CN108912939A - 一种透明膨胀型水性阻燃涂料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

一种透明膨胀型水性阻燃涂料及其制备方法和应用，本发明属于涂料领域，特别是涉及一种环保阻燃涂料及其制备方法和应用的技术领域。本发明的目的是为了解决现有的阻燃涂料在使用过程中存在的含卤素有害有机挥发物释放、脱水催化剂温度偏高导致阻燃效果差、非透明性涂料使用范围受限制的问题。本发明的透明膨胀型水性阻燃涂料由组分A、组分B和涂料助剂组成。其制备方法为先制备组分A，组分B为三聚氰胺甲醛树脂和/或三聚氰胺改性脲醛树脂，将组分A和组分B混合再添加涂料助剂，搅拌均匀，即可得到透明膨胀型水性阻燃涂料。本发明的透明膨胀型水性阻燃涂料用于室内的木结构材料、木塑复合材料、钢结构材料或混凝土结构的阻燃保护。

Description

一种透明膨胀型水性阻燃涂料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于涂料领域，特别是涉及一种环保阻燃涂料及其制备方法和应用的技术领域。

背景技术

随着人们生活水平的提高和建筑业的迅速发展，木材及大量易燃物品应用于建筑建材、室内装修乃至木屋建造，具有巨大的火灾安全隐患。制备高效新型的不燃、难燃、低毒环保装饰材料是今后材料发展的趋势之一，阻燃涂料涂覆于基体材料表面，能够有效阻止火灾的发生、蔓延，可显著降低火灾造成的损失，具有成本较低、使用复变、应用广泛等优点。

然而，现有阻燃涂料仍存在很多弊端。有的阻燃涂料配方中存在卤素阻燃剂，含卤成分提高了其阻燃效果，但其遇火反应后会释放出大量腐蚀性的含卤气/液体，会对建筑物和人造成较大危害。有些阻燃涂料所采用的脱水催化剂温度偏高，在遇高温或火焰发生反应时，成膜物质会先于脱水催化剂受热分解，产生较多可燃性挥发物，对炭层的形成造成不良影响，进而影响阻燃效果。有研究者以多聚磷酸铵为脱水催化剂，其分解温度在280℃以上，明显高于聚氨酯涂膜的允许使用温度(一般120℃以下)，聚氨酯涂膜在120-280℃之间逐渐分解失去其应发挥的效力，从而可能使其阻燃效果受到不利影响。

现有阻燃涂料通常分为非膨胀型阻燃涂料和膨胀型阻燃涂料，非膨胀型阻燃涂料的实际阻燃效果达不到阻燃标准要求；膨胀型阻燃涂料，存在膨胀倍率小、起泡泡孔大、炭层不致密的问题，或者存在涂层易开裂、表面不光滑尤其是透明度差的问题，严重制约其应用。

对于实体木材、竹材、人造板以及其他木质纤维材料阻燃防护而言，为了保持乃至优美的纹理，需要使用透明的阻燃涂料，尤其是木结构房屋使用阻燃涂料后一般要求其能够显现木质材料的天然纹理。在现有的阻燃涂料中，有一大部分的涂料为非透明涂料。对于氨基树脂透明阻燃涂料的研究大部分是基于膨胀型阻燃体系，而膨胀阻燃体系中的颜填料、助剂等普遍具有颜色或不透明性，在制备成涂料后涂覆在基材表面会有一定的色彩纹理。在某些特定场合，如古建筑物、文物或大部分室内装饰等的使用上，会改变甚至破坏基材原有的样貌，无法起到装饰兼具保护的作用，使其应用受到了一定的限制。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的阻燃涂料在使用过程中存在的含卤素有害有机挥发物释放、脱水催化剂温度偏高导致阻燃效果差、非透明性涂料使用范围受限制的问题，而提供了一种透明膨胀型水性阻燃涂料及其制备方法和应用。

本发明的透明膨胀型水性阻燃涂料由组分A、组分B和涂料助剂组成，所述组分A按重量份数由12～24份成炭剂、20～50份脱水催化剂、0～5份三聚氰胺、0～2份玻璃微珠和40～120份水组成，组分B为氨基树脂。

所述成炭剂为季戊四醇、双季戊四醇、三季戊四醇中的一种或几种的组合。

所述脱水催化剂为磷酸脒基脲、磷酸脒基脲羟甲基化衍生物、磷酸中的一种或几种的组合。

所述玻璃微珠为空心玻璃微珠和/或实心玻璃微珠。

所述氨基树脂为三聚氰胺甲醛树脂和/或三聚氰胺改性脲醛树脂。

所述涂料助剂由增稠剂、润湿剂、分散剂、消泡剂、流平剂中的一种或几种的组合物。

本发明的透明膨胀型水性阻燃涂料的制备方法按以下步骤进行：

一、组分A的制备：将脱水催化剂、成炭剂、三聚氰胺、玻璃微珠、水放入球磨罐中，搅拌均匀，在球磨罐中放入钢珠，盖子拧紧，球磨机旋转研磨，待其充分混合均匀后即可得到组分A；所述成炭剂、脱水催化剂、三聚氰胺、玻璃微珠和水按重量份数分别为12～24份、20～50份、0～5份、0～2份和40～120份；

二、组分B为三聚氰胺甲醛树脂和/或三聚氰胺改性脲醛树脂，所述组分A和组分B的质量比为6：(1～12)；

三、透明膨胀型水性阻燃涂料的制备：将组分A和组分B混合再添加涂料助剂，搅拌均匀，即可得到透明膨胀型水性阻燃涂料；所述涂料助剂占组分A和组分B总质量的0～2％。

所述三聚氰胺改性脲醛树脂的制备方法按以下步骤进行：

一、向容器中加入尿素，三聚氰胺，甲醛，用质量分数为10％～15％的NaOH调节pH＝8.5～9，搅拌并溶解；所述三聚氰胺、尿素和甲醛的质量比为1：(10～12)：(50～65)；

二、升温至50～60℃加入5g～6g尿素、继续升温至70～80℃，加入尿素5g～6g、三聚氰胺4g～6g，在70～80℃下反应30min～40min。

三、用质量分数为10％～15％的甲酸调节pH＝4.8～5。

四、继续维持70～80℃进行缩合反应，并随时取脲醛胶滴入冷水中，观察在冷水中的溶解情况；当在冷水中出现乳化现象，随即观测在40℃水中的乳化情况，出现乳化后，立即降温终止反应，并用质量分数为22％～25％的氨水调节脲醛胶pH至7，再用质量分数为10％NaOH调节pH＝8.5～9，得到澄清透明的三聚氰胺改性脲醛树脂。

本发明的透明膨胀型水性阻燃涂料在使用前，组分A和组分B单独放置，使用时将组分A和组分B混合再添加涂料助剂搅匀即可涂刷在需要阻燃的制品上。

本发明的透明膨胀型水性阻燃涂料用于室内的木结构材料、木塑复合材料、钢结构材料或混凝土结构的阻燃保护。。

本发明制备的阻燃涂料涂刷在基体表面的方法为：将配制好的状态稳定的涂料涂刷在经砂光机砂光的木材或木塑复合材料上，使表面平整，或者涂刷在钢结构和混凝土结构上，涂刷量使涂层干燥后厚度不超过1mm。

本发明制备的阻燃涂料的阻燃机理：

本发明的氨基树脂、脱水催化剂、成炭剂和三聚氰胺组合形成了膨胀阻燃体系。当阻燃涂料遇到高温或火焰时，脱水催化剂最先释放出具有脱水催化作用的物质，催化炭源脱水成炭，并释放出水蒸气，同时气源在高温影响下释放出大量的不燃性气体，与水蒸气等充斥于炭层中，使炭层发泡，内部形成蜂窝状的结构，最终使涂料形成致密的多孔碳层，阻隔了基材与火焰和高温的接触，起到了阻燃的作用；同时，涂层内部成分在高温条件下分解释放出了大量的不燃性气体，如NH₃和H₂O等，它们降低了涂层周围的空气浓度，使可燃气体和氧气浓度降低，从而减缓甚至中断了基材氧化反应的发生。

本发明相对于现有技术的优点：

1.本发明制备的阻燃涂料利用丁烷火焰喷枪进行简单燃烧测试，在相同火焰条件下，平均耐燃时间为30min～40min，发烟量少，且炭层结构致密，炭层连续坚硬，内部泡沫状结构明显。炭层平均高度在1.5cm，最大高度达3cm，膨胀倍数达到50～100倍。而市售阻燃涂料耐燃时间约20～30min，发烟量也较少，炭层结构不规整，没有形成泡状结构炭层，膨胀高度虽然也能达1cm以上，但耐烧蚀性较差，易被烧破。

2.本发明的阻燃涂料所使用的阻燃成分中不含有卤素，在燃烧反应时不会释放出腐蚀性气体，不会对周围环境及人体健康造成危害。而且该阻燃涂料所使用的稀释剂和分散介质为水，性质温和，不含有毒物质和挥发性气体，绿色环保。

3.本发明的阻燃涂料为膨胀型阻燃涂料，其成膜效果良好，附着力强，表面光滑，可有效保护基体表面免受损害。膨胀型阻燃涂料涂膜干燥后与非膨胀型阻燃涂料一致，只是厚度较小，低于0.5mm，但在外部的高温影响下，涂膜会迅速膨胀成高于自身几十倍甚至上百倍的难燃致密泡沫结构的炭层，在阻隔助燃气体与基体接触的同时，也减少了外部热量向基材的传导，相对于非膨胀型阻燃涂料来说，其阻燃效果更为明显。解决了非膨胀型阻燃涂料存在的阻燃效果不明显的缺点。

4.本发明的阻燃涂料涂覆于基体后其涂膜为无色透明，能够完整地显露出基体本来面貌，可应用于对涂料使用要求较高的场合如对于古代木结构建筑保护和高档室内装饰装修等，相比传统非透明阻燃涂料来说具有更广泛的应用范围。将涂料涂覆于基体表面，操作简单方便，成本低，效率高。而且原料来源丰富且廉价，制备过程简便，无需高温配制，周期短。

5.本发明的氨基树脂采用的是三聚氰胺改性脲醛树脂，脲醛树脂存在耐水性、耐候性差，游离甲醛含量高的缺点，利用一定量的三聚氰胺进行改性，能够提高脲醛树脂的耐水性、耐候性、抗龟裂性等理化性能，同时能降低树脂中的游离甲醛含量。而且三聚氰胺改性脲醛树脂中含有一定量的三聚氰胺成分，能够在涂料受热分解形成炭层的过程中起到一定的发泡作用。

附图说明

图1为实施例2制备的阻燃涂料经阻燃测试后的炭层状态；

图2为实施例2制备的阻燃涂料涂覆在有纹络的杨木板表面实干后的照片；

图3为实施例2制备的阻燃涂料涂覆在有纹络的杨木板表面上的使用稳定性图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。在不偏离本发明的内容和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

具体实施方式一：本实施方式的透明膨胀型水性阻燃涂料由组分A、组分B和涂料助剂组成，所述组分A按重量份数由12～24份成炭剂、20～50份脱水催化剂、0～5份三聚氰胺、0～2份玻璃微珠和40～120份水组成，组分B为氨基树脂。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述成炭剂为季戊四醇、双季戊四醇、三季戊四醇中的一种或几种的组合。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述脱水催化剂为磷酸脒基脲、磷酸脒基脲羟甲基化衍生物、磷酸中的一种或几种的组合。其他步骤与参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是，所述玻璃微珠为空心玻璃微珠和/或实心玻璃微珠。其他步骤与参数与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是，所述氨基树脂为三聚氰胺甲醛树脂和/或三聚氰胺改性脲醛树脂。其他步骤与参数与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述涂料助剂由增稠剂、润湿剂、分散剂、消泡剂、流平剂中的一种或几种的组合物。其他步骤与参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：如具体实施方式一所述的透明膨胀型水性阻燃涂料的制备方法按以下步骤进行：

一、组分A的制备：将脱水催化剂、成炭剂、三聚氰胺、玻璃微珠、水放入球磨罐中，搅拌均匀，在球磨罐中放入钢珠，盖子拧紧，球磨机旋转研磨，待其充分混合均匀后即可得到组分A；所述成炭剂、脱水催化剂、三聚氰胺、玻璃微珠和水按重量份数分别为12～24份、20～50份、0～5份、0～2份和40～120份；

二、组分B为三聚氰胺甲醛树脂和/或三聚氰胺改性脲醛树脂，所述组分A和组分B的质量比为6：(1～12)；

三、透明膨胀型水性阻燃涂料的制备：将组分A和组分B混合再添加涂料助剂，搅拌均匀，即可得到透明膨胀型水性阻燃涂料；所述涂料助剂占组分A和组分B总质量的0～2％。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是，所述三聚氰胺改性脲醛树脂的制备方法按以下步骤进行：

一、向容器中加入尿素，三聚氰胺，甲醛，用质量分数为10％～15％的NaOH调节pH＝8.5～9，搅拌并溶解；所述三聚氰胺、尿素和甲醛的质量比为1：(10～12)：(50～65)；

二、升温至50～60℃加入5g～6g尿素、继续升温至70～80℃，加入尿素5g～6g、三聚氰胺4g～6g，在70～80℃下反应30min～40min；

三、用质量分数为10％～15％的甲酸调节pH＝4.8～5；

四、继续维持70～80℃进行缩合反应，并随时取脲醛胶滴入冷水中，观察在冷水中的溶解情况；当在冷水中出现乳化现象，随即观测在40℃水中的乳化情况，出现乳化后，立即降温终止反应，并用质量分数为22％～25％的氨水调节脲醛胶pH至7，再用质量分数为10％NaOH调节pH＝8.5～9，得到澄清透明的三聚氰胺改性脲醛树脂。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是，所述三聚氰胺、尿素和甲醛的质量比为1：11.2：60。其他步骤与参数与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是，所述涂料助剂占组分A和组分B总质量的0.5～2％。其他步骤与参数与具体实施方式七或八相同。

具体实施方式十一：如具体实施方式一或七所述的透明膨胀型水性阻燃涂料用于室内的木结构材料、木塑复合材料、钢结构材料或混凝土结构的阻燃保护。

实施例1

本实施例的透明膨胀型水性阻燃涂料的制备方法按以下步骤进行：

一、组分A的制备：将10g双季戊四醇、25g磷酸、16g羟甲基化磷酸脒基脲、1g三聚氰胺、0.1g玻璃微珠和60g水加入球磨罐中，搅拌均匀，在球磨罐中放入钢珠，盖子拧紧，球磨机旋转研磨，待其充分混合均匀后即可得到组分A；

二、组分B为16g三聚氰胺甲醛树脂，将组分A和组分B混合后，再添加3g增稠剂和润湿剂，搅拌均匀，即可得到透明膨胀型水性阻燃涂料。

通过本实施例制备得到的阻燃涂料涂覆在钢材上，表面呈透明状，在外部的高温影响下，涂膜会迅速膨胀成高于自身几十倍的难燃致密泡沫结构的炭层，在阻隔助燃气体与基体接触的同时，也减少了外部热量向基材的传导，有效的起到了阻燃效果。

实施例2

本实施例的透明膨胀型水性阻燃涂料的制备方法按以下步骤进行：

一、制备三聚氰胺改性脲醛树脂：①向容器中加入尿素11.2g，三聚氰胺1g，甲醛60g，用质量分数为10％的NaOH调节pH＝8.5，搅拌并溶解；②升温至60℃加入5.6g尿素、继续升温至80℃，加入尿素5.6g、三聚氰胺4g，在80℃下反应30min；③用质量分数为10％的甲酸调节pH＝4.8；④继续维持80℃进行缩合反应，并随时取脲醛胶滴入冷水中，观察在冷水中的溶解情况；当在冷水中出现乳化现象，随即观测在40℃水中的乳化情况，出现乳化后，立即降温终止反应，并用质量分数为25％的氨水调节脲醛胶pH至7，再用质量分数为10％NaOH调节pH＝8.5，得到澄清透明的三聚氰胺改性脲醛树脂。

二、组分A的制备：取16g季戊四醇、20g磷酸、10g磷酸脒基脲、0.2g玻璃微珠和50g水放入球磨罐中，搅拌均匀，在球磨罐中放入钢珠，盖子拧紧，球磨机旋转研磨，待其充分混合均匀后即可得到组分A；

三、组分B为步骤一制备的三聚氰胺改性脲醛树脂，取25g；将组分A和组分B混合后，再添加2.4g增稠剂和分散剂，搅拌均匀，即可得到透明膨胀型水性阻燃涂料。

将实施例2制备的涂料涂覆于杨木板上，待其涂层干燥后利用锥形量热仪对其进行燃烧测试，并与现有技术市售涂料的阻燃效果进行对比。

表1对市售某阻燃涂料板和本发明制备的阻燃涂料板进行的燃烧实验

由表1对比可以看出，在相同燃烧条件下，本实施例阻燃涂料板的点燃时间比市售涂料板的点燃时间延长了约一倍，本实施例阻燃涂料板的耐燃时间长达12min，如果发生火灾，能够为人员的转移撤离争取更多时间。对于平均热释放速率，本实施例阻燃涂料板约为市售阻燃涂料板的十五分之一，热释放速率峰值约为市售阻燃涂料板的五分之一，总热释放约为市售阻燃涂料板的八分之一，并且在测试过程中发现本发明阻燃涂料涂板后，其有焰燃烧不可持续，具有比市售阻燃涂料更为明显的阻燃效果。

图1为本实施例2制备的阻燃涂料经阻燃测试后的炭层状态，其炭层膨胀高度较高，膨胀系数较大，阻燃效果优秀。

图2为本实施例2制备的阻燃涂料涂覆在有纹络的杨木板表面实干后的效果，基材表面纹络十分清晰。

图3为图2样本板在室温环境下放置三个月后的效果，对比发现两者基本没有差别，基材纹络仍然十分清晰，涂膜表面没有发生变化。说明该涂料使用性稳定好。

Claims (10)

1.一种透明膨胀型水性阻燃涂料，其特征在于：该阻燃涂料由组分A、组分B和涂料助剂组成，所述组分A按重量份数由12～24份成炭剂、20～50份脱水催化剂、0～5份三聚氰胺、0～2份玻璃微珠和40～120份水组成，组分B为氨基树脂。

2.根据权利要求1所述的一种透明膨胀型水性阻燃涂料，其特征在于：所述成炭剂为季戊四醇、双季戊四醇、三季戊四醇中的一种或几种的组合。

3.根据权利要求1或2所述的一种透明膨胀型水性阻燃涂料，其特征在于：所述脱水催化剂为磷酸脒基脲、磷酸脒基脲羟甲基化衍生物、磷酸中的一种或几种的组合。

4.根据权利要求1所述的一种透明膨胀型水性阻燃涂料，其特征在于：所述玻璃微珠为空心玻璃微珠和/或实心玻璃微珠。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种透明膨胀型水性阻燃涂料，其特征在于：所述氨基树脂为三聚氰胺甲醛树脂和/或三聚氰胺改性脲醛树脂。

6.根据权利要求5所述的一种透明膨胀型水性阻燃涂料，其特征在于：所述涂料助剂由增稠剂、润湿剂、分散剂、消泡剂、流平剂中的一种或几种的组合物。

7.如权利要求1所述的一种透明膨胀型水性阻燃涂料的制备方法，其特征在于：该制备方法按以下步骤进行：

一、组分A的制备：将脱水催化剂、成炭剂、三聚氰胺、玻璃微珠、水放入球磨罐中，搅拌均匀，在球磨罐中放入钢珠，盖子拧紧，球磨机旋转研磨，待其充分混合均匀后即可得到组分A；所述成炭剂、脱水催化剂、三聚氰胺、玻璃微珠和水按重量份数分别为12～24份、20～50份、0～5份、0～2份和40～120份；

二、组分B为三聚氰胺甲醛树脂和/或三聚氰胺改性脲醛树脂，所述组分A和组分B的质量比为6：(1～12)；

三、透明膨胀型水性阻燃涂料的制备：将组分A和组分B混合再添加涂料助剂，搅拌均匀，即可得到透明膨胀型水性阻燃涂料；所述涂料助剂占组分A和组分B总质量的0～2％。

8.根据权利要求7所述的一种透明膨胀型水性阻燃涂料的制备方法，其特征在于：所述三聚氰胺改性脲醛树脂的制备方法按以下步骤进行：

一、向容器中加入尿素，三聚氰胺，甲醛，用质量分数为10％～15％的NaOH调节pH＝8.5～9，搅拌并溶解；所述三聚氰胺、尿素和甲醛的质量比为1：(10～12)：(50～65)；

二、升温至50～60℃加入5g～6g尿素、继续升温至70～80℃，加入尿素5g～6g、三聚氰胺4g～6g，在70～80℃下反应30min～40min；

三、用质量分数为10％～15％的甲酸调节pH＝4.8～5；

四、继续维持70～80℃进行缩合反应，并随时取脲醛胶滴入冷水中，观察在冷水中的溶解情况；当在冷水中出现乳化现象，随即观测在40℃水中的乳化情况，出现乳化后，立即降温终止反应，并用质量分数为22％～25％的氨水调节脲醛胶pH至7，再用质量分数为10％NaOH调节pH＝8.5～9，得到澄清透明的三聚氰胺改性脲醛树脂。

9.根据权利要求7或8所述的一种透明膨胀型水性阻燃涂料的制备方法，其特征在于：所述涂料助剂占组分A和组分B总质量的0.5～2％。

10.如权利要求1或7所述的一种透明膨胀型水性阻燃涂料的应用，其特征在于：该透明膨胀型水性阻燃涂料用于室内的木结构材料、木塑复合材料、钢结构材料或混凝土结构的阻燃保护。