CN111423757A - 一种防火涂料及其制备方法和应用以及防火涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防火涂料及其制备方法和应用以及防火涂层，涉及涂料技术领域。本发明的防火涂料由如下重量份数的原料组成：炭化剂10‑25份；发泡剂5‑10份；脱水剂5‑30份；有机溶剂20‑40份，包括改性硅油、二甲苯、甲基丙烯酸甲酯中的至少一种；无机填料包括纳米级氧化锌、二氧化钛和纳米级氢氧化铝各1‑10份；微球颗粒10‑25份，微球颗粒由薄膜和包覆在薄膜内的被包覆物组成；其他助剂5‑15份，为催化剂、分散剂、偶联剂或消泡剂中的至少一种。本发明通过微球颗粒释放可迅速气化物质，能够降低热失控区周边的温度，还能够形成蜂窝状隔热层起到阻燃作用，本发明的防火涂料，应用在汽车电池上，可避免相邻电芯或模组热失控导致整个电池包发生热反应而引发火灾的现象。

Description

一种防火涂料及其制备方法和应用以及防火涂层
技术领域
本发明涉及涂料技术领域，尤其涉及一种防火涂料及其制备方法和应用以及防火涂层。
背景技术
新能源汽车代替传统燃油车已是现在汽车工业发展的大趋势。小型轿车因尺寸和重量限制，需使用体积小、能量密度高的三元锂电池，但是这类电池正极高温分解温度低，热稳定性差，一旦燃烧，反应剧烈，且电池包密封性极好，常规的消防灭火手段效果差。因此需设计合理的具有阻燃灭火功能的电池包，通过增加电池包自喷水灭火装置或者是隔热吸氧材料降低减少火灾带来的人生和财产损失。
已有专利公开了一种电动汽车电池箱的双启动喷雾灭火装置，描述了一种灭火器装置结构和实现方式为电力或热熔，但未明确电力启动的信号来源和电力源，也未明确安装位置，对远离灭火装置的模组起火，灭火器射程可能无法有效到达，且灭火装置放置在电池包内，增加电池包体积和质量，给电池包的设计带来不便。
另有专利公开了一种碳基复合材料及其制备方法和应用，该专利技术使用碳纤维做基材制备成碳基织物，并在该织物上包覆阻燃胶层，支撑防火防自燃防爆防水隔热的材料，并应用在电池包方面。但是，碳纤维成本较高，改性温度高，制作工艺复杂，且为非节能工艺，使其在应用上也受到一定的限制。
有鉴于此，有必要提出一种防火涂料及其制备方法和应用以及防火涂层，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防火涂料及其制备方法和应用以及防火涂层，用以克服上述背景技术中的技术问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明第一方面提供一种防火涂料，所述防火涂料由如下重量份数的原料组成：
炭化剂10-25份；脱水剂5-30份；发泡剂5-10份；有机溶剂20-40份，所述有机溶剂包括改性硅油、二甲苯、甲基丙烯酸甲酯中的至少一种；无机填料，所述无机填料包括纳米级氧化锌、二氧化钛和纳米级氢氧化铝各1-10份；微球颗粒10-25份，所述微球颗粒由薄膜和包覆在所述薄膜内的被包覆物组成；其他助剂5-15份，所述其他助剂为催化剂、分散剂、偶联剂或消泡剂中的至少一种。
进一步地，所述炭化剂为四羟甲基甲烷。
进一步地，所述发泡剂为三聚氰胺盐，所述脱水剂为多聚磷酸铵。
进一步地，所述薄膜在90-130℃融化，所述被包覆物在90-130℃吸热汽化。
进一步地，所述被包覆物为液态水。
进一步地，在温度高于200℃时，所述四羟甲基甲烷脱水，形成具有多孔结构的炭质层。
本发明第二方面提供一种上述的防火涂料的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：
将炭化剂、发泡剂和脱水剂以(10-25):(5-10):(5-30)的重量份数均匀混合，形成混合粉末；
提供有机溶剂溶液，将所述混合粉末加入到所述有机溶剂溶液中，在预设温度下搅拌均匀，形成混合浆料；
将无机填料、微球颗粒和其他助剂以预设的重量份数加入到所述混合浆料中，再次搅拌均匀后制成防火涂料。
进一步地，在提供有机溶剂溶液，将所述混合粉末加入到所述有机溶剂溶液中，在预设温度下搅拌均匀，形成混合浆料的步骤中，所述预设温度为35-120℃，搅拌速度为150-1000r/min。
本发明第三方面提供一种上述的防火涂料在汽车电池领域中的应用。
本发明第四方面提供一种防火涂层，所述防火涂层基于上述的防火涂料形成。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明的防火涂料，由于微球颗粒内的被包覆物能够吸热汽化，在涂层受热时，通过微球颗粒释放可迅速气化物质瞬间带走温度，从而能够主动降低热失控区域周边的温度，并延缓热失控的时间；
2、本发明的涂层继续受热，涂层中的阻燃材料发生作用，在脱水剂和发泡剂作用下，炭化剂脱水碳化并在气流作用下和气源交互作用，形成蜂窝状隔热层，从而阻隔热量传播，延缓热失控区域的温升速率以及热传递；
3、本发明的防火涂料，使用方便，涂料与铝合金基材、铁基材、塑料基材的壳体附着力优，可直接涂覆在电池包壳体或模组壳体或电芯壳体上，当电芯发生热失控，可以吸收热量，为电池包降温，降低热失控电芯的温度，防止电池液吸热进一步反应；温度继续升高时，涂层发生反应，形成一定厚度的蜂窝状隔热层，延缓热传递，可避免相邻电芯或模组热失控导致整个电池包发生强烈的热反应而引发火灾的现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明实施例的防火涂料的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供了一种防火涂料，本实施例的防火涂料由如下重量份数的原料组成：
炭化剂10-25份；脱水剂5-30份；发泡剂5-10份；有机溶剂20-40份，所述有机溶剂包括改性硅油、二甲苯、甲基丙烯酸甲酯中的至少一种；无机填料，无机填料包括纳米级氧化锌、二氧化钛和纳米级氢氧化铝各1-10份；微球颗粒10-25份，微球颗粒由薄膜和包覆在薄膜内的被包覆物组成；其他助剂5-15份，其他助剂为催化剂、分散剂、偶联剂或消泡剂中的至少一种。
作为一种具体的实施方式，炭化剂为四羟甲基甲烷。四羟甲基甲烷在脱水剂的作用下生成具有多孔结构的炭质层，是形成三维空间结构且不易燃烧的发泡碳化层的基础，对发泡层起着骨架的作用。
作为一种具体的实施方式，脱水剂为多聚磷酸铵。脱水剂的主要作用是促进炭化剂和涂层的脱水、炭化和热分解过程，多聚磷酸铵在高温条件下受热脱水生成聚磷酸或偏磷酸，可以作为强脱水剂与炭化剂发生脱水作用而形成不易燃烧的单质碳层，通过气源所产生的不燃性气体的作用形成膨胀炭层起到隔绝空气，阻隔火源的作用。
作为一种具体的实施方式，发泡剂为三聚氰胺盐。发泡剂是影响涂料防火性能的重要助剂，它是使涂层在受热过程中分解出不燃性气体，一方面隔绝了基材与空气的接触，另一方面使涂层膨胀，形成疏松多孔的发泡层，从而抑制燃烧的进行。
需要说明的是，在其他的一些实施方式中，也可以采用其他类型的炭化剂、脱水剂或发泡剂，只要能够实现与本发明实施例中相同的功能即可。
作为一种具体的实施方式，有机溶剂中的改性硅油为环氧基改性硅油或三乙烯基硅油。当然，在其他的一些实施方式中，也可以采用其他类型的改性硅油，只要能够实现与本发明实施例中相同的功能即可。
作为一种具体的实施方式，微球颗粒均匀分散在所制作的涂料中。微球颗粒由薄膜和包覆在薄膜内的被包覆物组成，是一种吸湿微珠，被包覆物为可迅速气化物质，薄膜在90-130℃融化，释放被包覆物，被包覆物在90-130℃吸热汽化，并排放到外部环境中。
具体地，可迅速气化的物质即被包覆物可以是液态水。当然，在其他的一些实施方式中，被包覆物也可以采用其他物质，只要能够实现与本发明实施例中相同的功能即可。
作为一种具体的实施方式，无机填料中的纳米氢氧化铝作为阻燃材料，有利于进一步提高安全性能；纳米氧化锌能提高产品遮盖力和着色力；在防火涂料中二氧化钛不仅能提高涂层的物理性能，并且它还可以提高防火性能。
作为一种具体的实施方式，偶联剂有利于增强有机聚合物和无机表面之间的附着力；分散剂有利于提高和改善固体或液体物料分散性能；消泡剂有利于消除涂料体系中的泡沫；催化剂有利于加速涂料的固化；上述助剂的加入量，可以根据涂料的设计性能，视情况而定。
本实施例中，防火涂料工作的原理是：在温度较低时，如90-130℃时，微球颗粒可释放出吸热物质，瞬间带走温度，降低热失控区域周边的温度，消除热失控发生的温度条件或者延缓热失控时间。当热失控区域温度继续升高时，如温度＞200℃，涂层中的阻燃材料发生作用，在脱水剂和发泡剂作用下，炭化剂脱水碳化并在气流作用下和气源交互作用，形成多孔的蜂窝状隔热层，从而阻止热源进一步扩散。
实施例2
本实施例提供一种上述实施例中的防火涂料的制备方法，取环氧基改性硅油13份，二甲苯10份，甲基丙烯酸甲酯7份混合，在35℃温度下搅拌1h，制成混合有机溶剂，将聚磷酸铵5份、三聚氰胺10份、四羟基甲烷10份均匀混合为混合粉末，在85℃温度下将混合粉末加入混合有机溶剂中，搅拌均匀，制作成混合浆料，搅拌速度1000r/min，搅拌30min后，向混合浆料中依次加入纳米氧化锌1份，纳米氢氧化铝1份，二氧化钛10份，微球颗粒10份，分散剂2份，偶联剂2份，消泡剂1份，催化剂1份，搅拌均匀后制成涂料。
需要说明的是，本实施例中的防火涂料的制备方法，也可以采用三乙烯基改性硅油，或者采用其他类型的改性硅油，而不仅限于本实施例中的环氧基改性硅油；温度、搅拌速度和搅拌时间可以根据原料的加入量进行适当调节，以使各组分充分混合；将无机填料、微球颗粒和其他助剂以预设的重量份数加入到混合浆料中，再次搅拌均匀后制成防火涂料，其中预设的重量份数与实施例1中的重量份数相同；分散剂、偶联剂、消泡剂和催化剂的加入量可以根据需要进行调节，以使制备的防火涂料具有优良的综合性能。
实施例3
本实施例提供一种上述实施例中的防火涂料的制备方法，取三乙烯基改性硅油10份，二甲苯8份，甲基丙烯酸甲酯2份混合，在120℃温度下搅拌1h，制成混合有机溶剂，将聚磷酸铵30份、三聚氰胺5份、四羟基甲烷25份均匀混合为混合粉末，在100℃温度下将混合粉末加入混合有机溶剂中，搅拌均匀，制作成混合浆料，搅拌速度150r/min，搅拌30min后，向混合浆料中依次加入纳米氧化锌10份，纳米氢氧化铝10份，二氧化钛5份，微球颗粒25份，分散剂4份，偶联剂4份，消泡剂4份，催化剂3份，搅拌均匀后制成涂料。
实施例4
本实施例提供一种上述实施例中的防火涂料的制备方法，取环氧基改性硅油25份，二甲苯10份，甲基丙烯酸甲酯5份混合，在100℃温度下搅拌1h，制成混合有机溶剂，将聚磷酸铵15份、三聚氰胺10份、四羟基甲烷12份均匀混合为混合粉末，在85℃温度下将混合粉末加入缓和有机溶剂中，搅拌均匀，制作成混合浆料，搅拌速度150r/min，搅拌30min后，向混合浆料中依次加入纳米氧化锌1份，纳米氢氧化铝1份，二氧化钛1份，微球颗粒15份，分散剂2份，偶联剂1份，消泡剂1份，催化剂1份，搅拌均匀后制成涂料。
实施例5
为进一步说明本发明实施例的防火涂料的性能，将上述实施例4制备的防火涂料，通过喷涂或刷涂的方式涂抹在铝合金试板的单面，涂覆厚度为1mm，涂料在铝合金试板上形成涂层后，对铝合金试板没有涂层的一面加热，用热电偶测试铝合金试板另一带涂层面的温度。当温度为125℃时，可见气体蒸发，试板带涂层侧温度下降至约76℃。52s后热电偶温度开始升高，当温度为220℃时，涂层发黑膨胀，膨胀高度约10mm，温度维持在220℃基本保持不变，47min后温度才开始继续升高。由此可见，本发明实施例的防火涂料形成的涂层，能够有效延缓热传递，并大大延缓热失控区域的温升速率。
本实施例提供一种防火涂料的应用，将上述实施例中的防火涂料用于汽车电池包，涂覆在电池模组的壳体上，或者电池包内壳体上，涂覆厚度在1mm以内。由于防火涂料可直接涂覆在电池包壳体内表面，或者电池包内部电芯模组壳体的内外表面，使用比较方便，本实施例的涂料与铝合金基材、铁基材、塑料基材的壳体之间均具有优良的附着力。防火涂料固化后形成吸热隔热涂层，当电芯发生热失控，可以吸收热量，为电池包降温，防止电池液吸热进一步反应。
具体地，该涂层在温度较低时，如90-130℃内便能够释放可迅速气化的微球颗粒，瞬间带走温度，降低热失控电池包内温度，消除热失控发生的温度条件或者延缓热失控时间，防止进一步反应；气化产生的气体可通过泄压阀释放到外部，不会造成电池包内压强升高，产生其他危害。若上述方案失效，当电池包内温度继续升高时，涂层随温度也继续升高，当温度高于200℃，涂层发生反应，可吸热膨胀，形成一定厚度的均匀且致密的蜂窝状结构的隔热层，阻隔热量传播，延缓热传递，延缓热失控区域的温升速率，进而避免相邻电芯或模组热失控，导致整包电池发生强烈的热反应引发火灾的现象。
本发明的另一实施例还提供一种防火涂层，该防火涂层基于上述实施例中的防火涂料形成。该涂层在90-130℃内便能够释放可迅速气化的微球颗粒；涂层随温度继续升高，当温度大于200℃，可吸热膨胀，形成均匀且致密的蜂窝状结构的隔热层，阻隔热量传播，延缓热失控区域的温升速率。
本发明的上述实施例，具有如下有益效果：
1、本发明的防火涂料，由于微球颗粒内的被包覆物能够吸热汽化，在涂层受热时，通过微球颗粒释放可迅速气化物质瞬间带走温度，从而能够主动降低热失控区域周边的温度，并延缓热失控的时间；
2、本发明的涂层继续受热，涂层中的阻燃材料发生作用，在脱水剂和发泡剂作用下，炭化剂脱水碳化并在气流作用下和气源交互作用，形成蜂窝状隔热层，从而阻隔热量传播，延缓热失控区域的温升速率以及热传递；
3、本发明的防火涂料，使用方便，涂料与铝合金基材、铁基材、塑料基材的壳体附着力优，可直接涂覆在电池包壳体或模组壳体或电芯壳体上，当电芯发生热失控，可以吸收热量，为电池包降温，降低热失控电芯的温度，防止电池液吸热进一步反应；温度继续升高时，涂层发生反应，形成一定厚度的蜂窝状隔热层，延缓热传递，可避免相邻电芯或模组热失控导致整个电池包发生强烈的热反应而引发火灾的现象。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种防火涂料，其特征在于，所述防火涂料由如下重量份数的原料组成：
炭化剂10-25份；脱水剂5-30份；发泡剂5-10份；
有机溶剂20-40份，所述有机溶剂包括改性硅油、二甲苯、甲基丙烯酸甲酯中的至少一种；
无机填料，所述无机填料包括纳米级氧化锌、二氧化钛和纳米级氢氧化铝各1-10份；
微球颗粒10-25份，所述微球颗粒由薄膜和包覆在所述薄膜内的被包覆物组成；
其他助剂5-15份，所述其他助剂为催化剂、分散剂、偶联剂或消泡剂中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的防火涂料，其特征在于，所述炭化剂为四羟甲基甲烷。
3.根据权利要求1所述的防火涂料，其特征在于，所述发泡剂为三聚氰胺盐，所述脱水剂为多聚磷酸铵。
4.根据权利要求1所述的防火涂料，其特征在于，所述薄膜在90-130℃融化，所述被包覆物在90-130℃吸热汽化。
5.根据权利要求4所述的防火涂料，其特征在于，所述被包覆物为液态水。
6.根据权利要求2所述的防火涂料，其特征在于，在温度高于200℃时，所述四羟甲基甲烷脱水，形成具有多孔结构的炭质层。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的防火涂料的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤：
将炭化剂、发泡剂和脱水剂以(10-25):(5-10):(5-30)的重量份数均匀混合，形成混合粉末；
提供有机溶剂溶液，将所述混合粉末加入到所述有机溶剂溶液中，在预设温度下搅拌均匀，形成混合浆料；
将无机填料、微球颗粒和其他助剂以预设的重量份数加入到所述混合浆料中，再次搅拌均匀后制成防火涂料。
8.根据权利要求7所述的防火涂料的制备方法，其特征在于，在提供有机溶剂溶液，将所述混合粉末加入到所述有机溶剂溶液中，在预设温度下搅拌均匀，形成混合浆料的步骤中，所述预设温度为35-120℃，搅拌速度为150-1000r/min。
9.一种如权利要求1-6任一项所述的防火涂料在汽车电池领域中的应用。
10.一种防火涂层，其特征在于，所述防火涂层基于如权利要求1-6任一项所述的防火涂料形成。
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