专利名称：一种用于涂料阻燃的高效环保阻燃剂及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种可用于涂料阻燃的新型环保型阻燃剂，具体是以茶皂素作为气源代替传统膨胀型阻燃剂中的三聚氰胺，与酸源和炭源复配制备的新型的可用于阻燃涂料的环保型阻燃剂，可获得具有良好阻燃效果和环境友好的阻燃涂料。
背景技术：
阻燃涂料是现代工程中应用最广、适用性最强、施工最为方便的建筑材料，在保障建筑物安全方面发挥了巨大的作用。随着人们生活品味的提高，人们对木质结构、钢结构等建筑材料更加青睐。而阻燃涂料对上述材料一方面具有涂饰美观作用，另一方面当发生火灾或受高温作用时，阻燃涂料对木材、钢结构具有良好的保护作用，是良好的阻燃隔热建筑材料。此外，随着全球环境保护意识的增强、对涂料使用的安全要求呼声日益高涨，发达国家已经开始开发有利于环境保护、高效低毒的新型阻燃涂料。同时，为适应整个涂料行业向“五E”方向迈进的新环境，即提高涂膜质量(Excellence of finish)、方便施工 (Easy of application)、节省资源(E—conomics)、节省能源(Energy saving)禾口适应环境 (Ecology)，阻燃涂料发展越来越重视提高阻燃涂料的环境适应性、改善涂料的阻燃性能， 使阻燃涂料达到高效低毒。膨胀型阻燃涂料是以高分子聚合物为基料，并添加发泡剂、脱水成炭催化剂、炭化剂等阻燃组分。其涂层在高温受热情况下，表面涂层会熔融、起泡、隆起，形成致密的炭质泡沫隔热层，并释放出不燃性气体。膨胀涂料膨胀发泡过程是一个体积膨胀、吸热的过程，消耗大量的热，有利于降低体系温度，故其阻燃隔热效果显著。而传统阻燃涂料在高温受热时形成釉状保护层，但生成的釉状保护层导热率往往较大，隔热效果差，为了达到一定的阻燃效果，往往需要较厚的涂层，因而单位面积用量大，使用成本高，装饰效果差。而且膨胀型阻燃涂料涂层一般较薄，有利于满足装饰要求。因此，从阻燃效果、装饰效果及经济成本角度考虑，膨胀型阻燃涂料应用的更为广泛，其阻燃效果更好，是当令阻燃涂料的发展趋势。目前膨胀型阻燃涂料中P-C-N系产品在国内外应用最为广泛，但这种类型的膨胀型阻燃涂料，，主要存在耐水性、耐湿热性问题和阻燃等级较低等问题。此外阻燃涂料在燃烧过程中还可能产生剧毒氰化氢的危险。出于对环境保护和安全应用的考虑，阻燃材料的研究主要集中在提高阻燃效率、降低阻燃剂的毒性等方面。茶皂素是从油茶籽饼中提取的一种五环三萜类物质，作为油茶加工的副产物，易在自然环境条件下降解成无毒物质，对环境无污染。茶皂素具有较强的发泡作用，用作泡沫橡胶、泡沫灭火器的发泡剂，可用于加气混凝土生产和纤维板制造业，在膨胀型阻燃剂中可部分或完全代替传统发泡剂。《全国油茶产业发展规划O009-2020年)》中决定2020年我国油茶种植面积将达6631万亩。目前我国油茶面积约有4500万亩，油茶籽年产量100万吨左右，每年榨油后剩下的油茶饼粕约有50万吨，其中茶皂素量高达5-10万吨。许乾慰等(上海涂料，2008，46(1) :8_11)以聚磷酸铵(APP)、三聚氰胺(MEL)、双季戊四醇(DPER)为阻燃体系，自交联硅丙乳液为基质树脂的膨胀型阻燃涂料为研究对象，研究偶氮二甲酰胺对阻燃涂料阻燃性能的影响，结果表明当偶氮二甲酰胺用量为1.5% 时，对阻燃涂料的发泡效果最好；霍海凤等(涂料工业，2008，38 (3) 27-29)采用钼酸铵 (AM)、可膨胀石墨(EG)和AM/EG对三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)/三聚氰胺(MEL)/季戊四醇 (PER)超薄型阻燃涂料进行改性，制备改性涂料。结果表明AM/EG改性的阻燃涂料的残炭量以及耐火时间都得到了明显的提高。王清文等(CN 101117510A)发明了一种改性氨基树脂基膨胀型阻燃涂料，其发明的材料阻燃涂料与三层木制胶合板素板相比较，其耐点燃时间提高了 9倍，总热释放量降低了 42. 5%，热释放速率峰值也降低了 11.5% ；唐万雄等(CN 10121280142A)发明了一种环保型水性纳米阻燃涂料，分别采用含磷、氮有机物插层的层状硅酸盐纳米阻燃剂以及聚合物包含的纳米氢氧化镁阻燃剂作为涂料的阻燃体系，涂料具有极好的阻燃效果。
发明内容
本发明的目的是提供用于阻燃涂料的膨胀环保性阻燃剂，解决的问题是公开一种以茶皂素为气源的新型膨胀阻燃涂料及其制备方法，以克服传统三聚氰胺作为膨胀型阻燃涂料气源燃烧时可能产生剧毒氰化氢的危险。同时改善产品的涂饰和成膜性能。本发明用于膨胀型阻燃涂料的阻燃剂的组成是聚磷酸铵、季戊四醇、茶皂素的质量比为 10-40 10-20 1-5。根据发明，优选聚磷酸铵、季戊四醇、茶皂素的质量比为25-35 12-18 2_5。聚磷酸铵作为酸源、季戊四醇作为碳源、茶皂素作为气源。本发明中，茶皂素是油茶饼粕中提取的茶皂甙类混合物，茶皂素含量一般为60%， 有工业成品销售。茶皂素在新型膨胀阻燃涂料中的含量太高或太低都会影响协同阻燃效果，含量太低时，炭层膨胀效果不好；含量太高时，炭层质量不高，对热和火的阻隔效果能力下降。阻燃体系用量太少，涂料的阻燃性能达不到阻燃涂料应用领域的阻燃要求，阻燃体系用量太高，涂料的储存稳定性，涂饰涂膜性能将大幅下降；另一方面也影响阻燃涂料的阻燃效果。本发明采用上述涂料阻燃剂配方制备而成的新型膨胀阻燃涂料，其中膨胀阻燃剂占涂料固体含量的质量百分数为35-55%，优选40-41%。油漆在膨胀型阻燃涂料中的质量百分含量为40-60%，可选用醇酸清漆，例如C-101醇酸树脂清漆，为中油度醇酸树脂清漆。稳定剂采用工业上常用的硅烷偶联剂，偶联剂添加量为膨胀型阻燃涂料的1_3%， 优选1-2%。分散剂采用十六烷基三甲基氯化铵改性的有机膨润土。分散剂添加量为膨胀型阻燃涂料的1_3%，优选1.5-2.5%。所述新型膨胀阻燃涂料是这样制备的将茶皂素、聚磷酸铵、季戊四醇按上述比例混合后，经充分研磨达到超细粉体后按一定比例添加到醇酸清漆中，经充分搅拌混合均勻后，添加硅烷偶联剂与有机膨润土，在高速剪切搅拌器充分搅拌分散均勻获得成品。茶皂素与酸源和碳源复配，在受热情况下，具有良好的膨胀性能和成炭性能。将茶皂素替代目前膨胀性阻燃体系的气源三聚氰胺，不仅可以降低成本，而且在改善阻燃体系与醇酸树脂界面相容性，提高隔热阻燃方面具有显著的效果，特别是消除三聚氰胺受热时可能产生氰化氢的危险。本发明采用经济、可操作性强的方法，将磷氮阻燃剂与茶皂素复配制备新型阻燃体系用于膨胀型阻燃涂料。本发明所制备的用于新型膨胀阻燃涂料的阻燃体系，磷氮阻燃剂与茶皂素间具有良好的协同阻燃作用，与传统的三聚氰胺膨胀型阻燃剂相比，具有成本降低，阻燃效果好，涂饰涂膜性能好、高效环保等优点。
具体实施例方式下面具体结合实例对本发明提供的新型膨胀阻燃涂料及其制备方法进行详细说明。但本发明绝不局限于这些实施例。实施例1(对比例)将IOOg醇酸树脂，在机械搅拌下加入1. 5g硅烷偶联剂级2. Og有机改性膨润土， 在高剪切速率下混合均勻，即可得醇酸树脂涂料。实施例2 (三聚氰胺对比例)将聚磷酸铵42g、季戊四醇25g、三聚氰胺5g复配成新型阻燃剂，经研磨1-池，混合均勻，加入到IOOg醇酸清漆中，搅拌0. 5-lh，加入2. Ig硅烷偶联剂级2. 8g有机改性膨润土，在高剪切速率下混合均勻，即可得膨胀型阻燃涂料。实施例3将聚磷酸铵27g、季戊四醇12g、茶皂素9g复配成新型阻燃剂，经研磨l_2h，混合均勻，加入到IOOg醇酸清漆中，搅拌0. 5-lh，加入2. Ig硅烷偶联剂级2. 8g有机改性膨润土， 在高剪切速率下混合均勻，即可得新型膨胀阻燃涂料。实施例4将聚磷酸铵36g、季戊四醇观8、茶皂素8g复配成新型阻燃剂，经研磨1-池，混合均勻，加入到IOOg醇酸清漆中，搅拌0. 5-lh，加入2. Ig硅烷偶联剂级2. 8g有机改性膨润土， 在高剪切速率下混合均勻，即可得新型膨胀阻燃涂料。实施例5将聚磷酸铵32g、季戊四醇36g、茶皂素4g复配成新型阻燃剂，经研磨1-池，混合均勻，加入到IOOg醇酸清漆中，搅拌0. 5-lh，加入2. Ig硅烷偶联剂级2. 8g有机改性膨润土， 在高剪切速率下混合均勻，即可得新型膨胀阻燃涂料。实施例6将聚磷酸铵43g、季戊四醇25g、茶皂素4g复配成新型阻燃剂，经研磨1-池，混合均勻，加入到IOOg醇酸清漆中，搅拌0. 5-lh，加入2. Ig硅烷偶联剂级2. 8g有机改性膨润土， 在高剪切速率下混合均勻，即可得新型膨胀阻燃涂料。实施例7将聚磷酸铵35g、季戊四醇四8、茶皂素9g复配成新型阻燃剂，经研磨1-池，混合均勻，加入到IOOg醇酸清漆中，搅拌0. 5-lh，加入2. Ig硅烷偶联剂级2. 8g有机改性膨润土， 在高剪切速率下混合均勻，即可得新型膨胀阻燃涂料。实施例8将聚磷酸铵Mg、季戊四醇14g、茶皂素4g复配成新型阻燃剂，经研磨l_2h，混合均勻，加入到IOOg醇酸清漆中，搅拌0. 5-lh，加入2. Ig硅烷偶联剂级2. 8g有机改性膨润土，在高剪切速率下混合均勻，即可得新型膨胀阻燃涂料。实施例9将聚磷酸铵43g、季戊四醇20g、茶皂素9g复配成新型阻燃剂，经研磨1-池，混合均勻，加入到IOOg醇酸清漆中，搅拌0. 5-lh，加入2. Ig硅烷偶联剂级2. 8g有机改性膨润土， 在高剪切速率下混合均勻，即可得新型膨胀阻燃涂料。实施例10将聚磷酸铵40g、季戊四醇27g、茶皂素5g复配成新型阻燃剂，经研磨1-池，混合均勻，加入到IOOg醇酸清漆中，搅拌0. 5-lh，加入2. Ig硅烷偶联剂级2. 8g有机改性膨润土， 在高剪切速率下混合均勻，即可得新型膨胀阻燃涂料。实施例11对上述实施例所制备的一种醇酸树脂涂料和9种膨胀阻燃涂料进行阻燃性能测试(氧指数、烟密度、耐火时间)。氧指数测试按IS04589-1984进行，样条尺寸为130. OmmX6. 5mmX 3. 0mm。烟密度测试按ASTME662-95进行，样条尺寸 40. OmmX 40. OmmX 3. 0mm。耐火时间参照GB15442. 2-1995。饰面型防火涂料阻燃性能分级及试验方法一大板燃烧法，采用自己设计的垂直燃烧法作简易评价。具体过程如下将放置测试板用的铁圈固定在铁架台上，铁圈与酒精喷灯口的垂直距离为7cm，将测试板置铁圈上，然后开始计时至检测终点。在检测时，木板燃烧时背火面炭化，出现裂缝，定为耐燃时间 (min)。实施9和实施例1 (对照)按照GB/T 6739-1996测试漆膜硬度、按照GB/1731-93 测试漆膜柔韧性、按照GB/T 9286-1998测试漆膜附着力、按照GB/T 1732-93测试漆膜抗冲击性能。表1样品的阻燃和抑烟性能
权利要求
1.一种新型膨胀阻燃涂料的膨胀阻燃剂，其特征在于聚磷酸铵、季戊四醇、茶皂素按下列质量比例10-40 10-20 1-5组成。
2.根据权利要求1所述的膨胀阻燃剂，其特征在于聚磷酸铵、季戊四醇、茶皂素按下列质量比例25-35 12-18 2-5组成。
3.根据权利要求1或2所述的膨胀阻燃剂，其特征在于聚磷酸铵为高聚合度、水难溶的磷酸铵聚合物，聚合度为700-1500。
4.一种以醇酸树脂清漆为基础涂料的膨胀型阻燃涂料，其特征在于膨胀型阻燃涂料的质量百分组成为醇酸树脂清漆40-60%，权利要求1-3之一所述的膨胀型阻燃剂35-55%， 稳定剂1-3% ；分散剂1_3%。
5.根据权利要求4所述的膨胀型阻燃涂料，其特征在于稳定剂是硅烷偶联剂，质量分数为1_2%。
6.根据权利要求4所述的膨胀阻燃涂料，其特征在于分散剂是十六烷基三甲基氯化铵改性的有机膨润土，质量分数为1. 5-2. 5%。
7.根据权利要求4-6之一所述的膨胀型阻燃涂料，其特征在于膨胀阻燃剂的质量百分含量为40-41%。
全文摘要
本发明涉及一种环保型膨胀型阻燃涂料的阻燃剂及其制备方法。本发明用茶皂素作为气源与酸源和碳源按一定比例复配成新型阻燃剂，以醇酸树脂清漆为基料，添加偶联剂、分散剂等助剂复配成高效阻燃涂料。以涂料固含量重量百分比计，其重要组分为醇酸树脂清漆40-60％；聚磷酸铵25-35％；季戊四醇12-18％；茶皂素2-5％；硅烷偶联剂1-3％；有机膨润土1-3％。制备方法为将茶皂素、聚磷酸铵、季戊四醇按比例混合后，经充分研磨达到超细粉体，再按一定比例添加到醇酸树脂清漆中，经充分搅拌混合均匀后，添加硅烷偶联剂与有机膨润土在高速剪切搅拌器中充分搅拌分散均匀获得成品。本发明不含卤素阻燃剂，具有挥发性低，阻燃性能优良，涂饰涂膜性能好，高效环保等优点。
文档编号C09D5/00GK102277030SQ201110203879
公开日2011年12月14日 申请日期2011年7月20日 优先权日2011年7月20日
发明者吴志平, 李湘洲, 钱伟 申请人:中南林业科技大学, 李湘洲