CN114686096B - 一种透明阻燃型uv涂料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及UV涂料领域,具体公开了一种透明阻燃型UV涂料及其制备方法及其制备方法及用途。透明阻燃型UV涂料包括以下重量份的原料:氢化聚丁二烯丙烯酸酯预聚物1‑10份;聚氨酯丙烯酸酯预聚物10‑30份;丙烯酸羟乙酯单体10‑30份;丙烯酸异冰片酯单体1‑10份;丙烯酰吗啉单体1‑10份;含磷季戊四醇丙烯酸酯单体10‑30份;聚醚多元醇5‑10份;光引发剂1‑5份;助剂0.1‑2份。其制备方法为:将以上预聚物、单体、聚醚多元醇、光引发剂和助剂一同混合,搅拌20‑40min后即制得所述透明阻燃型UV涂料。本申请的透明阻燃型UV涂料同时具有阻燃性和高透明度,能够应用于对阻燃性和透明性要求较高的木质文物涂层。
Description
技术领域
本申请涉及UV涂料领域,更具体地说,它涉及一种透明阻燃型UV涂料及其制备方法。
背景技术
随着社会经济的发展,环境和文物保护问题越来越受到关注。由于环境及人为等因素,历史文物及文化遗产受来越来越严重的损害,对一些重要的文明产物的抢救性保护越来越受到材料保护领域研究专家的重视,所以开发环境友好、低耗能、多功能的文物保护材料显得尤为重要。传统的化学保护多使用甲基丙烯化合物、环氧树脂、聚酰胺、聚氨基甲酸酯等材料,当其应用于木质文物及建筑时,极易发生火灾,因此需要对材料进行阻燃改性。传统的防火涂料除了使用有机溶剂,一般还需要加入大量的有机/无机阻燃剂达到阻燃效果,因此存在着溶剂挥发、附着力下降和透明性明显降低等问题。
UV涂料,即紫外光辐射固化涂料,是指以齐聚物为基础,加入特定的功能单体、光引发剂和助剂,在UV辐射下发生反应,通过聚合和交联形成固化膜。相比起传统的保护材料, UV涂料减少了有机溶剂的使用,降低了挥发性有机物(VOC)的排放和固化时间,并且具有附着力强、耐老化性、保色保光、耐有机溶剂、耐磨、耐腐蚀和固化方便等优点,符合可持续发展的要求。
但是目前报道的UV涂料阻燃改性基本都是采用添加阻燃剂的方式,在使用过程中会产生应力,导致出现开裂和透明性降低的问题。除此之外,市面上的UV涂料具有透明性较低、防火阻燃性能和耐候性较差以及对不同基材的附着力不好等问题。
相关技术中,对于阻燃型UV材料的研发报道非常少,而且几乎都是添加型的阻燃方式:专利CN201310457228提供了一种阻燃UV光固化涂料及其制备方法;CN201910374416提供了一种高性能阻燃UV漆的生产工艺;CN201910931992提供一种无卤阻燃UV固化丙烯酸酯压敏胶、压敏胶带及其制备方法等,这些专利均通过添加有机磷系阻燃剂来实现材料阻燃的功效。然而,这种阻燃剂并没有和材料完全有效地形成一个整体,如果阻燃剂和材料混合不均匀,阻燃效果会大打折扣。因此,通过采用反应型的阻燃方式,将阻燃剂和UV树脂发生化学反应,与材料形成一个均相体系,来最高效率地阻燃是一个重点,开发阻燃型的UV树脂将大大拓展UV树脂的应用领域。
相关技术报道了一种辐射可固化的含磷氮化物无卤阻燃剂的制备方法,采用含磷化合物、丙烯酸化的多元醇和多羟基的取代一元胺或二元胺为反应基质,从而获得可辐射固化的含氮磷化物无卤阻燃剂。该阻燃剂形成涂料时,具有较好的阻燃性,可以应用于建筑、涂层、塑料和电线电缆中。然而该阻燃剂合成工艺比较复杂并具有较深颜色,无法在对透明性要求较高的木材涂层中应用。
因此,亟需研究出一种阻燃、透明型的均相体系涂料,使其能够应用于对阻燃性和透明性要求较高的木材涂层中。
发明内容
为了解决现有涂料阻燃性和透明性无法兼顾以及各组分无法形成均相体系的问题,本申请提供一种透明阻燃型UV涂料及其制备方法。
第一方面,本申请提供一种透明阻燃型UV涂料,采用如下的技术方案:
一种透明阻燃型UV涂料,包括以下重量份的原料:
氢化聚丁二烯丙烯酸酯1-10份;
聚氨酯丙烯酸酯10-30份;
丙烯酸羟乙酯10-30份;
丙烯酸异冰片酯1-10份;
丙烯酰吗啉1-10份;
含磷季戊四醇丙烯酸酯10-30份;
聚醚多元醇5-10份;
光引发剂1-5份;
助剂0.1-2份;
所述含磷季戊四醇丙烯酸酯的制备方法是:按照摩尔比,磷酸酐:季戊四醇丙烯酸酯=1:1.1-1.5,将磷酸酐和季戊四醇丙烯酸酯混合,在90-120℃下反应5.5-6.5h,接着经过抽滤、萃取和蒸发,制得含磷季戊四醇丙烯酸酯。
通过采用上述技术方案,氢化聚丁二烯丙烯酸酯具有较高的附着力和柔韧性,其双键在任何情况都不容易氧化变色。聚氨酯丙烯酸酯中含有丙烯酸官能团和氨基甲酸酯键,其中丙烯酸官能团具有聚氨酯的高耐磨性、粘附力、柔韧性、高剥离强度和优良的耐低温性能以及聚丙烯酸酯卓越的光学性能和耐候性,是一种综合性能优良的辐射固化材料。
聚氨酯丙烯酸酯和聚醚多元醇均具有一定阻燃性;含磷季戊四醇丙烯酸酯和丙烯酰吗啉分别含有磷、氮元素,二者固化后交联在一起,在高温下生成的磷化物和氮化物形成膨胀性焦炭层,和季戊四醇丙烯酸酯本体形成的泡沫炭化层,共同起到隔热阻氧的作用。
当含磷季戊四醇丙烯酸酯的添加量在10-30份之间时,制得的涂料的耐燃时间较长,最长达到了40min,阻燃性也较好,最高达到了V-0等级,即对样品进行两次10秒的燃烧后,火焰在30s内快速熄灭,并且没有燃烧物停下。
另外,本申请中除了助剂之外的组分均为无色透明原料,且含磷季戊四醇丙烯酸酯作为有机阻燃成分,能够和氢化聚丁二烯丙烯酸酯以及聚氨酯丙烯酸酯相容,同时被丙烯酸羟乙酯、丙烯酸异冰片酯、丙烯酰吗啉、含磷季戊四醇丙烯酸酯溶解,从而成为均相体系。相比起无机阻燃剂,本申请制得的涂料能够同时兼顾阻燃性和透明度,应用于对阻燃性和透明性要求较高的木材涂层中。
可选的,所述氢化聚丁二烯丙烯酸酯为氢化聚丁二烯丙烯酸酯预聚物,聚氨酯丙烯酸酯为聚氨酯丙烯酸酯预聚物,丙烯酸羟乙酯为丙烯酸羟乙酯单体,丙烯酸异冰片酯为丙烯酸异冰片酯单体,丙烯酰吗啉为丙烯酰吗啉单体,含磷季戊四醇丙烯酸酯为含磷季戊四醇丙烯酸酯单体。
可选的,所述聚氨酯丙烯酸酯为具有阻燃性的脂肪族聚氨酯丙烯酸酯,所述聚氨酯丙烯酸酯官能度为6,且相对分子质量在1000-3000之间。
通过采用上述技术方案,控制聚氨酯丙烯酸酯官能度为6,保证该在制备涂料的过程中粘度低,固化后韧性高,若官能度低于6,则可能会出现固化时间延长,整体反应速度慢的问题。
可选的,所述聚醚多元醇为POP-3628H型无卤阻燃聚醚多元醇。
通过采用上述技术方案,POP-3628H型无卤阻燃聚醚多元醇与丙烯酸含磷季戊四醇丙烯酸酯具有一定的相容性,同时为无色透明的原料。
可选的,所述光引发剂为1-羟基环己基苯基甲酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮,二苯基-(2、4、6-三甲基苯酰胺)氧磷、二苯甲酮中的一种或多种。
通过采用上述技术方案,上述光引发剂能够产生自由基、阳离子等,从而引发含磷季戊四醇丙烯酸酯与聚合交联固化的化合物。
可选的,所述助剂为消光剂,流平剂、消泡剂和硅烷偶联剂中的至少一种。
第二方面,本申请提供一种透明阻燃型UV涂料的制备方法,采用如下的技术方案:一种透明阻燃型UV涂料的制备方法,包括以下步骤:
将氢化聚丁二烯丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸异冰片酯、丙烯酰吗啉、含磷季戊四醇丙烯酸酯、聚醚多元醇、光引发剂和助剂一同混合,搅拌20-40min后即制得所述透明阻燃型UV涂料。
通过采用上述技术方案,通过上述步骤制得的UV涂料同时具有较好的阻燃性和透明度,能够应用于阻燃性和透明度要求较高的木质文物,对木质文物进行防护,避免木质文物在高温下被烫伤,同时在展览时又能保证美观性。
第三方面,本申请提供一种透明阻燃型UV涂料在木质文物防护上的应用。
第四方面,本申请提供一种含磷季戊四醇丙烯酸酯的制备方法,采用如下的技术方案:一种含磷季戊四醇丙烯酸酯,包括以下步骤:
按照摩尔比磷酸酐:季戊四醇丙烯酸酯=1:1.1-1.5,将磷酸酐和季戊四醇丙烯酸酯混合,在 90-120℃下反应5.5-6.5h,接着经过抽滤、萃取和蒸发,制得含磷季戊四醇丙烯酸酯。
通过采用上述技术方案,季戊四醇丙烯酸酯中的羟基与磷酸酐中的酸酐进行酯化反应,通过酯交换制得含磷季戊四醇丙烯酸酯。
可选的,在加入季戊四醇丙烯酸酯前加入催化剂和阻聚剂,将磷酸酐、催化剂和阻聚剂混合,边油浴边搅拌至80-100℃;所述催化剂占磷酸酐和季戊四醇丙烯酸酯总质量分数的 0.8%-1.2%,所述阻聚剂占磷酸酐和季戊四醇丙烯酸酯总质量分数的0.1%-0.3%。
可选的,所述催化剂为强酸型催化剂;所述强酸型催化剂为固体超强酸、阳离子交换树脂、对甲苯磺酸和甲基磺酸中的一种。
可选的,所述季戊四醇丙烯酸酯为季戊四醇一丙烯酸酯、季戊四醇二丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯和双季戊四醇五丙烯酸酯中的一种或多种,优选为季戊四醇一丙烯酸酯和双季戊四醇五丙烯酸酯。
以季戊四醇一丙烯酸酯为例,其与环状磷酸酐的反应式如下所示:
通过采用上述技术方案,理论上,季戊四醇一丙烯酸酯能与3倍的环状磷酸酐反应,最终产物中P元素的含量较高;而季戊四醇本身在阻燃中起到成炭剂的作用,双季戊四醇五丙烯酸酯中具有较高的季戊四醇比例,但是仅和环状磷酸酐1:1反应,这两个在使用中具有不同的作用和效果。
第五方面,本申请提供一种含磷季戊四醇丙烯酸酯,其结构式如下所示:
综上所述,本申请具有以下有益效果:
1、在UV树脂组分中,所使用的聚氨酯丙烯酸酯和聚醚多元醇均具有一定阻燃性,并与其他组分具有良好的相容性,保证了UV树脂的透明性;UV树脂、含磷季戊四醇丙烯酸酯在光引发剂引发下进行自由基的聚合、交联等化学反应,固化后提高涂料与基体材料的附着力。其中磷、氮元素以化学键牢固的与其他组分交联在一起,形成均相体系,起到良好的阻燃效果。
2、本申请中聚丁二烯丙烯酸酯和聚氨酯丙烯酸酯均采用了预聚物的形式,其中预聚物是UV涂料的重要组成部分,是光固化配方的基体树脂,决定UV涂料固化后的各种性能如柔韧性、附着力、硬度、光学性能、耐候性、耐化学品性能;丙烯酸羟乙酯单体、丙烯酸异冰片酯单体、丙烯酰吗啉单体和含磷季戊四醇丙烯酸酯单体均为单体的形式,其中单体是 UV涂料的重要组成部分,一方面起到稀释作用,降低整个体系的粘度,另一方面,在固化过程中参与固化反应;
2、本申请制得的涂料很好地解决了UV涂料在木质文物的阻燃问题,其他各项性能指标也满足文物“无色、透明,保持文物原貌”的保护要求。
具体实施方式
原料来源:
氢化聚丁二烯丙烯酸酯:选自SODA公司的GI系列氢化聚丁二烯丙烯酸酯,分子量在 1500-3100中的一种或多种。
聚氨酯丙烯酸酯:选自广州三旺化工材料有限公司的具有阻燃性的脂肪族聚氨酯丙烯酸酯,牌号为SW3675。
丙烯酰吗啉:选自广州市广传电子材料有限公司,型号为GC。
聚醚多元醇:选自红宝丽集团股份有限公司,型号为H9528。
消光剂:KH500。
流平剂:silcn2200。
消泡剂:Z-5313。
硅烷偶联剂:KH560。
光引发剂:819和184。
制备例
含磷季戊四醇丙烯酸酯单体的制备步骤:
按照环状磷酸酐和季戊四醇丙烯酸酯的摩尔比为1:1.2称取环状磷酸酐和季戊四醇丙烯酸酯,再称取一定量的强酸性阳离子交换树脂催化剂及对苯二酚阻聚剂,其中催化剂占环状磷酸酐和季戊四醇丙烯酸酯的总质量分数的1%,阻聚剂占环状磷酸酐和季戊四醇丙烯酸酯的总质量分数的0.2%。
将称好的环状磷酸酐投入装有冷凝管的三口圆底烧瓶中,并加入强酸性阳离子交换树脂及对苯二酚,通过油浴搅拌加热至90℃,然后用恒压滴液漏斗缓慢滴加季戊四醇丙烯酸酯,结束后升温至120℃反应6h,制得原液。
停止反应,先对原液进行抽滤,得到滤液,接着用二氯甲烷和水对滤液进行多次萃取提纯,以除去催化剂、未反应的单体及其他杂质,再通过旋转蒸发仪对滤液旋转蒸发,得到较为纯净的含磷季戊四醇丙烯酸酯单体。
实施例
透明阻燃型UV涂料的制备步骤:
按照重量份将氢化聚丁二烯丙烯酸酯预聚物、聚氨酯丙烯酸酯预聚物、丙烯酸羟乙酯单体、丙烯酸异冰片酯单体、丙烯酰吗啉单体、含磷季戊四醇丙烯酸酯单体、聚醚多元醇、光引发剂和助剂一同混合,搅拌30min后即制得所述透明阻燃型UV涂料。
表1:实施例1-5与对比例1-2各组分的添加量
性能检测试验
检测方法
粘度测试方法:按照GB/T9269-1988进行检测。
透明度测试方法:按照GB/T 1721-2008进行检测,等级越低透明性越好。
附着力测试方法:按照GB/T9286-1998进行检测,级数越低表明附着力越好。
铅笔硬度测试方法:按照GB/T9269-1988进行检测,H数越多表明硬度越高。
防火涂料防火性能测试标准:按照UL94等级标准,进行垂直燃烧测试;其中,按照ZBG51004-85对耐燃时间进行检测,耐燃时间越长阻燃越好;按照GB 2406-80对极限氧指数进行检测,极限氧指数越高表示材料越不易燃烧。
数据分析
表2:实施例1-5与对比例1-2的检测数据
结合表1和表2可以看出,实施例1-5中采用了含磷季戊四醇丙烯酸酯单体作为阻燃剂,其与氢化聚丁二烯丙烯酸酯以及聚氨酯丙烯酸酯相容,同时被丙烯酸羟乙酯、丙烯酸异冰片酯、丙烯酰吗啉、含磷季戊四醇丙烯酸酯溶解,从而成为均相体系,由此制得的UV涂料的粘度最高为1850mPa.s,附着力最高为1级,透明度均为1级,耐燃时间不少于35min,极限氧指数不低于28.1。对比例3采用了无机阻燃剂聚磷酸铵代替有机阻燃剂含磷季戊四醇丙烯酸酯单体,其制得的UV涂料的粘度仅为840mPa.s,附着力为2级,耐燃时间为37min,极限氧指数为31.6,阻燃性为V-0,然而透明度为3级。可见,与无机阻燃剂相比,本申请的有机阻燃剂能够同时兼顾透明度和阻燃性,另外,对于耐燃时间、极限氧指数、附着力均具有较好的性能。
结合表1和表2可以看出,实施例1-5中含磷季戊四醇丙烯酸酯单体的重量份为10-30 份,对比例1中含磷季戊四醇丙烯酸酯单体的重量份为0份,对比例2中含磷季戊四醇丙烯酸酯单体的重量份为35份。其中,实施例1的透明度为1级,耐燃时间为40min,阻燃性为V-0,极限氧指数为31.9%;而对比例1的透明度为2级,耐燃时间为29min,阻燃性为V-2,极限氧指数为26.7%;对比例2的透明度为1级,耐燃时间为30min,阻燃性为V-0,极限氧指数为31.5%。可见,不添加含磷季戊四醇丙烯酸酯单体时,制得的UV涂料在透明度、耐燃时间和阻燃性方面性能明显很差,而添加含磷季戊四醇丙烯酸酯单体过量时,制得的UV 涂料在透明度、耐燃时间和阻燃性方面性能较好,但是比实施例1的数据差。
除此之外,实施例1的铅笔硬度为4H,对比例1的铅笔硬度仅为H,对比例2的铅笔硬度为2H,可见,严格控制含磷季戊四醇丙烯酸酯单体时,UV涂料在应用后硬度较高,不易出现划痕。
结合实施例1-5,可知,实施例1-5的透明度均为1级,但是实施例1的耐燃时间和极限氧指数均比实施例2-5更高,尤其是铅笔硬度和粘度,当含磷季戊四醇丙烯酸酯单体的重量份为30份时,制得的UV涂料的粘度较低,为860mPa.s,铅笔硬度为4H,不轻易出现划痕,而实施例2-4的含磷季戊四醇丙烯酸酯单体的重量份在10-25份之间,制得的UV涂料的粘度均超过1000mPa.s,铅笔硬度最高为2H,最低为HB,相较于实施例1,更容易出现划痕。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释,其并不是对本申请的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (7)
1.一种透明阻燃型UV涂料,其特征在于,包括以下重量份的原料:
氢化聚丁二烯丙烯酸酯1-10份;
聚氨酯丙烯酸酯10-30份;
丙烯酸羟乙酯10-30份;
丙烯酸异冰片酯1-10份;
丙烯酰吗啉1-10份;
含磷季戊四醇丙烯酸酯10-30份;
聚醚多元醇5-10份;
光引发剂1-5份;
助剂0.1-2份;
所述聚氨酯丙烯酸酯为具有阻燃性的脂肪族聚氨酯丙烯酸酯,所述聚氨酯丙烯酸酯官能度为6,且相对分子质量在1000-3000之间;
所述聚醚多元醇为POP-3628H型无卤阻燃聚醚多元醇;
所述含磷季戊四醇丙烯酸酯的制备方法是:按照摩尔比,磷酸酐:季戊四醇丙烯酸酯=1:1.1-1.5,将磷酸酐和季戊四醇丙烯酸酯混合,在90-120℃下反应5.5-6.5h,接着经过抽滤、萃取和蒸发,制得含磷季戊四醇丙烯酸酯。
2.根据权利要求1所述的透明阻燃型UV涂料,其特征在于:所述光引发剂为1-羟基环己基苯基甲酮、2-羟基2-甲基-1-苯基-1-丙酮、光引发剂819、二苯甲酮中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的透明阻燃型UV涂料,其特征在于:所述助剂为消光剂、流平剂、消泡剂和硅烷偶联剂中的至少一种。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的透明阻燃型UV涂料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将氢化聚丁二烯丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸异冰片酯、丙烯酰吗啉、含磷季戊四醇丙烯酸酯、聚醚多元醇、光引发剂和助剂一同混合,搅拌20-40min后即制得所述透明阻燃型UV涂料。
5.一种如权利要求1-3任一项所述的透明阻燃型UV涂料在木质文物上的应用。
6.根据权利要求1所述的透明阻燃型UV涂料,其特征在于:所述含磷季戊四醇丙烯酸酯的制备方法包括以下步骤:在加入季戊四醇丙烯酸酯前加入催化剂和阻聚剂,将磷酸酐、催化剂和阻聚剂混合,边油浴边搅拌至80-100℃;所述催化剂占磷酸酐和季戊四醇丙烯酸酯总质量分数的0.8%-1.2%,所述阻聚剂占磷酸酐和季戊四醇丙烯酸酯总质量分数的0.1%-0.3%。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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