本发明属于化工建材和消防安全技术领域，具体涉及一种化学改性硅灰基阻燃木材复合涂料及其制备方法。
背景技术：
当前水性建筑涂料的主要成膜材料为水性聚氨酯、水性丙烯酸和水性环氧树脂涂料等，其中水性聚氨酯涂料因其优良性能已被广泛应用，尤其是采用丙烯酸酯改性水性聚氨酯乳液制备价廉、安全、无毒、环保的新型涂料，因此水性阻燃涂料的制备和研究主要聚焦于有机成膜材料与木材表面的粘结性能，以及无机纳米粒子在有机成膜材料中的生长机理和阻燃效应。但对无机硅溶胶系涂料的研究较少，缺乏以无机硅质成膜材料为基料的阻燃木材涂料的制备及性能研究。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明提出一种新型的化学改性硅灰基阻燃木材复合涂料及其制备方法。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：
一种化学改性硅灰基阻燃木材复合涂料，以质量百分数计，包括以下原料：
原料的质量百分数之和为100％；
激发剂采用硅酸钠和氢氧化钾的混合物。
激发剂包括质量百分数12％～18％的硅酸钠和5％～7％的氢氧化钾。
所述活性炭为核桃壳活性炭，平均粒度50.82μm。
所述聚丙烯酰胺为阴离子型白色颗粒。
所述二氧化钛粒度为0.15μm～0.3μm，粒度分布宽度为0.1～0.2，油分散性为40μm～60μm。
所述复合涂的制备方法包括如下步骤：将配方量的激发剂溶入定量水中进行第一次搅拌后加入配方量的硅灰再次进行第二次搅拌，制得硅灰基溶胶；向硅灰基溶胶中依次加入配方量的活性炭、二氧化钛、聚丙烯酰胺后进行第三次搅拌，静置即得到复合涂料。
第一次搅拌条件为60℃～70℃、1000r/min～1500r/min搅拌30min。
配方量硅灰加入的时间持续15min～20min。
配方量的活性炭、二氧化钛、聚丙烯酰胺加入总时间持续15～20min。
第三次搅拌条件为1000r/min～1500r/min搅拌20min～30min。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1)本发明的创新性在于开辟了以硅灰、活性炭，二氧化钛，聚丙烯酰胺制备无机硅质溶胶，研发阻燃木材涂料的新途径。
2)本发明制备的复合涂料的热稳定性高，对木材的阻燃性能优异。
3)本发明制备过程原材料成本低廉、环保，能够规模利用工业固废硅灰制备阻燃木材涂料，且涂料在整个生命周期均无毒无害。
4)本发明的制备方法采用较低的加热温度，制备过程在室内常温常压条
件下进行即可，制备条件柔和。
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施方式
硅灰源于冶金工业固废，属富含活性硅的粉体，发明人研究发现，硅灰经激发剂的化学改性可形成具有-si-o-si-结构的硅溶胶，掺入助剂或经养护处理，可形成对木板粘附性较强的硅质膜层，理论上可产生阻燃效应，但实际其阻燃效果不佳。经发明人研究还发现，激发剂硅酸钠和氢氧化钾的加入对硅灰具有协同反应的效果，聚丙烯酰胺作为分散剂和协效改性剂，其有助于硅灰发展成结构更加致密的无定型硅质层，一定程度上能提高硅灰基涂料的阻燃性能，但是所制备硅灰基涂料的耐候性和阻燃性能效果仍需改善，因此，发明人长期探索，期望能有效改善硅灰基涂料的阻燃效果：在木结构有机涂料中掺入tio2等可延缓木材的热分解速率，提高涂料的热稳定性、抗氧化性能，形成结构更加密实、膨胀性能更高、导热性能更低的膨胀层，有效阻止火焰蔓延和提高其阻燃性能；另外，tio2可吸收易使有机物老化的紫外线，从而提高木材的抗老化性能，其抗菌性还可对木材防腐；在碱性环境下，tio2水解形成的ti(oh)4还可与硅溶胶中的≡si-o-si≡等发生一定的缩聚反应，形成结构更加致密的硅质无定形物质；活性炭粉末可提高硅灰基涂料的疏水性，富含微孔的结构特征还可提高涂料受热膨胀后所形成硅质层的密实度。理论上活性炭和二氧化钛可作为硅灰基涂料的改性剂以优化其阻燃性能和耐候性。
因此，本发明利用可提供无机铝硅酸盐成分的硅灰为原料，在化学改性剂硅酸钠和氢氧化钾的作用下，生成无机硅灰基溶胶，并辅以活性炭，二氧化钛，聚丙烯酰胺强化其在受热时形成硅质层的密实度和膨胀性，提高其阻燃性能；其中，硅灰的重量为原料重量的25～35％，九水硅酸钠为12-18wt％，氢氧化钾为5～7wt％，溶液中钠离子的量浓度cna+为2mol·l-1，钾离子的量浓度ck+为2mol·l-1。
本发明所述硅灰可在市面直接购买得到，其主要化学质量百分数组成为：sio2：86.18％，al2o3：2.49％，mgo：1.95％，fe2o3：1.85％，k2o：1.66％，cao：1.61％，na2o：1.18％，tio2：0.84％，so3：0.38％，其它：1.86％。
本发明活性炭为核桃壳活性炭，平均粒度50.82μm。
本发明聚丙烯酰胺为阴离子型白色颗粒。
实施例1：
本实施例提供一种化学改性硅灰基阻燃木材复合涂料，包括以下原料：
微细硅灰粉25wt％
九水硅酸钠12wt％
氢氧化钾5wt％
二氧化钛4wt％
聚丙烯酰胺1.5wt％
活性炭5wt％
水47.5wt％
其制备包括下列步骤：
准确称取硅灰，活性炭，聚丙烯酰胺和二氧化钛，将配方量的激发剂硅酸钠和氢氧化钾混合物溶入定量水中，然后将混合溶液置于60℃的磁力加热搅拌机中搅拌30min，搅拌速度1000r/min；然后将配方量的硅灰缓慢加入搅拌机中拌和，约15min加完，制得硅灰基溶胶；最后依次加入配方量的活性炭、聚丙烯酰胺和二氧化钛，约15min加完，以1500r/min的速度再搅拌20min，静置即为复合涂料成品。
将复合涂料涂覆在胶合板表面，然后检测其热释放性能，结果见表1。
实施例2：
本实施例提供一种化学改性硅灰基阻燃木材复合涂料，包括以下原料：
微细硅灰粉30wt％
九水硅酸钠15wt％
氢氧化钾6wt％
二氧化钛5wt％
聚丙烯酰胺1wt％
活性炭4wt％
水44wt％
制备步骤同实施例1，检测结果见表1。
实施例3：
本实施例提供一种化学改性硅灰基阻燃木材复合涂料，包括以下原料：
微细硅灰粉35wt％
九水硅酸钠18wt％
氢氧化钾7wt％
二氧化钛6wt％
聚丙烯酰胺0.5wt％
活性炭2wt％
水31.5wt％
制备步骤同实施例1，检测结果见表1。
表1为3个实施例涂料和未经表面涂覆本发明复合涂料样品(对比例)的实验结果，从中可见所制备涂料的阻燃性能优异，表现为材料热释放速率和总释热量减小、有焰燃烧时间缩短和引燃时间的延长。
表1实施例与对比例的热释放性能