阻燃塗料及其應用的製作方法

2023-10-09 15:10:04 4

本發明涉及阻燃領域，尤其涉及一種阻燃塗料及其應用。

背景技術：

當前，大量可燃性高分子材料及其複合物被廣泛用於建築物、室內裝飾、家具、電子電器、電線電纜和交通工具等方面，成為引發火災的主要誘因。阻燃劑的應用是目前高分子阻燃的重要手段。現有的阻燃劑主要包括含滷阻燃劑、氫氧化物、氮磷復配阻燃劑等，其中含滷阻燃劑在燃燒過程中會釋放有毒有害或致癌氣體，導致人員中毒甚至窒息死亡。氫氧化物阻燃劑在使用時的添加量較大，會造成高分子材料的綜合性能受損。因此，研製新型阻燃劑及開發阻燃新技術是未來阻燃領域的重要研究方向。

多孔泡沫塑料已經被廣泛應用於軟墊、家具、汽車用品、床上用品等。然而多孔泡沫塑料在處於開放的火源或者熱源的時候，極度易燃，釋放出一氧化碳、氰化氫和微量氮氧化物等有毒氣體。這種極度易燃的特性會導致巨大的經濟損失和嚴重的人員傷亡。因而，如何通過製備具有阻燃性能的多孔泡沫塑料來減少這些危害，吸引了廣泛的關注。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種阻燃塗料及其應用，本發明的阻燃塗料可有效降低熱和氧的傳輸，阻止火焰的蔓延，且燃燒時幾乎沒有有毒有害氣體產生，可有效的應用於多孔泡沫塑料的阻燃。

本發明的一種阻燃塗料，以其總質量為基準，包括以下質量百分比的組分：無機層狀材料0.1％-10％，水溶性有機高分子粘結劑0.1％-10％，阻燃劑0.01％-15％和水65％-99.79％。

優選的，以阻燃塗料總質量為基準，包括以下質量百分比的組分：無機層狀材料0.2％-3.0％，水溶性有機高分子粘結劑0.2％-3.0％，阻燃劑0.2％-3.0％，水91.0％-99.4％。

進一步地，以阻燃塗料總質量為基準，包括以下質量百分比的組分：無機層狀材料1.0％，水溶性有機高分子粘結劑0.5％，阻燃劑2％，水96.5％。

進一步地，以阻燃塗料總質量為基準，包括以下質量百分比的組分：無機層狀材料0.5％，水溶性有機高分子粘結劑1.0％，阻燃劑2％，水96.5％。

進一步地，無機層狀材料為高嶺石、伊利石、蛭石、海泡石、鋰皂石、層狀磷酸鹽、過渡金屬氧化物、層狀金屬硫化物、鈣鈦礦型金屬滷化物、水滑石、石墨、石墨烯及其衍生物、層狀鈦酸和層狀鈦酸鹽中的一種或幾種。

進一步地，阻燃劑為氮系阻燃劑或滷系阻燃劑。以上阻燃劑為水溶性或可在水中分散的阻燃劑。

進一步地，阻燃劑為磷酸二氫銨、磷酸二銨、聚磷酸銨、三聚氰胺、十溴二苯乙烷、十溴二苯醚和四溴雙酚a中的一種或幾種。

進一步地，水溶性有機高分子粘結劑為聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯醯胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯亞胺、羧甲基纖維素、羧甲基纖維素衍生物、甲基纖維素、甲基纖維素衍生物、乙基纖維素、乙基纖維素衍生物、羥丙基纖維素、羥丙基纖維素衍生物和殼聚糖中的一種或幾種。

本發明的阻燃塗料中，無機層狀材料由二維納米片層有序堆砌而成，塗料中的水溶性阻燃劑可分布於上述二維納米片的層與層之間，納米片層材料對熱量和氧氣具有屏蔽作用，可有效降低熱和氧的傳輸，阻止火焰的蔓延，且塗覆了阻燃塗料的物質在燃燒時幾乎沒有有害氣體產生。並且，本發明的阻燃塗料可以經過一步法自組裝形成二維納米片層有序堆砌，並且可以實現連續加工。

本發明還提供了一種上述阻燃塗料在作為多孔泡沫塑料阻燃塗料中的應用。多孔泡沫塑料為聚氨酯泡沫塑料、聚乙烯泡沫塑料、聚丙烯泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料中的一種或幾種。

藉由上述方案，本發明至少具有以下優點：

本發明提供了一種有機/無機高效綠色環保複合塗料，利用無機層狀材料和水溶性阻燃劑的相互作用，且塗料中的溶劑為水，綠色環保。本發明的阻燃塗料對多孔泡沫塑料具有較高的阻燃效果。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，並可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例並配合附圖詳細說明如後。

附圖說明

圖1是本發明阻燃塗料和對比塗料的紅外光譜圖；

圖2是本發明阻燃塗料、對比塗料以及純mmt的xrd測試結果；

圖3是使用不同阻燃塗料處理的聚氨酯泡沫塑料的水平燃燒測試結果；

圖4是不同阻燃塗料處理的聚氨酯泡沫塑料在水平燃燒測試前的sem測試結果；

圖5是不同阻燃塗料處理的聚氨酯泡沫塑料在水平燃燒測試後的sem測試結果；

圖6是不同阻燃塗料處理的聚氨酯泡沫塑料微量燃燒量熱儀測試結果。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。

實施例1

本實施例提供了作為對照的對比塗料，具體如下：

室溫下，將磷酸二氫銨(adp，98％，alfaaesar)、水與聚丙烯酸(paa，240,000g/mol，acrosorganics)混合，攪拌1小時。得到阻燃塗料(標號為3paa-0mmt-4adp)，其中各組分的質量百分比如下：paa1.5％，adp2％，水96.5％。

實施例2

室溫下，將蒙脫土(mmt，mineralstechnologiesinc.)和去離子水攪拌過夜，再加入磷酸二氫銨(adp，98％，alfaaesar)，攪拌1小時，得到阻燃塗料(標號為0paa-3mmt-4adp)，其中各組分的質量百分比如下：mmt1.5％，adp2％，水96.5％。

實施例3

室溫下，將蒙脫土(mmt，mineralstechnologiesinc.)和去離子水攪拌過夜，再加入磷酸二氫銨(adp，98％，alfaaesar)，攪拌1小時；再加入聚丙烯酸(paa，240,000g/mol，acrosorganics)，攪拌1小時。得到阻燃塗料(標號為1paa-2mmt-4adp)，其中各組分的質量百分比如下：paa0.5％，mmt1.0％，adp2％，水96.5％。

實施例4

室溫下，將蒙脫土(mmt，mineralstechnologiesinc.)和去離子水攪拌過夜，再加入磷酸二氫銨(adp，98％，alfaaesar)，攪拌1小時；再加入聚丙烯酸(paa，240,000g/mol，acrosorganics)，攪拌1小時。得到阻燃塗料(標號為2paa-1mmt-4adp)，其中各組分的質量百分比如下：paa1.0％，mmt0.5％，adp2％，水96.5％。

將尺寸為30×30×30mm3的立方聚氨酯泡沫塑料浸泡在實施例1-4中製得的阻燃塗料中，多次擠壓聚氨酯泡沫塑料，讓阻燃塗料充分進入聚氨酯泡沫塑料內部，然後放入烘乾機在90℃烘2小時，烘乾後測試聚氨酯泡沫塑料的增重，結果見表1。

表1.阻燃塗料配方及聚氨酯泡沫塑料的增重

圖1是實施例1-4所製備的阻燃塗料的紅外圖譜。從圖中可以看出，這4種塗料在約3230cm-1的位置有吸收峰，對應adp中n-h伸縮振動峰。此外，在1400cm-1和1440cm-1的雙峰、在1240cm-1的單峰、1070cm-1的單峰分別對應n-h彎曲振動，p＝o伸縮振動，和p-o彎曲振動。隨著paa含量的增加，c＝o伸縮振動峰(1700cm-1)信號越來越強。所有含有mmt的峰，都包含si-o鍵的伸縮振動峰，但位於約1083cm-1處，與adp的n-h彎曲振動峰(1070cm-1)重疊。

圖2是4種塗料及純mmt(neatmmt)的x-射線衍射譜圖。從圖中可以看出，在2～15°，純mmt的層間距是0.97nm。而在同時含有adp和mmt的阻燃塗料中，adp會進入mmt片層之間的空隙，mmt的片間距變大到1.18nm，如2paa-1mmt-4adp(實施例3)。進一步提高paa與mmt的比率，出現雙峰，相對應的蒙脫土層間距是1.05and2.17nm，如1paa-2mmt-4adp(實施例2)。再進一步提高paa與mmt的比率，雙峰變弱，如3paa-2mmt-4adp(實施例1)。直到完全沒有mmt(實施例4)，雙峰完全消失。

利用丁烷燃燒器對聚氨酯泡沫塑料作水平燃燒測試。火焰溫度約為1300℃，時間10秒鐘，結果如圖3。在沒有任何塗料的添加下，對比樣(未經塗敷的聚氨酯泡沫塑料，圖3(1)-(3))遇到燃燒器火焰很快就熔融降解，直到底部留下殘餘碎片。所有處理過的泡沫塑料都沒有出現熔融滴落現象。0paa-3mmt-4adp處理過的塑料(圖3(13)-(15))阻燃性最好，燃燒面積最小，只有2個面，並帶有一點燃燒收縮。對於1paa-2mmt-4adp處理過的塑料(圖3(7)-(9))，火焰進一步蔓延更多的面積，到達3個面，但是泡沫塑料卻沒有一丁點的收縮。進一步提高paa和mmt的比率，火焰蔓延到4個面，也出現燃燒收縮，但還是維持著泡沫整個立方形狀，如2paa-1mmt-4adp處理過的塑料(圖3(10)-(12))。在沒有mmt的添加下，3paa-0mmt-4adp處理過的塑料(圖3(4)-(6))無論是外部還是內部，都被火焰燒到完全變形。這個結果證明mmt所產生的片層結構對於阻燃非常關鍵。

利用掃描電鏡來探索燃燒前後聚氨酯泡沫塑料的微觀形貌。如圖4所示，燃燒前，0paa-3mmt-4adp處理過的泡沫塑料的表面非常粗糙，並且看上去很像一些樹葉堆積，這是因為mmt和adp的相互作用。隨著paa與mmt的比率提高，聚氨酯泡沫塑料變得越來越光滑。直到3paa-0mmt-4adp處理過的泡沫塑料，其表面完全光滑。如圖5所示，燃燒後，0paa-3mmt-4adp、1paa-2mmt-4adp和2paa-1mmt-4adp處理過的泡沫塑料都維持著完整的環結構，而3paa-0mmt-4adp處理過的泡沫塑料卻出現很大的變形，這個結果和水平燃燒測試一致。從更大的放大倍數看，燃燒後的0paa-3mmt-4adp處理過的泡沫塑料的表面好像有無數的納米粒子堆積。雖然1paa-2mmt-4adp、2paa-1mmt-4adp和3paa-0mmt-4adp處理過的泡沫塑料都出現膨脹性的泡狀形態，但在3paa-0mmt-4adp處理過的泡沫塑料的表面出現很多大的孔洞。閉合的膨脹性的泡狀物大大有利於1paa-2mmt-4adp和2paa-1mmt-4adp對於火焰和氧氣的阻隔。圖4和圖5中，每列圖自上而下放大倍數以此增大，圖中比例尺代表放大倍數。

使用微量燃燒量熱儀分別對使用本發明的阻燃塗料處理過的聚氨酯泡沫塑料和對比樣進行測試，獲得熱釋放速率和熱釋放總量，結果如圖6和表2所示。結果表明，相對於對比樣，雖然使用本發明的阻燃塗料處理過的聚氨酯泡沫塑料的最大熱釋放速率的峰位置都往低溫走，但是其最大熱釋放速率和熱釋放總量都大大降低。處理過的聚氨酯泡沫塑料和對比樣都有兩個峰，分別出現在260～290℃和340～400℃。對於處理過的聚氨酯泡沫塑料，第一個峰所在的熱釋放速率範圍在80～90w/g，比對比樣的降低了37.5％以上。3paa-0mmt-4adp處理過的聚氨酯泡沫塑料的第二個峰(即最大熱釋放速率)僅僅比對比樣降低8.6％。隨著paa和mmt的速率降低，2paa-1mmt-4adp和1paa-2mmt-4adp處理過的聚氨酯泡沫塑料的最大熱釋放速率分別降低了42.6％和46.2％，而0paa-3mmt-4adp處理過的聚氨酯泡沫塑料則降低了51.8％。熱釋放總量方面，0paa-3mmt-4adp處理過的聚氨酯泡沫塑料降低了45％以上。

表2不同樣品的微量燃燒量熱儀測試結果

表2中，pkhrr代表最大熱釋放速率，thr代表熱釋放總量，thrreduction代表熱釋放總量相對空白樣(未經塗敷的聚氨酯泡沫塑料)減少百分比。

從以上結果可知，本發明的水性複合塗料可有效的應用於聚氨酯泡沫塑料的阻燃，阻燃效果明顯。

實施例5

室溫下，將鋰皂石和去離子水攪拌過夜，再加入三聚氰胺，攪拌1小時；再加入殼聚糖，攪拌1小時。得到阻燃塗料，其中各組分的質量百分比如下：殼聚糖0.2％，鋰皂石1.0％，三聚氰胺2.5％，水96.3％。

實施例6

室溫下，將高嶺石和去離子水攪拌過夜，再加入磷酸二銨，攪拌1小時；再加入甲基纖維素，攪拌1小時。得到阻燃塗料，其中各組分的質量百分比如下：甲基纖維素0.8％，高嶺石2.0％，磷酸二銨4.8％，水92.4％。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，並不用於限制本發明，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護範圍。