CN103740231A - 一种水性膨胀型电缆用纳米防火涂料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水性膨胀型电缆用纳米防火涂料及其制备方法。水性膨胀型电缆用纳米防火涂料，其特征在于：它按重量份计含有20-40份的涂料基体、15-45份的纳米阻燃剂、2-10份的阻燃协效剂、5-10份的填料、1-5份的助剂和10-30份的水，所述纳米阻燃剂是对阻燃剂进行纳米化而获得，所述的阻燃剂包括可溶性铝盐、成炭催化剂、成炭剂和发泡剂组分；所述的阻燃协效剂为生物质电厂灰。该水性膨胀性防火涂料各组分相容性好，抗弯性、耐湿热性、耐油性、耐水性好、阻燃性优异，炭化高度低。

Description

一种水性膨胀型电缆用纳米防火涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及防火涂料领域，具体地指一种新的水性膨胀型电缆用纳米防火涂料及其制备方法。

背景技术

电线电缆是电力事业的重要材料。随着我国经济的高速发展，作为基础工业的能源工业以及作为高科技产业的通讯业得到了迅猛的发展，大负荷、超高压输供电技术的应用日益普遍，各种电缆敷设密如蛛网，导致电线电缆火灾危险性日益突出。我国是在20世纪70年代中期才开始对电缆防火涂料进行研究，它是在饰面型防火涂料基础上结合自身要求发展起来的。由于非膨胀型防火涂料涂层较厚．难以满足电缆的弯曲要求，因此，电缆防火涂料主要以膨胀型防火涂料为主，且以溶剂型居多。电缆防火涂料作为电缆防火保护的一种重要产品，对阻止火焰蔓延，防止火灾的发生、发展、减少电缆火灾损失，保护人民生命财产安全发挥了积极作用，其应用也从不规范到规范。

目前使用情况较好的是溶剂型防火涂料，虽然装饰性强，与基材附着力高，理化性能较好，但是生产成本高，本身具有一定毒性，对生产人员、施工人员及周围生态环境污染危害较大；从环保角度考虑，今后应努力开发研制对电缆外皮有良好附着力、柔韧性好、耐弯曲、无毒、阻燃性能好的水溶性电缆防火涂料。

专利02110297.X公开一种膨胀型防火涂料，包括丙烯酸树脂、催化剂、成炭剂、发泡剂、阻燃剂、补强剂、颜填料、助剂、烟雾抑制剂等成分，并对丙烯酸树脂改性,对催化剂进行表面处理以及加入烟雾抑制剂来提高涂料的综合性能。当涂膜受热膨胀时形成不易燃三维空间结构的炭化层，使火焰热量受到隔离而减少对底材的传导，同时在高温时涂料分解出不燃气体，隔绝并稀释空气，阻止火焰扩展、蔓延。该涂料适合于钢结构、木质基材、电缆等的防火涂装。专利200810045431.4公开一种高膨胀防火密封胶及其制备方法，该密封胶利用了氢氧化铝等阻燃剂，阻燃性极好；附着力强、弹性好，特别适用于各种贯穿件如电缆、电缆桥架及管道的防火分隔。专利02112028.5公开了一种用于电线电缆绝缘层的硅烷交联阻燃聚乙烯绝缘塑料。其组成配比如下：聚乙烯树脂、硅烷交联剂、润滑剂和溴类阻燃剂等。该发明的优点是阻燃性能提高，机械强度高，电性能好，耐温性良好，适用于电线电缆的绝缘层的制造。

由于传统防火涂料中无机阻燃、防火材料与成膜物质间存在相分离问题，影响了防火涂料的防火性能，尽管发明水性膨胀型钢结构防火涂料及制备方法 ( 201210544783)公开了一种钢结构防火涂料，这种防火涂料部分解决了各组分间的相容性问题，但是这种防火涂料中使用的纳米阻燃剂是纳米二氧化硅，纳米二氧化硅阻燃效果远远没有氢氧化铝的效果好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型水性膨胀型电缆用纳米防火涂料及其制备方法，以克服传统膨胀型防火涂料存在的各组分相容性差、阻燃性能差等缺点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

水性膨胀型电缆用纳米防火涂料，其特征在于：它按重量份计含有20-40份的涂料基体、15-45份的纳米阻燃剂、2-10份的阻燃协效剂、5-10份的填料、1-5份的助剂和10-30份的水，所述纳米阻燃剂是对阻燃剂进行纳米化而获得，所述的阻燃剂包括可溶性铝盐、成炭催化剂、成炭剂和发泡剂组分；所述的阻燃协效剂为生物质电厂灰。

按上述方案，所述的阻燃剂纳米化是将各阻燃剂组分加入到各阻燃剂组分总重量1-10倍的水中，然后加入表面修饰剂，加热到25-90^oC后调节体系pH值到5.0-9.0，反应0.5-6小时后冷却得到含有氢氧化铝的纳米阻燃剂溶胶。

按上述方案，所述表面修饰剂选自烷基酚聚氧乙烯醚、硅烷偶联剂、脂肪酸聚氧乙烯酯、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺中的一种或多种，所述表面修饰剂的用量为各阻燃剂组分总重量的2-25wt%。

按上述方案，所述的可溶性铝盐选自硝酸铝、偏铝酸钠、氯化铝中的一种或多种；所述成炭催化剂选自聚磷酸铵、磷酸二氢铵、焦磷酸铵中的一种或多种；所述成炭剂选自淀粉、三梨醇、季戊四醇中的一种或多种；所述发泡剂选自氨基树脂、脲醛树脂、三聚氰胺中的一种或多种；所述各阻燃剂组分按重量份计为：可溶性铝盐10-20、成炭催化剂8-15、成炭剂1-10，发泡剂1-10。

按上述方案，所述生物质电厂灰优选为SiO₂含量大于30wt%、Al₂O₃含量大于20wt%的生物质电厂灰。

按上述方案，所述填料选自钛白粉、轻质碳酸钙、高岭土、氧化铝、可膨胀石墨中的一种或多种。

按上述方案，所述涂料基体为水性环氧乳液、水性环氧固化剂和自交联硅丙乳液的混合物。

按上述方案，所述助剂选自尿素、聚乙烯醇、环氧树脂、聚硅氧烷、硅油中的一种或多种。

上述水性膨胀型电缆用纳米防火涂料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将各阻燃剂组分加入到各阻燃剂组分总重量1-10倍的水中，然后加入表面修饰剂，加热到25-90^oC后调节体系pH值到5.0-9.0，反应0.5-6小时后冷却得到含有氢氧化铝的纳米阻燃剂溶胶即纳米阻燃剂；

（2）将纳米阻燃剂、涂料基体、填料、助剂、阻燃协效剂和水混合，搅拌研磨至涂料细度小于90μm而得。

在膨胀型水性防火涂料中使用的阻燃组分多含有大量的极性基团, 为亲水性物质, 与非极性的高聚物基料的相容性也差。因此, 在实际使用过程中很容易脱离基材, 导致涂层的防火性能和理化性能下降。本发明通过将各阻燃剂原料纳米化制备得到的新型水性膨胀型纳米防火涂料，可将各阻燃组分固定且均匀分散在纳米氢氧化铝微球中，有助于阻燃剂在成膜物质中的分散，显著改善防火涂料各组分的相容性问题，同时配合阻燃协效剂、助剂、填料及涂料基体的使用可使所形成的防火涂料阻燃性好，炭化高度低，可明显改善防火涂料的防火性能和理化性能。

本发明的有益效果：

其一，本发明提供的水性膨胀性防火涂料各组分相容性好，抗弯性、耐湿热性、耐油性、耐水性好、阻燃性优异，炭化高度低；

其二，采用纳米阻燃剂，将阻燃剂纳米化处理，可提高阻燃剂在涂料中的分散性能，进而提高涂料的理化性能和阻燃性能；

其三，阻燃协效剂生物质电厂灰可和阻燃剂等阻燃组分均匀分散在体系中，分散性好且在火焰烧蚀下能在炭化层表面形成坚硬的白色陶瓷状物质，从而提高炭化层强度，延长其耐火极限；

其四，其有效利用了生物质发电领域中固体废弃物生物质电厂灰，成本低，应用广泛，具有显著的经济及社会效益。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

实施例1：

（1）纳米阻燃剂的制备：

将各阻燃剂组分加入到各阻燃剂组分总重量5倍的水中，然后加入表面修饰剂，加热到60^oC后用稀硫酸调节体系pH值到7.0，反应3小时后冷却后得到含有氢氧化铝的纳米阻燃剂溶胶即纳米阻燃剂。各阻燃剂组分及表面修饰剂的选取及用量见表1。

（2）防火涂料的制备：

根据表2-3中选取填料及助剂组分，并根据表4配方中各组分的用量，先将涂料基体加入搅拌桶中，搅拌均匀，然后加入纳米阻燃剂、阻燃协效剂、填料、助剂和水，搅拌20min后加入球磨机中研磨，均匀混合后用刮板细度计检测涂料的细度是否达到小于90μm的要求，达到要求后停止研磨，用滤网过滤，分离去除研磨珠，出料装桶。

根据GB 28374-2012标准测试其理化性能，结果见表5和表6。从表中可以看出：本实施例中所制备的膨胀型防火涂料均匀无结块，细度、干燥时间和抗弯性等均在技术指标要求范围内，阻燃性能优异涂料综合性能优良。

实施例2：

（1）纳米阻燃剂的制备：

将各阻燃剂组分加入到各阻燃剂组分总重量6倍的水中，然后加入表面修饰剂，加热到50^oC后用稀硫酸调节体系pH值到6.0，反应5小时后冷却后得到含有氢氧化铝的纳米阻燃剂溶胶即纳米阻燃剂。各阻燃剂组分及表面修饰剂的选取及用量见表1。

（2）防火涂料的制备：

根据表2-3中选取填料及助剂组分，并根据表4配方中各组分的用量，先将涂料基体加入搅拌桶中，搅拌均匀后，加入纳米阻燃剂、阻燃协效剂、填料、助剂和水，搅拌20min后加入球磨机中研磨，均匀混合后用刮板细度计检测涂料的细度是否达到小于90μm的要求，达到要求后停止研磨，用滤网过滤，分离去除研磨珠，出料装桶。

根据GB 28374-2012标准测试其理化性能，结果见表5和表6。从表中可以看出：本实施例中所制备的膨胀型防火涂料均匀无结块，细度、干燥时间和抗弯性等均在技术指标要求范围内，阻燃性能优异涂料综合性能优良。

实施例3：

（1）纳米阻燃剂的制备：

将各阻燃剂组分加入到各阻燃剂组分总重量10倍的水中，然后加入表面修饰剂，加热到30^oC后用稀硫酸调节体系pH值到5.5，反应0.5小时后冷却后得到含有氢氧化铝的纳米阻燃剂溶胶即纳米阻燃剂。各阻燃剂组分及表面修饰剂的选取及用量见表1。

（2）防火涂料的制备：

根据表2-3中选取填料及助剂组分，并根据表4配方中各组分的用量，先将涂料基体加入搅拌桶中，搅拌均匀后，加入纳米阻燃剂、阻燃协效剂、填料、助剂和水，搅拌20min后加入球磨机中研磨，均匀混合后用刮板细度计检测涂料的细度是否达到小于90μm的要求，达到要求后停止研磨，用滤网过滤，分离去除研磨珠，出料装桶。

根据GB 28374-2012标准测试其理化性能，结果见表5和表6。从表中可以看出：本实施例中所制备的膨胀型防火涂料均匀无结块，细度、干燥时间和抗弯性等均在技术指标要求范围内，阻燃性能优异涂料综合性能优良。

实施例4：

（1）纳米阻燃剂的制备：

将各阻燃剂组分加入到各阻燃剂组分总重量10倍的水中，然后加入表面修饰剂，加热到70^oC后用稀硫酸调节体系pH值到9.0，反应6小时后冷却后得到含有氢氧化铝的纳米阻燃剂溶胶即纳米阻燃剂。各阻燃剂组分及表面修饰剂的选取及用量见表1。

（2）防火涂料的制备：

根据表2-3中选取填料及助剂组分，并根据表4配方中各组分的用量，先将涂料基体加入搅拌桶中，搅拌均匀后，加入纳米阻燃剂、阻燃协效剂、填料、助剂和水，搅拌20min后加入球磨机中研磨，均匀混合后用刮板细度计检测涂料的细度是否达到小于90μm的要求，达到要求后停止研磨，用滤网过滤，分离去除研磨珠，出料装桶。

根据GB 28374-2012标准测试其理化性能，结果见表5和表6。从表中可以看出：本实施例中所制备的膨胀型防火涂料均匀无结块，细度、干燥时间和抗弯性等均在技术指标要求范围内，阻燃性能优异涂料综合性能优良。

实施例5：

（1）纳米阻燃剂的制备：

将各阻燃剂组分加入到各阻燃剂组分总重量10倍的水中，然后加入表面修饰剂，加热到90^oC后用稀硫酸调节体系pH值到5.0，反应1小时后冷却后得到含有氢氧化铝的纳米阻燃剂溶胶即纳米阻燃剂。各阻燃剂组分及表面修饰剂的选取及用量见表1。

（2）防火涂料的制备：

根据表2-3中选取填料及助剂组分，并根据表4配方中各组分的用量，先将涂料基体加入搅拌桶中，搅拌均匀后，加入纳米阻燃剂、阻燃协效剂、填料、助剂和水，搅拌20min后加入球磨机中研磨，均匀混合后用刮板细度计检测涂料的细度是否达到小于90μm的要求，达到要求后停止研磨，用滤网过滤，分离去除研磨珠，出料装桶。

根据GB 28374-2012标准测试其理化性能，结果见表5和表6。从表中可以看出：本实施例中所制备的膨胀型防火涂料均匀无结块，细度、干燥时间和抗弯性等均在技术指标要求范围内，阻燃性能优异涂料综合性能优良。

对比例：

按质量分数计，称取自交联硅丙乳液38份，聚磷酸铵22份，季戊四醇11份，三聚氰胺15份，氢氧化铝5份，钛白粉2份，硅酸铝纤维素1.5份，聚硅氧烷0.5份，水5份，搅拌，加入球磨机中研磨，均匀混合后用刮板细度计检测涂料的细度是否达到要求，达到要求后停止研磨，用滤网过滤，分离研磨珠和涂料，出料装桶。

理化性能测试根据GB 28374-2012标准进行，所得防火涂料的性能见表5。

上述实施例1-3中的生物质电厂灰优选为SiO₂含量大于30wt%、Al₂O₃含量大于20wt%的生物质电厂灰。

 

表1 实施例1-5中阻燃剂组分及表面修饰剂的选取及用量（单位：质量份）

表2实施例1-5中填料的选取及用量（单位：质量份）

表3实施例1-5中助剂的选取及用量（单位：质量份）

表4 本发明水性膨胀型钢结构防火涂料及比较实施例配比（单位：质量份）

表5本发明实施例1-5及对比例水性膨胀型电缆防火涂料的主要性能

表6   表5检测项目中各项目技术指标

Claims (9)

1. 水性膨胀型电缆用纳米防火涂料，其特征在于：它按重量份计含有20-40份的涂料基体、15-45份的纳米阻燃剂、2-10份的阻燃协效剂、5-10份的填料、1-5份的助剂和10-30份的水，所述纳米阻燃剂是对阻燃剂进行纳米化而获得，所述的阻燃剂包括可溶性铝盐、成炭催化剂、成炭剂和发泡剂组分；所述的阻燃协效剂为生物质电厂灰。

2. 根据权利要求1所述的水性膨胀型电缆用纳米防火涂料，其特征在于：所述的阻燃剂纳米化是将各阻燃剂组分加入到各阻燃剂组分总重量1-10倍的水中，然后加入表面修饰剂，加热到25-90^oC后调节体系pH值到5.0-9.0，反应0.5-6小时后冷却得到含有氢氧化铝的纳米阻燃剂溶胶。

3. 根据权利要求2所述的水性膨胀型电缆用纳米防火涂料，其特征在于：所述表面修饰剂选自烷基酚聚氧乙烯醚、硅烷偶联剂、脂肪酸聚氧乙烯酯、十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺中的一种或多种，所述表面修饰剂的用量为各阻燃剂组分总重量的2-25wt%。

4. 根据权利要求1或2或3所述的水性膨胀型电缆用纳米防火涂料，其特征在于：所述的可溶性铝盐选自硝酸铝、偏铝酸钠、氯化铝中的一种或多种；所述成炭催化剂选自聚磷酸铵、磷酸二氢铵、焦磷酸铵中的一种或多种；所述成炭剂选自淀粉、三梨醇、季戊四醇中的一种或多种；所述发泡剂选自氨基树脂、脲醛树脂、三聚氰胺中的一种或多种；所述各阻燃剂组分按重量份计为：可溶性铝盐10-20、成炭催化剂8-15、成炭剂1-10，发泡剂1-10。

5. 根据权利要求1或2或3所述的水性膨胀型电缆用纳米防火涂料，其特征在于：所述生物质电厂灰为SiO₂含量大于30wt%、Al₂O₃含量大于20wt%的生物质电厂灰。

6. 根据权利要求1或2或3所述的水性膨胀型电缆用纳米防火涂料，其特征在于：所述填料选自钛白粉、轻质碳酸钙、高岭土、氧化铝、可膨胀石墨中的一种或多种。

7. 根据权利要求1或2或3所述的水性膨胀型电缆用纳米防火涂料，其特征在于：所述涂料基体为水性环氧乳液、水性环氧固化剂和自交联硅丙乳液的混合物。

8. 根据权利要求1或2或3所述的水性膨胀型电缆用纳米防火涂料，其特征在于：所述助剂选自尿素、聚乙烯醇、环氧树脂、聚硅氧烷、硅油中的一种或多种。

9. 权利要求1所述的水性膨胀型电缆用纳米防火涂料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将各阻燃剂组分加入到各阻燃剂组分总重量1-10倍的水中，然后加入表面修饰剂，加热到25-90^oC后调节体系pH值到5.0-9.0，反应0.5-6小时后冷却得到含有氢氧化铝的纳米阻燃剂溶胶即纳米阻燃剂；

（2）将纳米阻燃剂、涂料基体、填料、助剂、阻燃协效剂和水混合，搅拌研磨至涂料细度小于90μm而得。