CN113174187A - 一种纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆及其制备方法 - Google Patents

一种纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆及其制备方法，包括纳米笼阻燃剂的制备、纳米笼阻燃剂改性环氧树脂的制备以及纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆的制备3个步骤，本发明提供的改性环氧树脂地坪漆中碳纳米笼的结构稳定，可以保护未被燃烧的环氧树脂纳米复合材料，延缓结构的坍塌，延长阻燃时间，同时碳纳米笼结构可以将有毒气体和烟雾进行吸附储存，与钴离子结合的活性位点还可以将有毒气体催化转化为无毒气体，能够抑制一氧化碳和烟雾的排放，从而降低环氧树脂复合材料的可燃性，此外，磷元素在环氧树脂燃烧热解过程中转化为含磷自由基，含磷自由基可以熄灭火焰中的活性自由基，如氢和氧，并抑制火焰强度。

Description

一种纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆及其制备方法
技术领域
本发明属于功能涂料技术领域，具体涉及一种纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆及其制备方法。
背景技术
环氧树脂广泛应用于土木建筑、电子电器、航天航空、汽车机械等领域，是国民生产的重要组成部分，中国目前是全球最大的环氧树脂生产国，产量为世界的37.1％。然而环氧树脂是一种无定形黏稠液体，加热呈塑性，没有明显的熔点，受热变软逐渐熔化而发黏，不溶于水，本身不会硬化，因此它几乎没有单独的使用价值，只有和固化剂反应生成三维网状结构的不熔聚合物才有应用价值。当加入一定量固化剂后就逐渐固化形成性能各异的化学物质，因此，必须加入固化剂，组成配方树脂，并且在一定条件下进行固化反应，生成立体网状结构的高分子材料，才会显现出各种优良的性能，成为具有真正使用价值的环氧材料。
环氧地坪漆具有良好的耐水耐油性、耐化学腐蚀性能、高硬度、高耐磨性、优越的粘结性等，并且色彩美观大方，耐沾污，方便维修保养，总体综合性能优越，在现代建筑如工厂、商城、车库、家装等得到广泛应用，在地坪行业中具有重要的地位。
专利文献CN107964324A公开了一种耐磨环氧树脂地坪漆的制备方法，包括以下操作步骤：(1)按重量份计，将58-66份双酚A型环氧树脂、4-9份三聚氰胺氰尿酸盐、3-6份氢化聚1癸烯、5-10份偏硼酸钙混合均匀后，制得组分A，备用；(2)按重量份计，将24-31份聚乙烯醇缩丁醛、7-10份二丁硫脲、1-5份4A沸石、3-6份钛白、2-6份滑石粉混合均匀后，采用球磨机球磨处理15-20min，取出后，向其中加入1-2份润湿流平剂、1-2份消泡剂后,将其加入至组分A中，混合搅拌均匀后，制得成品。本发明提供的耐磨环氧树脂地坪漆的制备方法，操作简单，成本低廉，制得的环氧树脂地坪漆，具有极其优异的耐腐蚀、耐水性能，并且干燥时间较短，干燥后，地坪表面的硬度较高，耐磨性能显著。但是，该环氧树脂地坪漆复合材料在燃烧过程中会产生大量的有毒气体和烟雾，并且不能对浓烟中的有毒气体进行吸附储存和转化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆及其制备方法，解决了传统的环氧树脂地坪漆在燃烧时不能对有毒气体进行吸附储存和转化的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆，由如下重量份的组分制成：纳米笼阻燃剂改性环氧树脂100-110份、聚丙烯酰胺2-6份、钛白粉20-40份、硫酸钡40-60份、环氧稀释剂28-40份，石英粉40-60份，蒙脱土50-80份，三乙烯四胺5-8份。
优选的，纳米笼阻燃剂改性环氧树脂的制备方法，包括如下步骤：将纳米笼阻燃剂加入到丙酮溶剂中超声分散均匀，然后向其中加入环氧树脂，超声分散均匀，在搅拌的状态下，将十二烷基-β-D-麦芽糖苷加入到上述溶液中，直至十二烷基-β-D-麦芽糖苷完全溶解，混合均匀后，将均质样品快速倒入模具中进行固化，即得到纳米笼阻燃剂改性环氧树脂。
优选的，所述纳米笼阻燃剂、环氧树脂和十二烷基-β-D-麦芽糖苷的质量比为10-20:100:3-5。
优选的，搅拌的温度为70-90℃，混合时间为2-8min，固化温度为80-120℃，固化时间为1-3h。
优选的，纳米笼阻燃剂的制备方法，包括如下步骤：在氩气气氛下，将ZIF-67纳米晶体与三苯磷的混合物进行退火处理，即得到纳米笼阻燃剂。
优选的，所述ZIF-67纳米晶体与三苯磷的质量比为1:95-99。
优选的，退火温度为800-900℃，退火时间为1-2h。
本发明还提供一种纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆的制备方法，包括如下步骤：将聚丙烯酰胺与纳米笼阻燃剂改性环氧树脂混合均匀，然后向其中加入钛白粉、硫酸钡、环氧稀释剂和石英粉，高速混合均匀，再向其中加入蒙脱土和三乙烯四胺，搅拌混合均匀，加入去离子水调节浓度，静置，即得到纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆。
优选的，所述纳米笼阻燃剂改性环氧树脂，聚丙烯酰胺，钛白粉，硫酸钡，环氧稀释剂，石英粉，蒙脱土和三乙烯四胺的质量比为100:2-6:20-40:40-60:28-40:40-60:50-80:5-8。
优选的，所述环氧稀释剂选自亚烷基缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚中的一种或几种。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆，通过ZIF-67提供钴、氮和碳源，三苯磷提供磷源，在氩气气氛下，加热到500-600℃时，2-甲基咪唑分解为氮和氰基碎片，导致了局部的还原性气氛，将Co2+转化为金属Co，在Co的存在下，三苯磷将进行乌尔曼反应，生成磷化钴，同时，挥发性碳物质在Co上凝结，最终合成了磷化钴纳米颗粒包裹的氮掺杂碳纳米笼。
(2)本发明提供的纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆中含有过渡金属钴和磷元素，并且以磷化钴纳米颗粒的形式镶嵌在中空碳纳米笼中，同时氮元素被均匀的掺杂在碳纳米笼中，含有氮元素的纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆复合材料在受热分解后，易放出氨气、氮气、深度氮氧化物、水蒸气等不燃性气体，不燃性气体的生成和阻燃剂的分解吸热会带走大部分热量，极大地降低了复合材料的表面温度，不燃气体不仅可以稀释空气中的氧气和复合材料受热分解产生可燃气体的浓度，还能与空气中的氧气反应生成氨气、水、以及深度氧化物，在消耗材料表面氧气的同时，达到良好的阻燃效果。
(3)本发明提供的纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆，其碳纳米笼的结构稳定，可以保护未被燃烧的环氧树脂纳米复合材料，延缓结构的坍塌，延长阻燃时间，同时碳纳米笼结构可以将有毒气体和烟雾进行吸附储存，与钴离子结合的活性位点还可以将有毒气体催化转化为无毒气体，能够抑制一氧化碳和烟雾的排放，从而降低环氧树脂复合材料的可燃性，此外，磷元素在环氧树脂燃烧热解过程中转化为含磷自由基，含磷自由基可以熄灭火焰中的活性自由基，如氢和氧，并抑制火焰强度。
具体实施方式
以下通过具体较佳实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。
需要说明的是，无特殊说明外，本发明中涉及到的化学试剂均通过商业渠道购买。
实施例1
一种纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆的制备方法，包括如下步骤：
(1)纳米笼阻燃剂的制备：在手套箱中称取1gZIF-67纳米晶体和95g三苯磷，然后在氩气气氛下，在800℃下退火1h，即得到纳米笼阻燃剂；
(2)纳米笼阻燃剂改性环氧树脂的制备：将步骤(1)制备的10g纳米笼阻燃剂加入到400mL丙酮溶剂中超声分散均匀，然后向其中加入100g环氧树脂，超声分散均匀，在70℃的搅拌状态下，将3g十二烷基-β-D-麦芽糖苷加入到上述溶液中，直至十二烷基-β-D-麦芽糖苷完全溶解，然后混合2min，将均质样品快速倒入模具中，在80℃下固化1h，即得到纳米笼阻燃剂改性环氧树脂；
(3)纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆的制备：将2g聚丙烯酰胺与100g纳米笼阻燃剂改性环氧树脂混合均匀，然后向其中加入20g钛白粉、40g硫酸钡、28g亚烷基缩水甘油醚和40g石英粉，高速混合均匀，再向其中加入50g蒙脱土和5g三乙烯四胺，搅拌混合均匀后加入去离子水调节浓度，静置，即得到纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆。
实施例2
一种纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆的制备方法，包括如下步骤：
(1)纳米笼阻燃剂的制备：在手套箱中称取1gZIF-67纳米晶体和96g三苯磷，然后在氩气气氛下，在820℃下退火1.2h，即得到纳米笼阻燃剂；
(2)纳米笼阻燃剂改性环氧树脂的制备：将步骤(1)制备的12g纳米笼阻燃剂加入到400mL丙酮溶剂中超声分散均匀，然后向其中加入100g环氧树脂，超声分散均匀，在75℃的搅拌状态下，将4g十二烷基-β-D-麦芽糖苷加入到上述溶液中，直至十二烷基-β-D-麦芽糖苷完全溶解，然后混合3min，将均质样品快速倒入模具中，在85℃下固化1h，即得到纳米笼阻燃剂改性环氧树脂；
(3)纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆的制备：将3g聚丙烯酰胺与100g纳米笼阻燃剂改性环氧树脂混合均匀，然后向其中加入25g钛白粉、45g硫酸钡、29g亚烷基缩水甘油醚和42g石英粉，高速混合均匀，再向其中加入60g蒙脱土和6g三乙烯四胺，搅拌混合均匀后加入去离子水调节浓度，静置，即得到纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆。
实施例3
一种纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆的制备方法，包括如下步骤：
(1)纳米笼阻燃剂的制备：在手套箱中称取1gZIF-67纳米晶体和97g三苯磷，然后在氩气气氛下，在830℃下退火1.4h，即得到纳米笼阻燃剂；
(2)纳米笼阻燃剂改性环氧树脂的制备：将步骤(1)制备的15g纳米笼阻燃剂加入到400mL丙酮溶剂中超声分散均匀，然后向其中加入100g环氧树脂，超声分散均匀，在80℃的搅拌状态下，将4g十二烷基-β-D-麦芽糖苷加入到上述溶液中，直至十二烷基-β-D-麦芽糖苷完全溶解，然后混合4min，将均质样品快速倒入模具中，在90℃下固化1.4h，即得到纳米笼阻燃剂改性环氧树脂；
(3)纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆的制备：将4g聚丙烯酰胺与100g纳米笼阻燃剂改性环氧树脂混合均匀，然后向其中加入30g钛白粉、50g硫酸钡、30g亚烷基缩水甘油醚和45g石英粉，高速混合均匀，再向其中加入70g蒙脱土和7g三乙烯四胺，搅拌混合均匀后加入去离子水调节浓度，静置，即得到纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆。
实施例4
一种纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆的制备方法，包括如下步骤：
(1)纳米笼阻燃剂的制备：在手套箱中称取1gZIF-67纳米晶体和99g三苯磷，然后在氩气气氛下，在850℃下退火1.5h，即得到纳米笼阻燃剂；
(2)纳米笼阻燃剂改性环氧树脂的制备：将步骤(1)制备的18g纳米笼阻燃剂加入到400mL丙酮溶剂中超声分散均匀，然后向其中加入100g环氧树脂，超声分散均匀，在90℃的搅拌状态下，将5g十二烷基-β-D-麦芽糖苷加入到上述溶液中，直至十二烷基-β-D-麦芽糖苷完全溶解，然后混合5min，将均质样品快速倒入模具中，在100℃下固化2h，即得到纳米笼阻燃剂改性环氧树脂；
(3)纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆的制备：将6g聚丙烯酰胺与100g纳米笼阻燃剂改性环氧树脂混合均匀，然后向其中加入40g钛白粉、60g硫酸钡、36g亚烷基缩水甘油醚和50g石英粉，高速混合均匀，再向其中加入50g蒙脱土和5g三乙烯四胺，搅拌混合均匀后加入去离子水调节浓度，静置，即得到纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆。
对比例1
一种环氧树脂地坪漆的制备方法，包括如下步骤：
将2g聚丙烯酰胺与100g环氧树脂混合均匀，然后向其中加入20g钛白粉、40g硫酸钡、28g亚烷基缩水甘油醚和40g石英粉，高速混合均匀，再向其中加入50g蒙脱土和5g三乙烯四胺，搅拌混合均匀后加入去离子水调节浓度，静置，即得到环氧树脂地坪漆。
将实施例1-4和对比例1所制备的环氧树脂地坪漆进行拉伸测试、氧指数测试和垂直燃烧测试。
拉伸测试参照GB/T 2567-2008树脂浇注体性能试验方法进行测定，氧指数测试按照国标GB/T 2406-1993进行极限氧指数的测试，根据UL94中的垂直燃烧试验测试得到阻燃等级，实验结果如下表所示：
编号 拉伸强度(MPa) 阻燃等级 LOI值(％)
实施例1 112 UL94V-0 27.2
实施例2 124 UL94V-0 31.4
实施例3 132 UL94V-0 32.5
实施例4 145 UL94V-0 34.8
对比例1 74 无级别 18.4
从上述实验结果可以看出，本发明制备得到的纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆复合材料的拉伸强度与未经过改性的环氧树脂地坪漆复合材料相比具有了显著的提高，其拉伸强度可达145MPa；其燃烧等级为UL94V-0级，阻燃性能得到了显著提高；其LOI值最高可达34.8％，大约为未经过改性的环氧树脂地坪漆复合材料的两倍。
最后需要说明的是：以上实施例不以任何形式限制本发明。对本领域技术人员来说，在本发明基础上，可以对其作一些修改和改进。因此，凡在不偏离本发明精神的基础上所做的任何修改或改进，均属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆，其特征在于，由如下重量份的组分制成：纳米笼阻燃剂改性环氧树脂100-110份、聚丙烯酰胺2-6份、钛白粉20-40份、硫酸钡40-60份、环氧稀释剂28-40份，石英粉40-60份，蒙脱土50-80份，三乙烯四胺5-8份。
2.根据权利要求1所述的纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆，其特征在于，纳米笼阻燃剂改性环氧树脂的制备方法，包括如下步骤：将纳米笼阻燃剂加入到丙酮溶剂中超声分散均匀，然后向其中加入环氧树脂，超声分散均匀，在搅拌的状态下，将十二烷基-β-D-麦芽糖苷加入到上述溶液中，直至十二烷基-β-D-麦芽糖苷完全溶解，混合均匀后，将均质样品快速倒入模具中进行固化，即得到纳米笼阻燃剂改性环氧树脂。
3.根据权利要求2所述的纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆，其特征在于，所述纳米笼阻燃剂、环氧树脂和十二烷基-β-D-麦芽糖苷的质量比为10-20:100:3-5。
4.根据权利要求2所述的纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆，其特征在于，搅拌的温度为70-90℃，混合时间为2-8min，固化温度为80-120℃，固化时间为1-3h。
5.根据权利要求2所述的纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆，其特征在于，纳米笼阻燃剂的制备方法，包括如下步骤：在氩气气氛下，将ZIF-67纳米晶体与三苯磷的混合物进行退火处理，即得到纳米笼阻燃剂。
6.根据权利要求5所述的纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆，其特征在于，所述ZIF-67纳米晶体与三苯磷的质量比为1:95-99。
7.根据权利要求5所述的纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆，其特征在于，退火温度为800-900℃，退火时间为1-2h。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将聚丙烯酰胺与纳米笼阻燃剂改性环氧树脂混合均匀，然后向其中加入钛白粉、硫酸钡、环氧稀释剂和石英粉，高速混合均匀，再向其中加入蒙脱土和三乙烯四胺，搅拌混合均匀，加入去离子水调节浓度，静置，即得到纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆。
9.根据权利要求8所述的纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆的制备方法，其特征在于，所述纳米笼阻燃剂改性环氧树脂，聚丙烯酰胺，钛白粉，硫酸钡，环氧稀释剂，石英粉，蒙脱土和三乙烯四胺的质量比为100:2-6:20-40:40-60:28-40:40-60:50-80:5-8。
10.根据权利要求8所述的纳米笼阻燃剂改性环氧树脂地坪漆的制备方法，其特征在于，所述环氧稀释剂选自亚烷基缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚中的一种或几种。
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