CN112441777A - 一种纳米防火材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米防火材料及其制备方法，该纳米防火材料包括如下重量份的原料：超活性纳米二氧化钛15‑25份；氧化石墨烯‑碳纳米管分散液10‑20份；玻化微珠5‑10份；硅藻土12‑22份；蛭石15‑25份；无机胶黏剂20‑30份；无机分散剂3‑8份；水30‑45份。本发明的纳米防火材料，通过氧化石墨烯与碳纳米管形成分散液与超活性纳米二氧化钛纳米形成三维框架结构，与组分中的其它阻燃或难燃材料配合作用时，能够提高各原料之间的相容性、分散性，最终增加防火材料的力学性能和阻燃性能。

Description

一种纳米防火材料及其制备方法

技术领域

本发明属于防火材料技术领域，具体涉及一种纳米防火材料及其制备方法。

背景技术

现代生活中电子电器的大量使用，以及装修材料中过多易燃材料的使用，均容易触发火灾，给人们的生活带来安全隐患，甚至灾难。

现有防火板、防火门、防火玻璃，以及防火涂料，一般是通过在表面涂覆或添加具有难燃或阻燃特性的材料以达到减小火灾荷载和降低火灾蔓延速度的效果，但现在的防火材料存在耐火等级不高、材料厚重、遇火产生有害气体或耐老化性差等问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种纳米防火材料及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种纳米防火材料，包括如下重量份的原料：超活性纳米二氧化钛15-25份；氧化石墨烯-碳纳米管分散液10-20份；玻化微珠5-10份；硅藻土12-22份；蛭石15-25份；无机胶黏剂20-30份；无机分散剂3-8份；水30-45份。

优选地，所述超活性纳米二氧化钛的颗粒直径为1-5nm。

优选地，所述超活性纳米二氧化钛的颗粒直径小于2nm。

优选地，所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液为氧化石墨烯和碳纳米管超声震荡形成的混合分散溶液。

优选地，所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液的制备方法包括以下步骤：

1)将石墨烯采用Hummers方法制备氧化石墨烯；

2)将氧化石墨烯在水中超声分散30-40min，形成氧化石墨烯分散液；

3)在所述氧化石墨烯分散液中加入碳纳米管，继续超声震荡1-2h，得到所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液。

优选地，所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液中氧化石墨烯和碳纳米管的质量比为(1-2)：(2-3)。

优选地，所述无机胶黏剂是固体含量以重量计20～25％、黏度涂-4杯≥60秒、在温度800～1400℃下物理性能稳定的无机硅酸盐胶黏剂。

优选地，所述无机分散剂为钙、镁、钡的碳酸盐、磷酸盐或氢氧化物。

一种上述的纳米防火材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将超活性纳米二氧化钛、氧化石墨烯-碳纳米管分散液混合均匀，得到纳米混合物；

2)将玻化微珠、硅藻土和蛭石采用球磨技术球磨成粉状，得到球磨粉；

3)在所述纳米混合物和所述球磨粉中加无机胶黏剂、无机分散剂和水，搅拌均匀，即得所述纳米防火材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明的纳米防火材料，氧化石墨烯与碳纳米管形成的分散液，氧化石墨烯不仅保留有石墨烯原有的π共轭结构，还具备大量的含氧官能团，使氧化石墨烯具有良好的分散性；而碳纳米管因其独特的结构而具有热学、电学、力学、储氢、催化等优异的性能，但分散性差；氧化石墨烯与碳纳米管形成的分散液既能避免分散性的问题，又兼具二者的优点；可以与超活性纳米二氧化钛形成三维框架结构，再通过与组分中的其它材料配合作用时，能够提高各原料之间的相容性、分散性，有效降低团聚现象的发生，最终增加防火材料的韧性、强度、阻燃烧性能。

2、本发明的纳米防火材料，超活性纳米二氧化钛的分散性极好，在与氧化石墨烯-碳纳米管分散液混合时，二者的混合物不会发生团聚现象；且其优良的光催化性能可以使照射在本防火材料表面上的紫外光和红外光反射，起到将热能反射出去，消除由外部环境传导热效应的作用，同时达到防火材料耐候的目的。

3、本发明的纳米防火材料，玻化微珠是一种具有高性能的新型无机轻质绝热材料，耐熔融温度非常高，而蛭石具有良好的阻燃性能，二者与其它组分共同作用时，进一步提高防火材料的防火性能。

4、本发明的纳米防火材料，用到的胶黏剂和分散剂均为不易燃烧的无机物，全部组分中均为难燃或阻燃的物质，可以有效提高防火材料的耐火等级。

5、本发明的制备方法中，通过将玻化微珠、硅藻土和蛭石采用球磨技术球磨成粉状，与纳米混合物一起更容易均匀分散于无机胶黏剂、无机分散剂和水中，提高原料之间的分散性，以达到更好的阻燃防火性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

本实施例的纳米防火材料，包括如下重量份的原料：超活性纳米二氧化钛20份；氧化石墨烯-碳纳米管分散液16份；玻化微珠7份；硅藻土18份；蛭石20份；无机胶黏剂25份；无机分散剂6份；水40份。

本实施例中，超活性纳米二氧化钛的颗粒直径为1-5nm；更优选为小于2nm。

氧化石墨烯-碳纳米管分散液为氧化石墨烯和碳纳米管超声震荡形成的混合分散溶液。

氧化石墨烯-碳纳米管分散液的制备方法可以包括以下步骤：

1)将石墨烯采用Hummers方法制备氧化石墨烯；

2)将氧化石墨烯在水中超声分散30-40min，形成氧化石墨烯分散液；

3)在所述氧化石墨烯分散液中加入碳纳米管，继续超声震荡1-2h，得到所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液。

上述氧化石墨烯-碳纳米管分散液中氧化石墨烯和碳纳米管的质量比优选为1：2。碳纳米管包括表面羧基修饰碳纳米管、表面氨基修饰碳纳米管或表面羟基修饰碳纳米管中的一种或多种。本实施例选用羧基修饰碳纳米管。

本实施例选用的无机胶黏剂是固体含量以重量计20～25％、黏度涂-4杯≥60秒、在温度800～1400℃下物理性能稳定的无机硅酸盐胶黏剂。选用的无机分散剂为钙、镁、钡的碳酸盐、磷酸盐或氢氧化物，具体可以是碳酸钙或磷酸钙。

本实施例的纳米防火材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将20份超活性纳米二氧化钛、16份氧化石墨烯-碳纳米管分散液混合均匀，得到纳米混合物；

2)将7份玻化微珠、18份硅藻土和20份蛭石采用球磨技术球磨成粉状，得到球磨粉；

3)在所述纳米混合物和所述球磨粉中加25份无机胶黏剂、6份无机分散剂和40份水，搅拌均匀，即得所述纳米防火材料。

实施例二

本实施例的纳米防火材料，包括如下重量份的原料：超活性纳米二氧化钛15份；氧化石墨烯-碳纳米管分散液10份；玻化微珠5份；硅藻土12份；蛭石15份；无机胶黏剂20份；无机分散剂3份；水30份。

本实施例中，氧化石墨烯-碳纳米管分散液为氧化石墨烯和碳纳米管超声震荡形成的混合分散溶液。氧化石墨烯-碳纳米管分散液中氧化石墨烯和碳纳米管的质量比优选为2：3。碳纳米管包括表面羧基修饰碳纳米管、表面氨基修饰碳纳米管或表面羟基修饰碳纳米管中的一种或多种。本实施例选用表面羟基修饰碳纳米管。

本实施例的纳米防火材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将15份超活性纳米二氧化钛、10份氧化石墨烯-碳纳米管分散液混合均匀，得到纳米混合物；

2)将5份玻化微珠、12份硅藻土和15份蛭石采用球磨技术球磨成粉状，得到球磨粉；

3)在所述纳米混合物和所述球磨粉中加20份无机胶黏剂、3份无机分散剂和30份水，搅拌均匀，即得所述纳米防火材料。

实施例三

本实施例的纳米防火材料，包括如下重量份的原料：超活性纳米二氧化钛25份；氧化石墨烯-碳纳米管分散液20份；玻化微珠10份；硅藻土22份；蛭石25份；无机胶黏剂30份；无机分散剂8份；水45份。

本实施例中，氧化石墨烯-碳纳米管分散液为氧化石墨烯和碳纳米管超声震荡形成的混合分散溶液。氧化石墨烯-碳纳米管分散液中氧化石墨烯和碳纳米管的质量比优选为1：1。碳纳米管包括表面羧基修饰碳纳米管、表面氨基修饰碳纳米管或表面羟基修饰碳纳米管中的一种或多种。本实施例选用表面氨基修饰碳纳米管。

本实施例用到的玻化微珠是一种酸性玻璃质溶岩矿物质(松脂岩矿砂)，经过特种技术处理和生产工艺加工形成内部多孔﹑表面玻化封闭，呈球状体细径颗粒，是一种具有高性能的新型无机轻质绝热材料。主要化学成份是SiO₂﹑Al₂O₃﹑CaO，颗粒粒径为0.1-2mm，容重为50-100kg/m³，导热系数为0.028-0.048W/m﹒K，漂浮率大于95％，成球玻化率大于95％，吸水率小于50％，熔融温度为1200℃。

本实施例的纳米防火材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将25份超活性纳米二氧化钛、20份氧化石墨烯-碳纳米管分散液混合均匀，得到纳米混合物；

2)将10份玻化微珠、22份硅藻土和25份蛭石采用球磨技术球磨成粉状，得到球磨粉；

3)在所述纳米混合物和所述球磨粉中加30份无机胶黏剂、8份无机分散剂和45份水，搅拌均匀，即得所述纳米防火材料。

对比例一

本对比例与实施例一的区别在于，所包含的原料中不含有超活性纳米二氧化钛，其它组分相同；即本对比例的防火材料包括如下重量份的原料：氧化石墨烯-碳纳米管分散液16份；玻化微珠7份；硅藻土18份；蛭石20份；无机胶黏剂25份；无机分散剂6份；水40份。

对比例二

本对比例与实施例一的区别在于，所包含的原料中不含有氧化石墨烯-碳纳米管分散液，其它组分相同；即本对比例的防火材料包括如下重量份的原料：超活性纳米二氧化钛20份；玻化微珠7份；硅藻土18份；蛭石20份；无机胶黏剂25份；无机分散剂6份；水40份。

对比例三

本对比例与实施例一的区别在于，所包含的原料中各原料相同，含量不同；即本对比例的防火材料包括如下重量份的原料：超活性纳米二氧化钛5份；氧化石墨烯-碳纳米管分散液5份；玻化微珠3份；硅藻土30份；蛭石30份；无机胶黏剂35份；无机分散剂10份；水50份。

将本发明各实施例和各对比例的防火材料耐火性能测试，试验结果如下表所示：

	耐火等级	极限氧指数	抗压强度(MPa)	抗拉强度(MPa)
					实施例一	A1	35	7.1	5.3
实施例二	A1	32	6.2	4.8
					实施例三	A1	33	6.5	5.0
对比例一	B1	27	3.0	2.8
					对比例二	B1	27	2.5	2.3
对比例三	B1	28	3.2	3.0

通过上表可以看出，本发明的纳米防火材料，组分中的超活性纳米二氧化钛、氧化石墨烯-碳纳米管分散液的含量，以及各原料之间的相互配比对最终形成防火材料产品的耐火性能和力学性能等指标均有很大影响。

本发明的纳米防火材料，氧化石墨烯与碳纳米管形成的分散液，氧化石墨烯不仅保留有石墨烯原有的π共轭结构，还具备大量的含氧官能团，使氧化石墨烯具有良好的分散性；而碳纳米管因其独特的结构而具有热学、电学、力学、储氢、催化等优异的性能，但分散性差；氧化石墨烯与碳纳米管形成的分散液既能避免分散性的问题，又兼具二者的优点；可以与超活性纳米二氧化钛形成三维框架结构，再通过与组分中的其它材料配合作用时，能够提高各原料之间的相容性、分散性，有效降低团聚现象的发生，最终增加防火材料的韧性、强度、阻燃烧性能。本发明的纳米防火材料，超活性纳米二氧化钛的分散性极好，在与氧化石墨烯-碳纳米管分散液混合时，二者的混合物不会发生团聚现象；且其优良的光催化性能可以使照射在本防火材料表面上的紫外光和红外光反射，起到将热能反射出去，消除由外部环境传导热效应的作用，同时达到防火材料耐候的目的。本发明的纳米防火材料，玻化微珠是一种具有高性能的新型无机轻质绝热材料，耐熔融温度非常高，而蛭石具有良好的阻燃性能，二者与其它组分共同作用时，进一步提高防火材料的防火性能。本发明的纳米防火材料，用到的胶黏剂和分散剂均为不易燃烧的无机物，全部组分中均为难燃或阻燃的物质，可以有效提高防火材料的耐火等级。此外，本发明的制备方法中，通过将玻化微珠、硅藻土和蛭石采用球磨技术球磨成粉状，与纳米混合物一起更容易均匀分散于无机胶黏剂、无机分散剂和水中，提高原料之间的分散性，以达到更好的阻燃防火性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种纳米防火材料，其特征在于，包括如下重量份的原料：

超活性纳米二氧化钛15-25份；氧化石墨烯-碳纳米管分散液10-20份；玻化微珠5-10份；硅藻土12-22份；蛭石15-25份；无机胶黏剂20-30份；无机分散剂3-8份；水30-45份。

2.根据权利要求1所述的纳米防火材料，其特征在于，所述超活性纳米二氧化钛的颗粒直径为1-5nm。

3.根据权利要求1所述的纳米防火材料，其特征在于，所述超活性纳米二氧化钛的颗粒直径小于2nm。

4.根据权利要求1所述的纳米防火材料，其特征在于，所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液为氧化石墨烯和碳纳米管超声震荡形成的混合分散溶液。

5.根据权利要求4所述的纳米防火材料，其特征在于，所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液的制备方法包括以下步骤：

1)将石墨烯采用Hummers方法制备氧化石墨烯；

2)将氧化石墨烯在水中超声分散30-40min，形成氧化石墨烯分散液；

3)在所述氧化石墨烯分散液中加入碳纳米管，继续超声震荡1-2h，得到所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液。

6.根据权利要求5所述的纳米防火材料，其特征在于，所述氧化石墨烯-碳纳米管分散液中氧化石墨烯和碳纳米管的质量比为(1-2)：(2-3)。

7.根据权利要求5所述的纳米防火材料，其特征在于，所述无机胶黏剂是固体含量以重量计20～25％、黏度涂-4杯≥60秒、在温度800～1400℃下物理性能稳定的无机硅酸盐胶黏剂。

8.根据权利要求1所述的纳米防火材料，其特征在于，所述无机分散剂为钙、镁、钡的碳酸盐、磷酸盐或氢氧化物。

9.一种如权利要求1-8任一所述的纳米防火材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将超活性纳米二氧化钛、氧化石墨烯-碳纳米管分散液混合均匀，得到纳米混合物；

2)将玻化微珠、硅藻土和蛭石采用球磨技术球磨成粉状，得到球磨粉；

3)在所述纳米混合物和所述球磨粉中加无机胶黏剂、无机分散剂和水，搅拌均匀，即得所述纳米防火材料。