CN107151500A - 阻燃涂料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阻燃涂料，以其总质量为基准，包括以下质量百分比的组分：无机层状材料0.1％‑10％，水溶性有机高分子粘结剂0.1％‑10％，阻燃剂0.01％‑15％和水65％‑99.79％。本发明的阻燃涂料利用无机层状材料中的二维纳米片结构，有效降低热和氧的传输，阻止火焰的蔓延，且燃烧时几乎没有有毒有害气体产生，可有效的应用于多孔泡沫塑料的阻燃。

Description

阻燃涂料及其应用
技术领域
本发明涉及阻燃领域，尤其涉及一种阻燃涂料及其应用。
背景技术
当前，大量可燃性高分子材料及其复合物被广泛用于建筑物、室内装饰、家具、电子电器、电线电缆和交通工具等方面，成为引发火灾的主要诱因。阻燃剂的应用是目前高分子阻燃的重要手段。现有的阻燃剂主要包括含卤阻燃剂、氢氧化物、氮磷复配阻燃剂等，其中含卤阻燃剂在燃烧过程中会释放有毒有害或致癌气体，导致人员中毒甚至窒息死亡。氢氧化物阻燃剂在使用时的添加量较大，会造成高分子材料的综合性能受损。因此，研制新型阻燃剂及开发阻燃新技术是未来阻燃领域的重要研究方向。
多孔泡沫塑料已经被广泛应用于软垫、家具、汽车用品、床上用品等。然而多孔泡沫塑料在处于开放的火源或者热源的时候，极度易燃，释放出一氧化碳、氰化氢和微量氮氧化物等有毒气体。这种极度易燃的特性会导致巨大的经济损失和严重的人员伤亡。因而，如何通过制备具有阻燃性能的多孔泡沫塑料来减少这些危害，吸引了广泛的关注。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种阻燃涂料及其应用，本发明的阻燃涂料可有效降低热和氧的传输，阻止火焰的蔓延，且燃烧时几乎没有有毒有害气体产生，可有效的应用于多孔泡沫塑料的阻燃。
本发明的一种阻燃涂料，以其总质量为基准，包括以下质量百分比的组分：无机层状材料0.1％-10％，水溶性有机高分子粘结剂0.1％-10％，阻燃剂0.01％-15％和水65％-99.79％。
优选的，以阻燃涂料总质量为基准，包括以下质量百分比的组分：无机层状材料0.2％-3.0％，水溶性有机高分子粘结剂0.2％-3.0％，阻燃剂0.2％-3.0％，水91.0％-99.4％。
进一步地，以阻燃涂料总质量为基准，包括以下质量百分比的组分：无机层状材料1.0％，水溶性有机高分子粘结剂0.5％，阻燃剂2％，水96.5％。
进一步地，以阻燃涂料总质量为基准，包括以下质量百分比的组分：无机层状材料0.5％，水溶性有机高分子粘结剂1.0％，阻燃剂2％，水96.5％。
进一步地，无机层状材料为高岭石、伊利石、蛭石、海泡石、锂皂石、层状磷酸盐、过渡金属氧化物、层状金属硫化物、钙钛矿型金属卤化物、水滑石、石墨、石墨烯及其衍生物、层状钛酸和层状钛酸盐中的一种或几种。
进一步地，阻燃剂为氮系阻燃剂或卤系阻燃剂。以上阻燃剂为水溶性或可在水中分散的阻燃剂。
进一步地，阻燃剂为磷酸二氢铵、磷酸二铵、聚磷酸铵、三聚氰胺、十溴二苯乙烷、十溴二苯醚和四溴双酚A中的一种或几种。
进一步地，水溶性有机高分子粘结剂为聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯亚胺、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素衍生物、甲基纤维素、甲基纤维素衍生物、乙基纤维素、乙基纤维素衍生物、羟丙基纤维素、羟丙基纤维素衍生物和壳聚糖中的一种或几种。
本发明的阻燃涂料中，无机层状材料由二维纳米片层有序堆砌而成，涂料中的水溶性阻燃剂可分布于上述二维纳米片的层与层之间，纳米片层材料对热量和氧气具有屏蔽作用，可有效降低热和氧的传输，阻止火焰的蔓延，且涂覆了阻燃涂料的物质在燃烧时几乎没有有害气体产生。并且，本发明的阻燃涂料可以经过一步法自组装形成二维纳米片层有序堆砌，并且可以实现连续加工。
本发明还提供了一种上述阻燃涂料在作为多孔泡沫塑料阻燃涂料中的应用。多孔泡沫塑料为聚氨酯泡沫塑料、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种或几种。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明提供了一种有机/无机高效绿色环保复合涂料，利用无机层状材料和水溶性阻燃剂的相互作用，且涂料中的溶剂为水，绿色环保。本发明的阻燃涂料对多孔泡沫塑料具有较高的阻燃效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明阻燃涂料和对比涂料的红外光谱图；
图2是本发明阻燃涂料、对比涂料以及纯MMT的XRD测试结果；
图3是使用不同阻燃涂料处理的聚氨酯泡沫塑料的水平燃烧测试结果；
图4是不同阻燃涂料处理的聚氨酯泡沫塑料在水平燃烧测试前的SEM测试结果；
图5是不同阻燃涂料处理的聚氨酯泡沫塑料在水平燃烧测试后的SEM测试结果；
图6是不同阻燃涂料处理的聚氨酯泡沫塑料微量燃烧量热仪测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供了作为对照的对比涂料，具体如下：
室温下，将磷酸二氢铵(ADP，98％，Alfa Aesar)、水与聚丙烯酸(PAA，240,000g/mol，Acros Organics)混合，搅拌1小时。得到阻燃涂料(标号为3PAA-0MMT-4ADP)，其中各组分的质量百分比如下：PAA 1.5％，ADP 2％，水96.5％。
实施例2
室温下，将蒙脱土(MMT，Minerals Technologies Inc.)和去离子水搅拌过夜，再加入磷酸二氢铵(ADP，98％，Alfa Aesar)，搅拌1小时，得到阻燃涂料(标号为0PAA-3MMT-4ADP)，其中各组分的质量百分比如下：MMT 1.5％，ADP 2％，水96.5％。
实施例3
室温下，将蒙脱土(MMT，Minerals Technologies Inc.)和去离子水搅拌过夜，再加入磷酸二氢铵(ADP，98％，Alfa Aesar)，搅拌1小时；再加入聚丙烯酸(PAA，240,000g/mol，Acros Organics)，搅拌1小时。得到阻燃涂料(标号为1PAA-2MMT-4ADP)，其中各组分的质量百分比如下：PAA0.5％，MMT 1.0％，ADP 2％，水96.5％。
实施例4
室温下，将蒙脱土(MMT，Minerals Technologies Inc.)和去离子水搅拌过夜，再加入磷酸二氢铵(ADP，98％，Alfa Aesar)，搅拌1小时；再加入聚丙烯酸(PAA，240,000g/mol，Acros Organics)，搅拌1小时。得到阻燃涂料(标号为2PAA-1MMT-4ADP)，其中各组分的质量百分比如下：PAA 1.0％，MMT 0.5％，ADP 2％，水96.5％。
将尺寸为30×30×30mm3的立方聚氨酯泡沫塑料浸泡在实施例1-4中制得的阻燃涂料中，多次挤压聚氨酯泡沫塑料，让阻燃涂料充分进入聚氨酯泡沫塑料内部，然后放入烘干机在90℃烘2小时，烘干后测试聚氨酯泡沫塑料的增重，结果见表1。
表1.阻燃涂料配方及聚氨酯泡沫塑料的增重
图1是实施例1-4所制备的阻燃涂料的红外图谱。从图中可以看出，这4种涂料在约3230cm-1的位置有吸收峰，对应ADP中N-H伸缩振动峰。此外，在1400cm-1和1440cm-1的双峰、在1240cm-1的单峰、1070cm-1的单峰分别对应N-H弯曲振动，P＝O伸缩振动，和P-O弯曲振动。随着PAA含量的增加，C＝O伸缩振动峰(1700cm-1)信号越来越强。所有含有MMT的峰，都包含Si-O键的伸缩振动峰，但位于约1083cm-1处，与ADP的N-H弯曲振动峰(1070cm-1)重叠。
图2是4种涂料及纯MMT(neat MMT)的X-射线衍射谱图。从图中可以看出，在2～15°，纯MMT的层间距是0.97nm。而在同时含有ADP和MMT的阻燃涂料中，ADP会进入MMT片层之间的空隙，MMT的片间距变大到1.18nm，如2PAA-1MMT-4ADP(实施例3)。进一步提高PAA与MMT的比率，出现双峰，相对应的蒙脱土层间距是1.05 and 2.17nm，如1PAA-2MMT-4ADP(实施例2)。再进一步提高PAA与MMT的比率，双峰变弱，如3PAA-2MMT-4ADP(实施例1)。直到完全没有MMT(实施例4)，双峰完全消失。
利用丁烷燃烧器对聚氨酯泡沫塑料作水平燃烧测试。火焰温度约为1300℃，时间10秒钟，结果如图3。在没有任何涂料的添加下，对比样(未经涂敷的聚氨酯泡沫塑料，图3(1)-(3))遇到燃烧器火焰很快就熔融降解，直到底部留下残余碎片。所有处理过的泡沫塑料都没有出现熔融滴落现象。0PAA-3MMT-4ADP处理过的塑料(图3(13)-(15))阻燃性最好，燃烧面积最小，只有2个面，并带有一点燃烧收缩。对于1PAA-2MMT-4ADP处理过的塑料(图3(7)-(9))，火焰进一步蔓延更多的面积，到达3个面，但是泡沫塑料却没有一丁点的收缩。进一步提高PAA和MMT的比率，火焰蔓延到4个面，也出现燃烧收缩，但还是维持着泡沫整个立方形状，如2PAA-1MMT-4ADP处理过的塑料(图3(10)-(12))。在没有MMT的添加下，3PAA-0MMT-4ADP处理过的塑料(图3(4)-(6))无论是外部还是内部，都被火焰烧到完全变形。这个结果证明MMT所产生的片层结构对于阻燃非常关键。
利用扫描电镜来探索燃烧前后聚氨酯泡沫塑料的微观形貌。如图4所示，燃烧前，0PAA-3MMT-4ADP处理过的泡沫塑料的表面非常粗糙，并且看上去很像一些树叶堆积，这是因为MMT和ADP的相互作用。随着PAA与MMT的比率提高，聚氨酯泡沫塑料变得越来越光滑。直到3PAA-0MMT-4ADP处理过的泡沫塑料，其表面完全光滑。如图5所示，燃烧后，0PAA-3MMT-4ADP、1PAA-2MMT-4ADP和2PAA-1MMT-4ADP处理过的泡沫塑料都维持着完整的环结构，而3PAA-0MMT-4ADP处理过的泡沫塑料却出现很大的变形，这个结果和水平燃烧测试一致。从更大的放大倍数看，燃烧后的0PAA-3MMT-4ADP处理过的泡沫塑料的表面好像有无数的纳米粒子堆积。虽然1PAA-2MMT-4ADP、2PAA-1MMT-4ADP和3PAA-0MMT-4ADP处理过的泡沫塑料都出现膨胀性的泡状形态，但在3PAA-0MMT-4ADP处理过的泡沫塑料的表面出现很多大的孔洞。闭合的膨胀性的泡状物大大有利于1PAA-2MMT-4ADP和2PAA-1MMT-4ADP对于火焰和氧气的阻隔。图4和图5中，每列图自上而下放大倍数以此增大，图中比例尺代表放大倍数。
使用微量燃烧量热仪分别对使用本发明的阻燃涂料处理过的聚氨酯泡沫塑料和对比样进行测试，获得热释放速率和热释放总量，结果如图6和表2所示。结果表明，相对于对比样，虽然使用本发明的阻燃涂料处理过的聚氨酯泡沫塑料的最大热释放速率的峰位置都往低温走，但是其最大热释放速率和热释放总量都大大降低。处理过的聚氨酯泡沫塑料和对比样都有两个峰，分别出现在260～290℃和340～400℃。对于处理过的聚氨酯泡沫塑料，第一个峰所在的热释放速率范围在80～90W/g，比对比样的降低了37.5％以上。3PAA-0MMT-4ADP处理过的聚氨酯泡沫塑料的第二个峰(即最大热释放速率)仅仅比对比样降低8.6％。随着PAA和MMT的速率降低，2PAA-1MMT-4ADP和1PAA-2MMT-4ADP处理过的聚氨酯泡沫塑料的最大热释放速率分别降低了42.6％和46.2％，而0PAA-3MMT-4ADP处理过的聚氨酯泡沫塑料则降低了51.8％。热释放总量方面，0PAA-3MMT-4ADP处理过的聚氨酯泡沫塑料降低了45％以上。
表2不同样品的微量燃烧量热仪测试结果
表2中，pkHRR代表最大热释放速率，THR代表热释放总量，THR Reduction代表热释放总量相对空白样(未经涂敷的聚氨酯泡沫塑料)减少百分比。
从以上结果可知，本发明的水性复合涂料可有效的应用于聚氨酯泡沫塑料的阻燃，阻燃效果明显。
实施例5
室温下，将锂皂石和去离子水搅拌过夜，再加入三聚氰胺，搅拌1小时；再加入壳聚糖，搅拌1小时。得到阻燃涂料，其中各组分的质量百分比如下：壳聚糖0.2％，锂皂石1.0％，三聚氰胺2.5％，水96.3％。
实施例6
室温下，将高岭石和去离子水搅拌过夜，再加入磷酸二铵，搅拌1小时；再加入甲基纤维素，搅拌1小时。得到阻燃涂料，其中各组分的质量百分比如下：甲基纤维素0.8％，高岭石2.0％，磷酸二铵4.8％，水92.4％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种阻燃涂料，其特征在于，以其总质量为基准，包括以下质量百分比的组分：无机层状材料0.1％-10％，水溶性有机高分子粘结剂0.1％-10％，阻燃剂0.01％-15％和水65％-99.79％。
2.根据权利要求1所述的阻燃涂料，其特征在于，以其总质量为基准，包括以下质量百分比的组分：无机层状材料0.2％-3.0％，水溶性有机高分子粘结剂0.2％-3.0％，阻燃剂0.2％-3.0％，水91.0％-99.4％。
3.根据权利要求1所述的阻燃涂料，其特征在于，以其总质量为基准，包括以下质量百分比的组分：无机层状材料1.0％，水溶性有机高分子粘结剂0.5％，阻燃剂2％，水96.5％。
4.根据权利要求1所述的阻燃涂料，其特征在于，以其总质量为基准，包括以下质量百分比的组分：无机层状材料0.5％，水溶性有机高分子粘结剂1.0％，阻燃剂2％，水96.5％。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的阻燃涂料，其特征在于：所述无机层状材料为高岭石、伊利石、蛭石、海泡石、锂皂石、层状磷酸盐、过渡金属氧化物、层状金属硫化物、钙钛矿型金属卤化物、水滑石、石墨、石墨烯、石墨烯衍生物、层状钛酸和层状钛酸盐中的一种或几种。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的阻燃涂料，其特征在于：所述阻燃剂为氮系阻燃剂或卤系阻燃剂。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的阻燃涂料，其特征在于：所述阻燃剂为磷酸二氢铵、磷酸二铵、聚磷酸铵、三聚氰胺、十溴二苯乙烷、十溴二苯醚和四溴双酚A中的一种或几种。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的阻燃涂料，其特征在于：所述水溶性有机高分子粘结剂为聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯亚胺、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素衍生物、甲基纤维素、甲基纤维素衍生物、乙基纤维素、乙基纤维素衍生物、羟丙基纤维素、羟丙基纤维素衍生物和壳聚糖中的一种或几种。
9.权利要求1-4中任一项所述的阻燃涂料在作为多孔泡沫塑料阻燃涂料中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述多孔泡沫塑料为聚氨酯泡沫塑料、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种或几种。
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