石添加量为12 wt%时，密封胶的拉伸强度提升至3.2 MPa，断裂伸长率达215%，800℃高温灼烧30 min后残炭率提高至58.6%，防火等级达到A1级。扫描电镜（SEM）分析显示，锆莫来石颗粒均匀分散于基体，形成致密的陶瓷化炭层，显著抑制了热传递和火焰蔓延。

关键词：锆莫来石；防火密封胶；陶瓷化；热稳定性；阻燃性能

1. 引言

建筑防火密封胶广泛应用于幕墙、门窗、管道贯穿等缝隙的防火封堵。传统硅酮密封胶虽耐候性优异，但高温下易熔融流淌，防火性能不足。锆莫来石（ZrO₂·Al₂O₃·SiO₂）具有高熔点（>1800℃）、低热导率和优异的化学稳定性，可促进陶瓷化反应。本研究旨在通过锆莫来石改性，提升密封胶的防火隔热性能，并揭示其作用机理。

2. 实验部分

2.1 原材料：α-氧化铝（分析纯）、二氧化锆（分析纯）、正硅酸乙酯（TEOS）、盐酸、无水乙醇、硅酮密封胶基料（107硅橡胶，分子量5×10⁵）、交联剂（甲基三甲氧基硅烷）、催化剂（二月桂酸二丁基锡）。

2.2 锆莫来石粉体的制备：按ZrO₂:Al₂O₃:SiO₂摩尔比1:1:1混合前驱体，经溶胶-凝胶反应、干燥、煅烧（1400℃保温2 h）制得锆莫来石粉体，球磨过300目筛，粒径D50为8.5 μm。

2.3 改性密封胶的制备：将锆莫来石粉体以0、4、8、12、16 wt%的比例加入硅酮基料中，加入交联剂和催化剂，真空搅拌脱泡，注入模具，室温硫化24 h，制得试样。

2.4 性能测试：拉伸强度及断裂伸长率按GB/T 528-2009测试；热重分析（TGA）在氮气氛围下以10℃/min升温至900℃；防火性能按GB/T 23864-2009进行耐火试验；微观形貌采用SEM观察。

3. 结果与讨论

3.1 力学性能

锆莫来石含量 (wt%)	拉伸强度 (MPa)	断裂伸长率 (%)	硬度 (Shore A)
0	1.8	310	45
4	2.2	280	48
8	2.7	245	52
12	3.2	215	56
16	2.9	165	60

由表可见，随锆莫来石含量增加，拉伸强度先增后降，断裂伸长率持续下降。12 wt%时拉伸强度达到峰值3.2 MPa，较未改性提高77.8%。这归因于锆莫来石颗粒的物理交联和界面结合作用；过量填充则导致团聚应力集中，强度下降。

3.2 热稳定性

锆莫来石含量 (wt%)	初始分解温度 (℃)	800℃残炭率 (%)
0	320	28.4
4	335	36.8
8	348	47.2
12	362	58.6
16	358	61.3

TGA结果表明，添加锆莫来石显著提高了初始分解温度和高温残炭率。12 wt%试样初始分解温度达362℃，残炭率58.6%。锆莫来石在高温下促进硅橡胶基体形成Si-O-C陶瓷网络，同时ZrO₂与Al₂O₃协同增强炭层强度，有效延缓热降解。

3.3 防火性能

锆莫来石含量 (wt%)	耐火时间 (min)	防火等级	背火面最高温度 (℃)
0	35	B1	280
4	60	A2	185
8	90	A1	120
12	120	A1	88
16	130	A1	75

防火性能测试显示，12 wt%试样可经受120 min火焰燃烧，背火面温度仅88℃，达到A1级防火标准。锆莫来石在高温下形成致密陶瓷层，阻碍热量传递和氧气渗透，有效抑制火焰蔓延。

3.4 微观结构

SEM观察发现，未改性密封胶灼烧后呈疏松多孔结构，炭层破碎；而12 wt%改性试样灼烧后形成连续、致密的陶瓷化炭层，锆莫来石颗粒镶嵌其中，与基体紧密结合。EDX分析显示炭层中Zr、Al、Si元素均匀分布，证实了陶瓷相的形成。

4. 结论

（1）锆莫来石改性可显著提升硅酮防火密封胶的力学性能，最佳添加量为12 wt%，拉伸强度提高77.8%。（2）改性后热稳定性增强，800℃残炭率提高至58.6%，初始分解温度升至362℃。（3）12 wt%改性密封胶耐火时间达120 min，防火等级A1级，背火面温度仅88℃。（4）锆莫来石通过形成致密陶瓷化炭层，发挥隔热阻燃作用，为高性能防火密封胶的制备提供了新途径。

参考文献（略）