本发明涉及涂料制备技术领域，具体涉及一种高强度阻燃水性聚氨酯涂料的制备方法。
背景技术：
聚氨酯涂料是指涂膜中含有相当氨酯键的涂料。聚氨酯涂料具有弹性好，可低温固化、潮气固化，可多季节施工，低温、高湿施工性能特点。被广泛应用于木器涂料、汽车修补涂料、防腐涂料、建筑涂料、地坪漆、电子涂料、特种涂料、防水涂料等领域。
水性聚氨酯涂料是以水分散性聚氨酯树脂为基料，在施工应用过程中以水作分散剂的一种水性涂料。水性聚氨酯涂料具有漆膜物理机械性能好、耐腐蚀性良好、可以在室温乃至低温下固化等优点，通过原料的选用、组分的配合以及助剂的应用，制造出用于不同领域的性能、特点各异的涂料。与传统的溶剂型涂料相比，水性聚氨酯涂料的最大优点是大大降低了挥发性有机溶剂的用量或基本上消除了溶剂的存在，而符合环保要求。因此，具有广阔的应用前景。
但是，水性聚氨酯涂料还存在一些缺陷，由于水性聚氨酯涂料的分子链上引入了亲水基团，所吸收的水与聚氨酯中的极性基团起作用，形成了氢键，减弱了聚氨酯分子之间的氢键的作用，使涂料的机械强度降低。因此，在实际应用中有着很大的局限性。另外，水性聚氨酯涂料在高温环境下，由于其涂膜的温度在>150℃环境下长期烘烤容易发生黄变现象，限制了其在高温环境中的应用。
因此，研制出一种能够解决上述性能问题的水性聚氨酯涂料非常有必要。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题：针对目前普通水性聚氨酯涂料存在强度较低、阻燃性较差以及疏水效果不好的缺陷，提供了一种高强度阻燃水性聚氨酯涂料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是：
一种高强度阻燃水性聚氨酯涂料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）将亚麻油、二乙醇胺和乙醇钠混合置于装有回流冷凝器、搅拌器和温度计的四口反应瓶中，在氮气保护条件下搅拌反应，得到氨解产物；
（2）称取20～30g石英砂研磨后过100目筛，收集过筛粉末，将过筛粉末和硅烷偶联剂kh-550混合搅拌，得到混合物，将混合物放入带有混合物质量7％的蔗糖和混合物质量0.7％的沼液的发酵罐中，密封发酵，发酵结束后，取出发酵产物，即为改性石英砂粉末；
（3）将聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺混合置于烧杯中搅拌，得到混合物a，再向烧杯中加入混合物a质量1～2倍的去离子水，继续混合搅拌，得到自制悬浮液；
（4）称取0.1～0.2kg叶腊石放入高温熔炉中熔融，熔制得到熔融液，排除气泡后，运送到多孔漏板中拉丝，得到自制玻璃纤维，将自制玻璃纤维和硅烷偶联剂kh-560混合放入烧杯中搅拌，搅拌后保温静置，自然冷却至室温，出料，得到改性自制玻璃纤维；
（5）按重量份数计，分别称取20～30份水性聚氨酯树脂、16～20份改性自制玻璃纤维、12～16份改性石英砂粉末和30～40份去离子水混合置于搅拌机中搅拌，再添加8～10份氨解产物、4～6份自制悬浮液、3～5份三乙胺、1～3份碳酸氢钠和2～4份松香，继续混合搅拌，自然冷却至室温，出料，即可制得高强度阻燃水性聚氨酯涂料。
步骤（1）所述的亚麻油、二乙醇胺和乙醇钠的质量比为2：2：1，搅拌反应温度为100～120℃，搅拌反应时间为1～2h。
步骤（2）所述的研磨时间为6～8min过筛粉末和硅烷偶联剂kh-550的质量比为1：2，搅拌时间为16～20min，发酵温度为35～45℃，发酵时间为7～9天。
步骤（3）所述的聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺的质量比为2：1：3，搅拌时间为10～12min，继续搅拌时间为16～20min。
步骤（4）所述的熔融温度为1400～1600℃，熔融时间为12～16min，拉丝转速为1800～2100r/min，自制玻璃纤维和硅烷偶联剂kh-560的质量比为1：3，搅拌温度为60～80℃，搅拌时间为16～20min，静置时间为1～2h。
步骤（5）所述的搅拌温度为55～75℃，搅拌时间为20～30min，继续搅拌温度为75～95℃，继续搅拌时间为1～3h。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明以水性聚氨酯树脂为基体，改性石英砂作为主要补强剂，改性玻璃纤维、自制悬浮液和氨解亚麻油等物质作为辅助剂，制备得到高强度以及具有一定阻燃性和疏水性的水性聚氨酯涂料，首先利用硅烷偶联剂对石英砂进行改性，将其与蔗糖、沼液共同发酵，利用沼液中微生物将蔗糖分解产生具有粘性的大分子糖类，并在微生物的自交联作用下使得大分子糖类接枝到石英砂表面，使石英砂具有粘性，增强石英砂与其它填料的粘结性，其中石英砂含有丰富的二氧化硅，由于二氧化硅中存在si-o-si键，使水性聚氨酯的表面富集硅氧链，有利于水性聚氨酯涂料的硬度得到提高，同时由于si-o-si键存在疏水性强、表面能低等特点，在一定程度上降低了水性聚氨酯涂料的表面能，致使涂料吸水率降低，另外二氧化硅还具有一定的阻燃性，当涂层接触火焰时，水性聚氨酯树脂中二氧化硅失水分解形成硅氧硅网络结构，此结构起到了主要阻燃作用，硅氧键具有较高的化学能，不易断裂，硅氧硅网络结构还具有较高的热稳定性能，能阻止火焰向涂料内部蔓延，从而具有一定的阻燃效果；
（2）本发明利用氨解法对亚麻油进行改性，改性后将其亲油性酯基引入到聚合物分子链中，使聚合物中的亲水基团转变成疏水基团，从而达到一定的疏水效果，再以酸源、碳源和气源来构成化学性和膨胀性阻燃体系，在温度升高时，酸源分解出脱水剂，脱水剂脱水并交联成炭，且发泡剂会释放出很多气体，促进膨胀炭化层的形成，炭化层的厚度越大，使聚合物与炭化层的表面温度越高，其表面温度略低于火焰温度，可以抑制聚合物继续降解，同时分离了大气中氧气的参与，从而达到很好的阻燃效果，继续利用硅烷偶联剂对玻璃纤维进行改性，使玻璃纤维有效地在聚合物表面形成了坚韧的网络结构，进一步提高水性聚氨酯涂料的强度，具有广泛的应用前景。
具体实施方式
将亚麻油、二乙醇胺和乙醇钠按质量比为2：2：1混合，置于装有回流冷凝器、搅拌器和温度计的四口反应瓶中，在温度为100～120℃、氮气保护条件下搅拌反应1～2h，得到氨解产物；称取20～30g石英砂研磨6～8min后过100目筛，收集过筛粉末，将过筛粉末和硅烷偶联剂kh-550按质量比为1：2混合搅拌16～20min，得到混合物，将混合物放入带有混合物质量7％的蔗糖和混合物质量0.7％的沼液的发酵罐中，在温度为35～45℃下密封发酵7～9天，发酵结束后，取出发酵产物，即为改性石英砂粉末；按质量比为2：1：3将聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺混合置于烧杯中搅拌10～12min，得到混合物a，再向烧杯中加入混合物a质量1～2倍的去离子水，继续混合搅拌16～20min，得到自制悬浮液；称取0.1～0.2kg叶腊石放入高温熔炉中，在温度为1400～1600℃下熔融12～16min，熔制得到熔融液，排除气泡后，运送到多孔漏板中，在转速为1800～2100r/min下拉丝，得到自制玻璃纤维，按质量比为1：3将自制玻璃纤维和硅烷偶联剂kh-560混合放入烧杯中，在温度为60～80℃下搅拌16～20min，搅拌后保温静置1～2h，自然冷却至室温，出料，得到改性自制玻璃纤维；按重量份数计，分别称取20～30份水性聚氨酯树脂、16～20份改性自制玻璃纤维、12～16份改性石英砂粉末和30～40份去离子水混合置于搅拌机中，在温度为55～75℃下搅拌20～30min，再添加8～10份氨解产物、4～6份自制悬浮液、3～5份三乙胺、1～3份碳酸氢钠和2～4份松香，在温度为75～95℃下继续混合搅拌1～3h，自然冷却至室温，出料，即可制得高强度阻燃水性聚氨酯涂料。
实例1
将亚麻油、二乙醇胺和乙醇钠按质量比为2：2：1混合，置于装有回流冷凝器、搅拌器和温度计的四口反应瓶中，在温度为100℃、氮气保护条件下搅拌反应1h，得到氨解产物；称取20g石英砂研磨6min后过100目筛，收集过筛粉末，将过筛粉末和硅烷偶联剂kh-550按质量比为1：2混合搅拌16min，得到混合物，将混合物放入带有混合物质量7％的蔗糖和混合物质量0.7％的沼液的发酵罐中，在温度为35℃下密封发酵7天，发酵结束后，取出发酵产物，即为改性石英砂粉末；按质量比为2：1：3将聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺混合置于烧杯中搅拌10min，得到混合物a，再向烧杯中加入混合物a质量1倍的去离子水，继续混合搅拌16min，得到自制悬浮液；称取0.1kg叶腊石放入高温熔炉中，在温度为1400℃下熔融12min，熔制得到熔融液，排除气泡后，运送到多孔漏板中，在转速为1800r/min下拉丝，得到自制玻璃纤维，按质量比为1：3将自制玻璃纤维和硅烷偶联剂kh-560混合放入烧杯中，在温度为60℃下搅拌16min，搅拌后保温静置1h，自然冷却至室温，出料，得到改性自制玻璃纤维；按重量份数计，分别称取20份水性聚氨酯树脂、16份改性自制玻璃纤维、12份改性石英砂粉末和30份去离子水混合置于搅拌机中，在温度为55℃下搅拌20min，再添加8份氨解产物、4份自制悬浮液、3份三乙胺、1份碳酸氢钠和2份松香，在温度为75℃下继续混合搅拌1h，自然冷却至室温，出料，即可制得高强度阻燃水性聚氨酯涂料。
实例2
将亚麻油、二乙醇胺和乙醇钠按质量比为2：2：1混合，置于装有回流冷凝器、搅拌器和温度计的四口反应瓶中，在温度为110℃、氮气保护条件下搅拌反应1.5h，得到氨解产物；称取25g石英砂研磨7min后过100目筛，收集过筛粉末，将过筛粉末和硅烷偶联剂kh-550按质量比为1：2混合搅拌18min，得到混合物，将混合物放入带有混合物质量7％的蔗糖和混合物质量0.7％的沼液的发酵罐中，在温度为40℃下密封发酵8天，发酵结束后，取出发酵产物，即为改性石英砂粉末；按质量比为2：1：3将聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺混合置于烧杯中搅拌11min，得到混合物a，再向烧杯中加入混合物a质量1倍的去离子水，继续混合搅拌18min，得到自制悬浮液；称取0.15kg叶腊石放入高温熔炉中，在温度为1500℃下熔融14min，熔制得到熔融液，排除气泡后，运送到多孔漏板中，在转速为1950r/min下拉丝，得到自制玻璃纤维，按质量比为1：3将自制玻璃纤维和硅烷偶联剂kh-560混合放入烧杯中，在温度为70℃下搅拌18min，搅拌后保温静置1.5h，自然冷却至室温，出料，得到改性自制玻璃纤维；按重量份数计，分别称取25份水性聚氨酯树脂、18份改性自制玻璃纤维、14份改性石英砂粉末和35份去离子水混合置于搅拌机中，在温度为65℃下搅拌25min，再添加9份氨解产物、5份自制悬浮液、4份三乙胺、2份碳酸氢钠和3份松香，在温度为85℃下继续混合搅拌2h，自然冷却至室温，出料，即可制得高强度阻燃水性聚氨酯涂料。
实例3
将亚麻油、二乙醇胺和乙醇钠按质量比为2：2：1混合，置于装有回流冷凝器、搅拌器和温度计的四口反应瓶中，在温度为120℃、氮气保护条件下搅拌反应2h，得到氨解产物；称取30g石英砂研磨8min后过100目筛，收集过筛粉末，将过筛粉末和硅烷偶联剂kh-550按质量比为1：2混合搅拌20min，得到混合物，将混合物放入带有混合物质量7％的蔗糖和混合物质量0.7％的沼液的发酵罐中，在温度为45℃下密封发酵9天，发酵结束后，取出发酵产物，即为改性石英砂粉末；按质量比为2：1：3将聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺混合置于烧杯中搅拌12min，得到混合物a，再向烧杯中加入混合物a质量2倍的去离子水，继续混合搅拌20min，得到自制悬浮液；称取0.2kg叶腊石放入高温熔炉中，在温度为1600℃下熔融16min，熔制得到熔融液，排除气泡后，运送到多孔漏板中，在转速为2100r/min下拉丝，得到自制玻璃纤维，按质量比为1：3将自制玻璃纤维和硅烷偶联剂kh-560混合放入烧杯中，在温度为80℃下搅拌20min，搅拌后保温静置2h，自然冷却至室温，出料，得到改性自制玻璃纤维；按重量份数计，分别称取30份水性聚氨酯树脂、20份改性自制玻璃纤维、16份改性石英砂粉末和40份去离子水混合置于搅拌机中，在温度为75℃下搅拌30min，再添加10份氨解产物、6份自制悬浮液、5份三乙胺、3份碳酸氢钠和4份松香，在温度为95℃下继续混合搅拌3h，自然冷却至室温，出料，即可制得高强度阻燃水性聚氨酯涂料。
对比例
以上海市某公司生产的水性聚氨酯涂料作为对比例
对本发明制得的高强度阻燃水性聚氨酯涂料和对比例中的水性聚氨酯涂料进行检测，检测结果如表1所示：
1、测试方法
按照标准gb/t5210-2006测试材料附着力，0级是最好，1级次之。
按照标准iso523-2003测得材料拉伸性能。
疏水性：采用接触角测试仪进行测试。
表1
由表1数据可知，本发明制得的高强度阻燃水性聚氨酯涂料，力学性能好、阻燃性强且疏水效果好，明显优于对比例产品。因此，具有广阔的使用前景。