TWI499648B - 阻燃塗料及阻燃基材 - Google Patents

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Description

阻燃塗料及阻燃基材
本發明係關於一種阻燃塗料及阻燃基材，特別是關於一種無鹵素成份之塗佈型阻燃塗料及阻燃基材。
為了符合消防安檢法規，工業用或室內裝潢使用之紡織布料也需要進行阻燃處理，其中現有紡織布料之阻燃技術使用之阻燃塗料大多以鹵素化合物為主成份，並再搭配一部份銻系阻燃劑。該鹵素成份例如為聚氯乙烯(PVC)，其具有優異的阻燃效果，並廣泛應用於表面貼皮、壁紙等室內裝飾用途。然而，含有PVC等鹵素成份之阻燃塗料在火場中受熱時容易分解產生戴奧辛等有毒氣體；同時，此類阻燃塗料也因添加了鹵素成份及大量塑化劑，而造成無法符合歐盟等地區之環保法規，導致使其相關產品無法輸出至歐洲等地區販售。
故，有必要提供一種阻燃塗料及阻燃基材，以解決習用技術所存在的問題。
本發明之主要目的在於提供一種阻燃塗料及阻燃基材，其係由水性聚氨酯樹脂、具有數個異氰酸基之異氰酸酯類化合物以及金屬氫 氧化物來組成一種無鹵素成份之塗佈型阻燃塗料，因而不但可提供優良之阻燃性質，而且亦可符合無毒塗料環保法規。
為達上述之目的，本發明提供一種阻燃塗料，其包含：(a)一種水性聚氨酯樹脂；(b)一種具有數個異氰酸基之異氰酸酯類化合物；以及(c)至少一種金屬氫氧化物；其中該異氰酸酯類化合物之該些異氰酸基分別與該水性聚氨酯樹脂及該金屬氫氧化物產生鍵結。
在本發明之一實施例中，該水性聚氨酯樹脂、該異氰酸酯類化合物及該金屬氫氧化物之固體重量比例為50：0.1~1：20~80。
在本發明之一實施例中，更包括一種磷系阻燃劑。
在本發明之一實施例中，更包括一種膨脹石墨。
在本發明之一實施例中，該水性聚氨酯樹脂具有數個磺酸基或羧基之親水基。
在本發明之一實施例中，該異氰酸酯類化合物係為經親水性改質之基于六亞甲基二異氰酸酯之寡聚合物。
在本發明之一實施例中，該金屬氫氧化物係為氫氧化鋁或氫氧化鎂。
在本發明之一實施例中，該金屬氫氧化物之平均粒徑介於1至15微米(um)之間。
在本發明之一實施例中，該金屬氫氧化物之微粒係經表面改質而具有數個胺基(-NH2 )。
在本發明之一實施例中，更包括一種金屬粉或金屬網。
另外，本發明提供一種阻燃基材，其包含：一薄材；以及一如上所述之阻燃塗料，其塗佈在該薄材上。
在本發明之一實施例中，該薄材係選自布料、紙類或塑料薄板。
在本發明之一實施例中，該布料係為棉布或聚對苯二甲酸乙二酯(PET)布。
在本發明之一實施例中，該塑料薄板係為聚丙烯(PP)薄板。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，作詳細說明如下。
根據本發明之一較佳實施例，本發明提供一種阻燃塗料，其包含一種水性聚氨酯(polyurethane)樹脂、一種具有數個異氰酸基(-NCO)之異氰酸酯類(isocyanate)化合物以及一種金屬氫氧化物，其中該異氰酸酯類化合物之該些異氰酸基分別與該水性聚氨酯樹脂及該金屬氫氧化物產生鍵結，因而形成有機與無機混成之聚合薄膜。
在本實施例中，該水性聚氨酯樹脂、該異氰酸酯類化合物、該金屬氫氧化物之固體重量比例可為50：0.1~1：20~80，必要時，也可額外包含一種磷系阻燃劑，例如聚磷酸銨。此時，該水性聚氨酯樹脂、該異氰酸酯類化合物、該金屬氫氧化物與該磷系阻燃劑之固體重量比例可為50：0.1~1：20~80：5~40。另外，也可額外包含一種膨脹石墨，以使阻燃塗料適合作為飾板，該膨脹石墨之固體重量比例則依產品需求調整，本發明並不 加以限制。
在本實施例中，該水性聚氨酯樹脂可分為陰離子型、陽離子型及非離子型水性聚氨酯，其中陰離子型又可分為磺酸型及羧酸型兩大類，亦即該水性聚氨酯樹脂可以具有數個磺酸基(-SO3 H)或羧基(-COOH)之親水基。
再者，該異氰酸酯類化合物係為一種預先經過親水改質處理之交聯劑(crosslinker，又稱為架橋劑)，並且各具有數個異氰酸基(-NCO)。該異氰酸酯類化合物例如係為經親水性改質之基于六亞甲基二異氰酸酯(hexamethylene diisocyanate)之寡聚合物(oligomer)，其中該異氰酸酯類化合物係能以其異氰酸基鍵結在該水性聚氨酯樹脂上。
另外，該金屬氫氧化物係指預先進行表面改質處理且具有預定平均粒徑之氫氧化鋁(Al(OH)3 ，aluminum trihydroxide，ATH)或氫氧化鎂(Mg(OH)2 )的微粒，其中該預定平均粒徑較佳控制在介於1至15微米(μm)之間。該金屬氫氧化物之微粒經表面改質後係各具有數個胺基(-NH2 )，該胺基只位於該微粒之表面上，其中各該微粒係經由該胺基鍵結在該異氰酸酯類化合物之其中至少一該異氰酸基上。待後續該阻燃塗料在火場中受熱時，該金屬氫氧化物之微粒才會受熱釋放出水氣並轉而成為金屬氧化物，以阻隔熱能。
在本案實施例中，上述阻燃塗料係預先被塗布在一薄材上，薄材係選自布料、紙類或塑料薄板。於本實施例中，上述阻燃塗料係預先被塗布在一布料上，以成為一種阻燃基材，其中該布料例如係為棉布或聚對苯二甲酸乙二酯(PET)布，但並不限於此。在本發明一實施例中，上 述阻燃塗料及阻燃基材係可由下述液態組成物經由混合、塗佈及烘乾而加以製造，該液態組成物包含：一種水性聚氨酯分子、一種親水改質之交聯分子、一種表面改質之氫氧化鋁微粒以及純水，其中該水性聚氨酯分子是以水代替有機溶劑作為分散介質的聚氨酯(polyurethane)體系，該水性聚氨酯分子各具有數個親水基，該親水基可選自磺酸基(-SO3 H)或羧基(-COOH)，且該水性聚氨酯分子係已預先合成備用。
再者，該親水改質之交聯分子例如係為各具有數個異氰酸基(-NCO)之異氰酸酯類化合物，例如經親水性改質之基于六亞甲基二異氰酸酯之寡聚合物，其中各交聯分子在與該水性聚氨酯分子反應後係能以其至少一該異氰酸基鍵結在該水性聚氨酯分子上。在本實施例中，該交聯分子例如具有下述代表式(I)：
其中R係選自H或C1 -C12 的直鏈或支鏈之烷基或烯基。上述交聯分子經過親水改質處理後具有異氰酸基，因此當其預先在水中調配成反應液時，多個該交聯分子之主分子鏈部份因同屬親油性質，因而聚集在一起成為乳化微滴狀，但該乳化微滴之表面的交聯分子則因異氰酸基與水反應生成聚脲(urea)層做為一親水性膜層。因此，使得該交聯分子暫時以具有親水性膜層之乳化微滴的狀態均勻散佈在水中，進而保護內部未反應之異氰酸基，減緩其消耗速度。
另外，本實施例之表面改質氫氧化鋁微粒之預定平均粒徑係介於1至15微米之間。該氫氧化鋁微粒經表面改質後係各具有數個胺基(-NH2 )，該胺基只位於該氫氧化鋁微粒之表面上，其中各該氫氧化鋁微粒係用以經由該胺基鍵結在該交聯分子之其中至少一該異氰酸基上。待後續該阻燃塗料在火場中受熱時，該氫氧化鋁微粒才會受熱釋放出水氣並轉而成為其金屬氧化物，以阻隔熱能。
本發明將於下文利用數個實施例來說明本發明如何利用上述配方來調配製作阻燃塗料之方法，並比對探討其阻燃性質是否有所提升。
實施例1：
首先，預調配含一種水性聚氨酯分子之水溶液備用，欲進行下述反應時，則在該水性聚氨酯分子之水溶液中進一步加入去離子水進行稀釋，隨後再加入表面改質之氫氧化鋁微粒(粒徑1及8μm)，並攪拌至均勻分散成為一稀釋混合水溶液。
接著，預先調配一親水改質之交聯分子的水溶液，使該交聯分子表面之異氰酸基(-NCO)先與水反應而形成乳化微滴狀及其親水性膜層。隨後，再將此乳化微滴狀交聯分子的水溶液加入到上述稀釋混合水溶液中，並攪拌至均勻，如此即調配完成一液態塗料，此時之液態塗料仍含有水份，其組成物重量比例如下表1所示：
在上述表1之液態塗料中，水性聚氨酯分子、交聯分子、氫 氧化鋁微粒及磷系阻燃劑(聚磷酸銨)之固體重量比例為50：0.5：40：10。其中，前述表格中，約有45~50g之水重量來自於前述預備調製的水性聚氨酯分子之水溶液之水重量。
最後，再將攪拌均勻之液態塗料以濕式刮塗方式塗佈於一布料上，其中該布料可選自棉布或聚對苯二甲酸乙二酯(PET)布。接著，以160℃烘乾該液態塗料，待其水份蒸發後即成為一阻燃塗料層。在烘乾期間，親水改質之交聯分子的微滴表面之親水性膜層(聚脲層)因膜層乾燥體積壓縮而破裂，內部未反應之異氰酸基(-NCO)獲得釋放，並在高溫下與該水性聚氨酯分子(R-NH-COOR’)進行交聯反應，同時表面改質之氫氧化鋁微粒(ATH-NH2 )進行接枝反應形成有機/無機混成(hybrid)之阻燃塗料層，其膜厚約0.3毫米。該阻燃塗料層可以塗佈在該布料之單一表面或兩表面，以共同構成一阻燃基材。
接著，該阻燃基材係以30至45度傾角置於一火焰上方進行薄材阻燃試驗，測量該阻燃塗層表面之碳化長度的結果顯示確實可通過加熱兩分鐘之CNS-7614防焰二級標準，詳如下表2所示：
其中，餘焰時間(秒)、餘燼時間(秒)及碳化長度(cm)之經向與緯向測試結果之單位值需分別等於或小於5、60及10。經由經向與緯向分別三次的測試結果，分別皆為0、0及9，顯然分別於5、60及10之規範內，換言之，本試驗結果顯示確實可通過加熱兩分鐘之CNS-7614防焰二級標準。
實施例2：
本實施例之阻燃塗料之調配方法相似於實施例1，首先，預調配含水性聚氨酯分子之水溶液備用，欲進行下述反應時，則在該水性聚氨酯分子之水溶液中進一步加入去離子水進行稀釋，隨後加入表面改質之氫氧化鋁微粒(粒徑8μm)以及進一步加入磷系阻燃劑(例如聚磷酸銨)，並攪拌至均勻分散成為一稀釋混合水溶液。
接著，預先調配親水改質之交聯分子的水溶液，得到乳化微滴狀交聯分子的水溶液，並將其加入到上述稀釋混合水溶液中，並攪拌至均勻，如此即調配完成一液態塗料，此時之液態塗料仍含有水份，其組成物重量比例如下表3所示：
在上述表3之液態塗料中，水性聚氨酯分子、交聯分子、氫氧化鋁微粒、及磷系阻燃劑(聚磷酸銨)之固體重量比例為50：0.5：25：30。其中，前述表格中，約有45~50g之水重量來自於前述預備調製的水性聚氨酯分子之水溶液之水重量。
最後，同樣將攪拌均勻之阻燃塗料以濕式刮塗方式塗佈於 一布料上，並以160℃烘乾該液態塗料，待其水份蒸發後即成為一阻燃塗料層，其膜厚約0.5mm。該阻燃塗料層可以塗佈在該布料之單一表面或兩表面，以共同構成一阻燃基材。
接著，本實施例之阻燃基材同樣以30至45度傾角置於一火焰上方進行薄材阻燃性質試驗，測量該阻燃塗料層表面之碳化區面積的結果顯示確實可通過CNS-10285A1阻燃標準，詳如下表4所示：
其中，由上表得知，經加熱或著火反應後，並搭配經向與緯向之試驗，其餘焰時間(秒)、餘燼時間(秒)、碳化面積(cm2 )及碳化長度(cm)之單位值分別皆分別小於3、5、30及20內，換言之，本試驗結果顯示確實可通過CNS-10285A1阻燃標準。
實施例3(對照組)：
本實施例之阻燃塗料之調配方法相似於實施例1，首先預調 配含水性聚氨酯分子之水溶液備用，欲進行下述反應時，則在該水性聚氨酯分子之水溶液中進一步加入去離子水進行稀釋，但該稀釋水溶液中並不加入表面改質之氫氧化鋁微粒或磷系阻燃劑。
接著，預先調配親水改質之交聯分子的水溶液，得到乳化微滴狀交聯分子的水溶液，並將其加入到上述稀釋混合水溶液中，並攪拌至均勻，如此即調配完成一液態塗料，此時之液態塗料仍含有水份，其組成物重量比例如下表5所示：
在上述表5之液態塗料中，水性聚氨酯分子、及交聯分子之固體重量比例為50：0.5。其中，前述表格中，約有45~50g之水重量來自於前述預備調製的水性聚氨酯分子之水溶液之水重量。
最後，同樣將攪拌均勻之液態塗料以濕式刮塗方式塗佈於一布料上，並以160oC烘乾該液態塗料，待其水份蒸發後即成為一阻燃塗料層，其膜厚約30微米。該阻燃塗料層可以塗佈在該布料之單一表面或兩表面，以共同構成一阻燃基材。
接著，本實施例(對照組)之阻燃基材同樣以30至45度傾角置於一火焰上方進行薄材阻燃性質試驗，結果該阻燃基材完全燒毀，因此確認無法通過CNS-7614阻燃標準。
實施例4：
本實施例之阻燃塗料之調配方法相似於實施例1，首先，預調配含水性聚氨酯分子之水溶液備用，欲進行下述反應時，則在該水性聚氨酯分子之水溶液中進一步加入去離子水進行稀釋，隨後加入表面改質之氫氧化鋁微粒(粒徑8μm)以及進一步加入磷系阻燃劑(例如聚磷酸銨)，並攪拌至均勻分散成為一稀釋混合水溶液。
接著，預先調配親水改質之交聯分子的水溶液，得到乳化微滴狀交聯分子的水溶液，並將其加入到上述稀釋混合水溶液中，並攪拌至均勻，如此即調配完成一液態塗料，此時之液態塗料仍含有水份，其組成物重量比例如下表6所示：
在上述表6之液態塗料中，水性聚氨酯分子、交聯分子、氫氧化鋁微粒、及磷系阻燃劑(聚磷酸銨)之固體重量比例為50：1：60：15。其中，前述表格中，約有20~30g之水重量來自於前述預備調製的水性聚氨酯分子之水溶液之水重量。
最後，同樣將攪拌均勻之阻燃塗料以濕式刮塗方式塗佈於一紙材上，並以160℃烘乾該液態塗料，待其水份蒸發後即成為一阻燃塗料層，其平均膜厚約0.54mm。該阻燃塗料層可以塗佈在該紙材之單一表面或兩表面，以共同構成一阻燃基材。
接著，該阻燃基材係以30至45度傾角置於一火焰上方進行薄材阻燃試驗，測量該阻燃塗層表面之碳化長度的結果顯示確實可通過加 熱一分鐘之CNS-7614防焰三級標準，詳如下表7所示：
其中，碳化長度(cm)之測試結果之單位值需分別等於或小於15cm，上表中的結果顯然在該規範內，換言之，本試驗結果顯示確實可通過加熱一分鐘之CNS-7614防焰三級標準。
實施例5：
本實施例之阻燃塗料之調配方法相似於實施例1，首先，預調配含水性聚氨酯分子之水溶液備用，欲進行下述反應時，則在該水性聚氨酯分子之水溶液中進一步加入去離子水進行稀釋，隨後加入表面改質之氫氧化鋁微粒(粒徑8μm)以及進一步加入磷系阻燃劑(例如聚磷酸銨)，並攪拌至均勻分散成為一稀釋混合水溶液。
接著，預先調配親水改質之交聯分子的水溶液，得到乳化微滴狀交聯分子的水溶液，並將其加入到上述稀釋混合水溶液中，並攪拌至均勻，如此即調配完成一液態塗料，此時之液態塗料仍含有水份，其組成物重量比例如下表8所示：
在上述表8之液態塗料中，水性聚氨酯分子、交聯分子、氫氧化鋁微粒、及磷系阻燃劑(聚磷酸銨)之固體重量比例為50：1：60：15。 其中，前述表格中，約有20~30g之水重量來自於前述預備調製的水性聚氨酯分子之水溶液之水重量。
最後，同樣將攪拌均勻之阻燃塗料以濕式刮塗方式塗佈於一聚丙烯(PP)薄板上，並以160℃烘乾該液態塗料，待其水份蒸發後即成為一阻燃塗料層，其平均膜厚約54mm。該阻燃塗料層可以塗佈在該聚丙烯薄板之單一表面或兩表面，以共同構成一阻燃基材。
接著，該阻燃基材係以30至45度傾角置於一火焰上方進行薄材阻燃試驗，測量該阻燃塗層表面之碳化長度的結果顯示確實可通過加熱30秒之CNS-7614防焰二級標準，詳如下表9所示：
其中，碳化長度(cm)之測試結果之單位值需分別等於或小於10cm，上表中的結果顯然在該規範內，換言之，本試驗結果顯示確實可通過加熱30秒之CNS-7614防焰二級標準。
如上所述，相較於實施例3之阻燃基材完全燒毀無法通過阻燃標準，本發明實施例1-2及4-5係由一種水性聚氨酯樹脂、一種具有數個異氰酸基之異氰酸酯類化合物以及一種金屬氫氧化物來組成一種無鹵素成份之塗佈型阻燃塗料，其係可塗佈在該布料、紙材以及PP薄板上烘乾形成該阻燃塗料層，其確實能兼顧提供阻燃性質及符合無毒塗料環保法規之雙重訴求；在實施例1中，則可進一步加入用量相對較少之磷系阻燃劑(聚磷酸銨)，如此不但能具有實施例2之阻燃優點，而且亦能另外提供磷系阻燃劑之 阻燃作用，同時也相對減少磷系阻燃劑所造成之耐候性差及易吸濕等缺點。
本發明之阻燃塗料亦可另外添加至少一種之金屬粉或金屬網，如此可增加散熱性，避免熱能集中於阻燃基材單點之功效；更進一步地，甚至可進而避免熱量集中而燒穿阻燃基材之情形。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (13)

  1. 一種阻燃塗料，其包含：(a)一種水性聚氨酯樹脂；(b)一種具有數個異氰酸基之異氰酸酯類化合物，其具有下述代表式(I)：，其中R係選自H或C1 -C12 的直鏈或支鏈之烷基或烯基；以及(c)至少一種金屬氫氧化物，其中該金屬氫氧化物之微粒係經表面改質而具有數個胺基；其中該異氰酸酯類化合物之該些異氰酸基分別與該水性聚氨酯樹脂及該金屬氫氧化物產生鍵結，該異氰酸酯類化合物係以該異氰酸基鍵結在該水性聚氨酯樹脂上，且該胺基鍵結在該異氰酸酯類化合物之其中至少一個該異氰酸基上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之阻燃塗料，其中該水性聚氨酯樹脂、該異氰酸酯類化合物及該金屬氫氧化物之固體重量比例為50：0.1~1：20~80。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之阻燃塗料，更包括一種磷系阻燃劑。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之阻燃塗料，更包括一種膨脹石墨。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之阻燃塗料，其中該水性聚氨酯樹脂具有數個磺酸基或羧基之親水基。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之阻燃塗料，其中該異氰酸酯類化合物係為經親水性改質之基于六亞甲基二異氰酸酯之寡聚合物。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之阻燃塗料，其中該金屬氫氧化物係為氫氧化鋁或氫氧化鎂。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之阻燃塗料，其中該金屬氫氧化物之平均粒徑介於1至15微米之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之阻燃塗料，更包括一種金屬粉或金屬網。
  10. 一種阻燃基材，其包含：一薄材；以及一種如申請專利範圍第1項所述之阻燃塗料，其塗佈在該薄材上。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之阻燃基材，其中該薄材係選自布料、紙類或塑料薄板。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之阻燃基材，其中該布料係為棉布或聚對苯二甲酸乙二酯布。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之阻燃基材，其中該塑料薄板係為聚丙烯薄板。
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