一種固‑液相變改性矽灰基阻燃木材複合塗料的製作方法
2023-10-24 05:58:32 3
本發明屬於化工建材和消防安全技術領域，具體涉及一種固-液相變改性矽灰基阻燃木材複合塗料及其製備方法。
背景技術：
當前室內裝修及家具常採用纖維板、顆粒板和刨花板等人造板，其美觀、輕質和拆裝方便，但易燃性已對人居環境造成重大安全隱患，塗覆阻燃塗料可提高木材的被動阻燃性能，當前水性建築塗料的主要成膜材料為水性聚氨酯、水性丙烯酸和水性環氧樹脂塗料等，其中水性聚氨酯塗料因其優良性能已被廣泛應用，尤其是採用丙烯酸酯改性水性聚氨酯乳液製備價廉、安全、無毒、環保的新型塗料，因此水性阻燃塗料的製備和研究主要聚焦於有機成膜材料與木材表面的粘結性能，以及無機納米粒子在有機成膜材料中的生長機理和阻燃效應。但對無機矽溶膠系塗料的研究較少，缺乏以無機矽質成膜材料為基料的阻燃木材塗料的製備及性能研究。
在無氯阻燃材料的設計中，借鑑相變材料的蓄熱性能可提高熱塑複合材料中膨脹性阻燃材料的成炭性能。為了提高膨脹性阻燃材料的阻燃性能，常採用石蠟、脂肪酸等作為相變材料應用於阻燃材料的設計和研發中。將有機相變材料和氧化石墨烯分散在高密度聚乙烯中以提高其熱導率。然而有機相變材料常存在熱穩定性較低，易發生洩漏，對基材具有一定的腐蝕性。
依據發明人查閱的大量專利及文獻資料，通過將多種脂肪酸混合形成蓄熱能力更強的相變材料，將其應用於矽質阻燃塗料改性，目前未見有報導。
技術實現要素：
針對現有技術存在的不足，本發明提出一種新型的固-液相變改性矽灰基阻燃木材複合塗料及其製備方法。
為解決上述問題，本發明採用的技術方案是：
一種固-液相變改性矽灰基阻燃木材複合塗料，以質量百分數計，包括以下原料：
原料的質量百分數之和為100％；
激發劑採用矽酸鈉和氫氧化鉀的混合物。
所述激發劑包括質量百分數10％～18％的矽酸鈉和5％～7％的氫氧化鉀。
所述活性炭為核桃殼活性炭，平均粒度50.82μm。
所述聚丙烯醯胺為陰離子型白色顆粒。
所述矽油為無色、完全透明的甲基矽油。
所述複合塗的製備方法包括如下步驟：
將配方量的激發劑溶入定量水中進行第一次攪拌後加入配方量的矽灰再次進行第二次攪拌，製得矽灰基溶膠；向矽灰基溶膠中依次加入配方量的活性炭、棕櫚酸、癸酸、聚丙烯醯胺、矽油後進行第三次攪拌，靜置即得到複合塗料。
第一次攪拌條件為60℃～70℃、1000r/min～1500r/min攪拌30min。
配方量矽灰加入的時間持續15min～20min。
配方量的活性炭、棕櫚酸、癸酸、聚丙烯醯胺、矽油加入總時間持續5min～8min。
第三次攪拌條件為1000r/min～1500r/min攪拌10min～15min。
與現有技術相比，本發明具有以下技術效果：
1)本發明的創新性在於開闢了以矽灰、活性炭，固-液相變材料，聚丙烯醯胺、矽油製備矽酸鹽系塗料，研發阻燃木材塗料的新途徑。
2)本發明製備的複合塗料的熱穩定性高，對木材的阻燃性能優異。
3)本發明的原材料成本低廉、環保，能夠規模利用工業固廢矽灰製備阻燃木材塗料，且塗料在整個生命周期均無毒無害。
4)本發明的製備方法採用較低的加熱溫度，製備過程在室內常溫常壓條件下進行即可，製備條件柔和。
為了使本發明的目的及優點更加清楚明白，以下結合實施例對本發明進行進一步詳細說明。此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
具體實施方式
矽灰源於冶金工業固廢，屬富含活性矽的粉體，發明人研究發現，矽灰經激發劑的化學改性可形成具有-si-o-si-結構的矽溶膠，摻入助劑或經養護處理，可形成對木板粘附性較強的矽質膜層，理論上可產生阻燃效應，但實際其阻燃效果不佳。經發明人研究還發現，激發劑矽酸鈉和氫氧化鉀的加入對矽灰具有協同反應的效果，其有助於矽灰發展成結構更加緻密的無定型矽質層，一定程度上能提高矽灰基塗料的熱穩定性，但是在較低溫度(<200℃)下，其阻燃性能效果依舊不佳，因此，發明人長期探索，期望能有效改善矽灰基塗料的阻燃效果：採用na2sio3和koh改性矽灰製備矽溶膠，首先矽灰可「解聚」形成大量含si-oh的≡si-o-si≡矽氧鏈及矽氧四面單體si(oh)4，通過溶膠-凝膠法製備納米基體的過程中，將相變儲能材料加入溶膠中，在凝膠網絡形成後，相變儲能材料被自然的包覆在其中。加入的固-液相變材料棕櫚酸(十六烷酸)和癸酸(ch3(ch2)8cooh)，其同時具備較長鏈烷基-ch2-和親水性羧基，可與矽質溶膠表面的羥基發生酯化反應，在其表面形成固-液相變有機包覆層，降低表面能和親水性，即相變材料與矽質基體之間存在較強的化學鍵力，即使相變發生熔化，也不會產生宏觀流動，熱穩定性較高，相變材料還可嵌插入矽氧鏈形成的三維網狀結構，提高其交聯密度的同時，提高塗層的彈性和耐水性。同時由於長鏈烷基的空間位阻作用使得矽灰顆粒的相互接觸受到了阻礙，抑制了團聚體形成，可提高塗料的施工性能。
因此，本發明利用可提供無機鋁矽酸鹽成分的矽灰為原料，在化學改性劑矽酸鈉和氫氧化鉀的作用下，生成無機矽灰基溶膠，摻入固-液相變材料以提高其相變阻燃性能，並輔以活性炭、聚丙烯醯胺、矽油提高其被動防火有效性；其中，矽灰的重量為原料重量的25～35％，九水矽酸鈉為12-18wt％，氫氧化鉀為5～7wt％，溶液中鈉離子的量濃度cna+為2mol·l-1，鉀離子的量濃度ck+為2mol·l-1。
本發明所述矽灰可在市面直接購買得到，其主要化學質量百分數組成為：sio2：86.18％，al2o3：2.49％，mgo：1.95％，fe2o3：1.85％，k2o：1.66％，cao：1.61％，na2o：1.18％，tio2：0.84％，so3：0.38％，其它：1.86％。
本發明活性炭為核桃殼活性炭，平均粒度50.82μm。
本發明聚丙烯醯胺為陰離子型白色顆粒。
本發明矽油為無色、完全透明、液體狀的甲基矽油。
實施例1：
本實施例提供一種固-固相變改性矽灰基阻燃木材複合塗料，包括以下原料：
微細矽灰粉25wt％
九水矽酸鈉10wt％
氫氧化鉀5wt％
棕櫚酸1wt％
癸酸1wt％
聚丙烯醯胺1wt％
活性炭2wt％
矽油0.5wt％
水餘量。
包括下列步驟：
在恆溫30℃的水浴條件下，將配方量的棕櫚酸溶於等質量的癸酸中，充分攪拌混合形成固-液相變材料，準確稱取矽灰，活性炭，聚丙烯醯胺，矽油和固-液相變材料，將配方量的激發劑矽酸鈉和氫氧化鉀混合物溶入定量水中，然後將混合溶液置於60℃的磁力加熱攪拌機中攪拌30min，攪拌速度1000r/min；然後將配方量的矽灰緩慢加入攪拌機中拌和，約15min加完，製得矽灰基溶膠；最後依次加入配方量的活性炭、聚丙烯醯胺、矽油和固-液相變材料，約5min加完，以1500r/min的速度再攪拌10min，靜置即為複合塗料成品。
將複合塗料塗覆在膠合板表面，燃燒檢測其熱釋放性能，結果見表1。
實施例2：
本實施例提供一種固-固相變改性矽灰基阻燃木材複合塗料，包括以下原料：
微細矽灰粉25wt％
九水矽酸鈉15wt％
氫氧化鉀5wt％
棕櫚酸8wt％
癸酸8wt％
聚丙烯醯胺0.5wt％
活性炭5wt％
矽油1wt％
水餘量
製備步驟同實施例1，檢測結果見表1。
實施例3：
本實施例提供一種固-固相變改性矽灰基阻燃木材複合塗料，包括以下原料：
微細矽灰粉30wt％
九水矽酸鈉18wt％
氫氧化鉀7wt％
棕櫚酸4wt％
癸酸4wt％
聚丙烯醯胺1.5wt％
活性炭4wt％
矽油2wt％
水餘量
製備步驟同實施例1，檢測結果見表1。
表1實施例與對比例複合塗料的熱釋放性能
表1為3個實施例塗料和未進行「固液相變」(即未添加棕櫚酸和癸酸)的改性矽灰基塗料(對比例)的實驗結果，從中可見採用「固液相變」改性矽灰基阻燃塗料，在保持熱釋放速率基本不變的情況下，可顯著提高樣品的引燃時間，提高其阻燃性能。