CN103435736A

CN103435736A - 一种用于水性膨胀型防火涂料的乳液及其制备方法

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Publication number: CN103435736A
Application number: CN2013103697234A
Authority: CN
Inventors: 夏正斌; 邱珍珍
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-08-22
Also published as: CN103435736B

Abstract

本发明涉及一种用于水性膨胀型防火涂料的乳液及其制备方法，该乳液的原料包括单体40～46%、复合乳化剂0.08～1.5%、引发剂0.18～0.25%、碳酸氢钠0.2～0.4%、叔丁基过氧化氢0.02～0.03%、甲醛次硫酸氢钠0.015～0.025%，其余为去离子水，采用半连续种子乳液聚合法制备。所得乳液储存稳定性良好，乳胶膜软化温度低于100℃，熔融粘度低（50～110Pa·s），热稳定性好，热分解区间为286～590℃，与阻燃体系主要分解区间（270～620℃）相匹配，适合用作水性膨胀型防火涂料的基料。

Description

一种用于水性膨胀型防火涂料的乳液及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种乳液的制备方法，具体涉及一种可用于水性膨胀型防火涂料的乳液的制备方法。

背景技术

水性膨胀型防火涂料一般包含四个基本组分：（1）基料——高分子乳液，如纯丙乳液、苯丙乳液、硅丙乳液、醋丙乳液、醋叔乳液等。（2）膨胀阻燃体系，包括①脱水成炭催化剂，通常为无机酸或在100℃-250℃能分解生成酸的物质，如聚磷酸铵能分解生成磷酸；②炭化剂，通常为含炭量高的多羟基化合物，如季戊四醇、双季戊四醇等；③发泡剂，遇火时能分解产生不燃性气体，如三聚氰胺，双氰胺等。（3）无机填料，如钛白粉、海泡石等。（4）其他助剂，包括润湿剂、分散剂、消泡剂、成膜助剂、增稠剂、防腐剂等。在这些组分中，基料的物理化学性能对膨胀型防火涂料的阻燃效果起着至关重要的作用。一方面，基料起粘结作用，把涂料中的各组分粘合在一起，使涂料干燥后能形成坚固的涂层，对涂料的物理化学性能起决定性作用，是提高涂料耐久性能的关键；另一方面，涂层遇火时，基料与膨胀阻燃体系发生反应，参与成炭过程，影响炭化层结构及强度。基料可以是一种乳液或几种乳液复配，如专利CN102850905A采用水性环氧乳液，专利CN102702962A采用有机硅树脂和其他树脂复配，专利CN102627891A采用醋叔乳液作为基料，专利CN102766391A采用水性环氧乳液和水性氨基树脂为成膜物质，专利US7105605采用牛顿型丙烯酸树脂和交联型丙烯酸树脂作为基料，均制得防火性能较好的水性膨胀型防火涂料。

水性膨胀型防火涂料用乳液须具备三个特性（1）具有较低的软化或熔融温度，能够在膨胀阻燃体系分解之前软化或熔融；（2）具有较高的热分解初始温度，热分解初始温度与膨胀阻燃体系初始分解温度相近，热分解区间较长，最好热分解曲线呈阶梯状，如此聚磷酸铵才能有效的催化树脂的热分解，与树脂充分反应，有利于形成致密的炭化层，提高防火性能；（3）较低的熔融粘度。熔融粘度低，发泡剂分解产生的气体容易将涂层吹起，有利于防火涂料的膨胀高度的增加；基料与成炭催化剂，成炭催化剂与成炭剂之间的脱水炭化反应更充分，有利于形成致密的膨胀层；在燃烧后期，较低的熔体粘度有利于焦磷酸钛向表层迁移，更好的阻隔热量的传递。

目前，对于膨胀型防火涂料用乳液的选择主要考虑其玻璃化转变温度、交联性、是否含有难燃元素等，乳液在高温下的粘度和流变行为对防火涂料的影响的研究较少。大多数水性膨胀型防火涂料用乳液在高温下熔体以弹性流动为主，使得防火涂料燃烧时形成的炭化层存在膨胀高度低、致密性差等缺点，影响了涂层的阻燃效果。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种可用于水性膨胀型防火涂料的乳液，该乳液胶膜具有热分解初始温度高、热分解区间与膨胀型防火涂料阻燃体系热分解区间相匹配、软化温度低、熔融粘度低等特点。

本发明的目的还在于提供可用于水性膨胀型防火涂料的乳液的制备方法。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种用于水性膨胀型防火涂料的乳液，由以下质量分数的原料制成：

其中，所述单体包括乙烯基类单体95～97wt%和功能性单体3～5wt%；所述复合乳化剂为由阴离子乳化剂与非离子乳化剂复配而成。

所述单体其均聚物至少具备以下两个特征之一：①热分解初始温度较高，热分解分两个阶段进行，分解区间较长，与阻燃体系热分解区间较匹配；②熔融或软化温度低于250℃，熔体粘度低。所述乙烯基类单体可以是醋酸乙烯酯、丙烯腈、苯乙烯、甲基苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸异丙酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸-2-羟乙酯等硬单体；可以是丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸-2-羟乙酯、丙烯酸-2羟丙酯、叔碳酸乙烯酯、丙烯酸-2-乙基已酯等软单体。所述乙烯基类单体优选由上述硬单体和软单体组成；本发明优选醋酸乙烯酯、丙烯腈作为硬单体，叔碳酸乙烯酯、丙烯酸-2-乙基已酯作为软单体，通过控制软硬单体的相对用量调整聚合物的玻璃化温度，从而调整聚合物的软化温度。随着软单体用量的增加，聚合物的软化温度降低。所述功能性单体优选甲基丙烯酸。甲基丙烯酸含—COOH，可以提高乳液体系的稳定性，从而提高乳液配漆时与各种粉料及助剂的相容性。

所述阴离子乳化剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、壬基酚聚氧乙烯醚硫酸铵盐和烷基二苯醚二磺酸二钠中的一种或两种以上；所述非离子乳化剂为辛基酚聚氧乙烯醚。本发明优选十二烷基硫酸钠与辛基酚聚氧乙烯醚复配，两者的质量比为1:1～1:2。

所述引发剂可以是无机过氧类引发剂如过硫酸钾K₂S₂O₈和过硫酸铵(NH₄)₂S₂O₈，氧化-还原引发剂如过氧化氢和亚硫酸钠、过硫酸钾和亚硫酸氢钠等。本发明优选过硫酸钾和亚硫酸氢钠作为乳液聚合的引发剂，二者质量比为（3～3.5）:1。控制引发剂用量可以在一定程度上控制聚合物分子量，从而控制熔体粘度。

上述乳液的制备方法，包括如下步骤：

（1）在反应器中加入复合乳化剂、碳酸氢钠和去离子水，搅拌，待升温至70～75℃后，滴加部分乙烯基单体和部分引发剂，待乳液泛蓝后，保温至冷凝管中无单体回流，即得种子乳液；

（2）向步骤（1）所得的种子乳液中滴加剩余的乙烯基单体及部分引发剂，在2.5～3h内滴加完毕；

（3）最后滴加功能性单体和剩余引发剂，0.3～0.5h内滴加完毕；升温至80℃，保温1.5h；

（4）降温至60～70℃，依次加入叔丁基过氧化氢水溶液和甲醛次硫酸氢钠水溶液反应除去残余单体；然后降温至45℃以下，用氨水调节pH至7-8，过滤，即得到目的乳液。

步骤（1）中引发剂用量为引发剂总量的(25～35)wt%；步骤（2）中引发剂用量为引发剂总量的(60～65)wt%。

步骤（1）中乙烯基单体用量为乙烯基单体总量的（10～15）wt%。

步骤（4）中加入叔丁基过氧化氢水溶液，保温搅拌5-10min，加入甲醛次硫酸氢钠水溶液，保温搅拌10-25min。

所述引发剂为过硫酸钾和亚硫酸氢钠，二者质量比为（3～3.5）:1，所述亚硫酸氢钠在步骤（1）中一次性加入；过硫酸钾则以水溶液的方式分批滴加，步骤（1）中加入其总量的(25～35)wt%，步骤（2）中加入其总量的(60～65)wt%。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

（1）本发明采用半连续种子乳液聚合法制备了聚合物乳液，整个制备工艺稳定且简便易行。所得乳液储存稳定性良好，乳胶膜软化温度低于100℃，熔融粘度低（50～110Pa·s），热稳定性好，热分解区间为286～590℃，与阻燃体系主要分解区间（270～620℃）相匹配，适合用作水性膨胀型防火涂料的基料。

（2）本发明乳液具备的基本性能为：不挥发物含量大于42%，平均粒径小于300nm，平均粒径分布小于0.1，pH值7～8；钙离子稳定性测试（0.5%CaCl₂溶液）24h无分层、无沉淀，3000r/min机械搅拌30min不破乳，无明显絮凝物，储存6个月无絮凝。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的乳液胶膜、聚磷酸铵（APP）及两者质量比为1:1时的热重曲线，升温速率为10K/min，空气气氛下。

图2为本发明实施例2制备的乳液胶膜的热重曲线，升温速率为10K/min，空气气氛下。

图3为本发明实施例3制备的乳液胶膜的热重曲线，升温速率为10K/min，空气气氛下。

图4为本发明实施例4制备的乳液胶膜的热重曲线，升温速率为10K/min，空气气氛下。

图5为本发明实施例1制备的乳液复合粘度随剪切频率变化的曲线，扫描频率为1～200rad/s。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

实施例1

原料的质量分数组成为：

（1）在装有电动搅拌桨、温度计、冷凝管的反应器中，加入十二烷基硫酸钠、辛基酚聚氧乙烯醚、碳酸氢钠、亚硫酸氢钠和去离子水，搅拌，待升温至70℃后，滴加10%的醋酸乙烯酯和叔碳酸乙烯酯混合单体，同时滴加浓度为0.01g/mL、占过硫酸钾总量25%的过硫酸钾水溶液，待乳液泛蓝后，保温至冷凝管中无单体回流（约0.5h），即得种子乳液；

（2）向步骤（1）所得的种子乳液中同时滴加剩余的醋酸乙烯酯和叔碳酸乙烯酯的混合单体及浓度为0.01g/mL的，占过硫酸钾总量为60%的过硫酸钾水溶液，在2.5h内滴加完毕；

（3）滴加甲基丙烯酸和剩余过硫酸钾溶液，0.3h内滴加完毕；升温至80℃，保温1.5h；

（4）降温至60～70℃，加入叔丁基过氧化氢水溶液，保温搅拌5min，然后加入甲醛次硫酸氢钠水溶液，保温搅拌10min，降温至45℃以下，用氨水调节pH至7-8，过滤出料。

乳液性能：乳液平均粒径为213nm，平均粒径分布为0.087，pH值7～8，钙离子稳定性测试（0.5%CaCl₂溶液）24h无分层、无沉淀，3000r/min机械搅拌30min不破乳，无明显絮凝物，储存6个月无絮凝。乳胶膜热分解初始温度为286℃，热分解终止温度为573℃，339℃时热失重50%。

实施例2

原料的质量分数组成为：

合成步骤为：

（1）在装有电动搅拌桨、温度计、冷凝管的反应器中，加入十二烷基硫酸钠、辛基酚聚氧乙烯醚、碳酸氢钠、亚硫酸氢钠和去离子水，搅拌，待升温至75℃后，滴加丙烯腈和丙烯酸-2-乙基已酯的混合单体，同时滴加浓度为0.01g/mL，占过硫酸钾总量为35%的过硫酸钾水溶液，待乳液泛蓝后，保温至冷凝管中无单体回流，即得种子乳液；

（2）同时滴加醋酸乙烯酯和叔碳酸乙烯酯的混合单体及浓度为0.01g/mL，占过硫酸钾总量为60%的过硫酸钾水溶液，在3h内滴加完毕；

（4）降温至60～70℃，加入叔丁基过氧化氢水溶液，保温搅拌10min，然后加入甲醛次硫酸氢钠水溶液，保温搅拌25min，降温至45℃以下，用氨水调节pH至7-8，过滤出料。

乳液性能：乳液平均粒径为241nm，平均粒径分布为0.067，pH值7～8，钙离子稳定性测试（0.5%CaCl₂溶液）24h无分层、无沉淀，3000r/min机械搅拌30min不破乳，无明显絮凝物，储存6个月无絮凝。乳胶膜热分解初始温度为299℃，热分解终止温度为590℃，346℃时热失重50%。

实施例3

原料的质量分数组成为：

合成步骤为：

（1）在装有电动搅拌桨、温度计、冷凝管的反应器中，加入十二烷基硫酸钠、辛基酚聚氧乙烯醚、碳酸氢钠、亚硫酸氢钠和去离子水，搅拌，待升温至75℃后，滴加15%的醋酸乙烯酯和丙烯酸-2-乙基已酯混合单体，同时滴加浓度为0.01g/mL，占过硫酸钾总量为30%的过硫酸钾水溶液，待乳液泛蓝后，保温至冷凝管中无单体回流，即得种子乳液；

（2）向步骤（1）所得的种子乳液中同时滴加剩余的醋酸乙烯酯和丙烯酸-2-乙基已酯的混合单体及浓度为0.01g/mL的，占过硫酸钾总量为65%的过硫酸钾水溶液，3h内滴加完毕；

（3）滴加甲基丙烯酸和剩余过硫酸钾溶液，0.5h内滴加完毕；升温至80℃，保温1.5h；

乳液性能：乳液平均粒径为178nm，平均粒径分布为0.071，pH值7～8，钙离子稳定性测试（0.5%CaCl₂溶液）24h无分层、无沉淀，3000r/min机械搅拌30min不破乳，无明显絮凝物，储存6个月无絮凝。乳胶膜热分解初始温度为290℃，热分解终止温度为585℃，350℃时热失重50%。

实施例4

原料的质量分数组成为：

合成步骤为：

（1）在装有电动搅拌桨、温度计、冷凝管的反应器中，加入十二烷基硫酸钠、辛基酚聚氧乙烯醚、碳酸氢钠、亚硫酸氢钠和去离子水，搅拌，待升温至75℃后，滴加10%的醋酸乙烯酯和叔碳酸乙烯酯混合单体，同时滴加浓度为0.01g/mL，占过硫酸钾总量为30%的过硫酸钾水溶液，待乳液泛蓝后，保温至冷凝管中无单体回流，即得种子乳液；

（2）向步骤（1）所得的种子乳液中同时滴加剩余的醋酸乙烯酯和叔碳酸乙烯酯的混合单体及浓度为0.01g/mL的，占过硫酸钾总量为60%的过硫酸钾水溶液，在3h内滴加完毕；

乳液性能：乳液平均粒径为220nm，平均粒径分布为0.045，pH值7～8，钙离子稳定性测试（0.5%CaCl₂溶液）24h无分层、无沉淀，3000r/min机械搅拌30min不破乳，无明显絮凝物，储存6个月无絮凝。乳胶膜热分解初始温度为286℃，热分解终止温度为575℃，339℃时热失重50%。

Claims

1.一种用于水性膨胀型防火涂料的乳液，其特征在于，由以下质量分数的原料制成：

2.根据权利要求1所述的乳液，其特征在于，所述乙烯基类单体由硬单体和软单体组成；所述功能性单体为甲基丙烯酸。

3.根据权利要求2所述的乳液，其特征在于，所述硬单体为醋酸乙烯酯、丙烯腈、苯乙烯、甲基苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸异丙酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸-2-羟乙酯中的一种或两种以上；所述软单体为丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸-2-羟乙酯、丙烯酸-2羟丙酯、叔碳酸乙烯酯、丙烯酸-2-乙基已酯中的一种或两种以上。

4.根据权利要求1或2或3所述的乳液，其特征在于，所述阴离子乳化剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、壬基酚聚氧乙烯醚硫酸铵盐和烷基二苯醚二磺酸二钠中的一种或两种以上；所述非离子乳化剂为辛基酚聚氧乙烯醚。

5.根据权利要求1或2或3所述的乳液，其特征在于，所述的引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化氢-亚硫酸钠、过硫酸钾-亚硫酸氢钠中的一种或两种以上。

6.权利要求1～5任意一项乳液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中乙烯基单体用量为乙烯基单体总量的（10～15）wt%。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中加入叔丁基过氧化氢水溶液，保温搅拌5-10min，加入甲醛次硫酸氢钠水溶液，保温搅拌10-25min。

9.根据权利要求6或7或8所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中引发剂用量为引发剂总量的(25～35)wt%；步骤（2）中引发剂用量为引发剂总量的(60～65)wt%。

10.根据权利要求6或7或8所述的制备方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸钾和亚硫酸氢钠，二者质量比为（3～3.5）:1，所述亚硫酸氢钠在步骤（1）中一次性加入；过硫酸钾则以水溶液的方式分批滴加，步骤（1）中加入其总量的(25～35)wt%，步骤（2）中加入其总量的(60～65)wt%。