本发明属于水性涂料的技术领域，提供了一种用于建筑家具涂层的水性聚氨酯阻燃涂料及制备方法。
背景技术：
随着室内装修木质材料用量的逐年增加，涂料作为木质材料装修及家具的重要原辅料，越来越受到欢迎。家具涂料能使木器竹器家具更美观亮丽，改善家具本身带有的粗糙手感，不仅起到保护养护木器竹器家具的作用，还能使整个家庭生活变得更加舒适。目前家具涂料大致主要为三类：pu漆、uv漆、水性漆。当下低碳环保理念盛行，家具产业与家具漆产业也不例，其中水性漆以优异的环保性能而广受关注。
另外，由于木质材料和有些涂料本身的可燃性和易燃性，必然存在火灾隐患。近年来，由于装饰材料的大量使用，这种火灾呈上升趋势。制备新型的不燃，难燃装饰材料，受到国家有关部门的高度重视。因此阻燃涂料成为研究的热点，目前在几乎所有家具使用的板材表面均涂覆有涂料，这些涂料在一定的条件下能形成薄膜而起保护，在具备装饰功能的同时，阻燃是最基本的要求。
在家具涂料中，水性聚氨酯涂料是以水性聚氨酯树酯为基料并以水位分散介质的一类涂料，具有良好的贮存稳定性、涂膜机械性能、耐水性、耐溶性及耐老化性能，在建筑家具中得到了广泛的应用。然而，水性聚氨酯涂料的阻燃效果较差。关于水性聚氨酯阻燃性能的改进，目前的技术主要是直接添加阻燃剂，虽然其能起到阻燃效果，但效果不理想，因此提高水性聚氨酯涂料的阻燃性的研究成为近年来的研究热点。
目前国内外在家具涂料技术，尤其是阻燃性水性聚氨酯涂料方面已取得了一定成效。其中袁中领发明了一种木制家具用阻燃水性涂料制备方法（中国发明专利申请号201711052328.8），包括如下步骤：将水性环氧丙烯酸酯树脂、水性聚氨酯改性环氧树脂、乳化剂、流平剂、消泡剂、水搅拌均匀得到预制料；向预制料中加入催化剂、水性固化剂、环氧大豆油、聚磷酸铵、膨胀石墨、氢氧化镁、重质碳酸钙、蛭石粉、沉淀硫酸钡、煅烧高岭土、防沉剂、分散剂搅拌均匀得到木制家具用阻燃水性涂料；该发明制备方法简单，所得水性涂料的涂层附着力强，漆膜丰满，不发黄发脆，不含有机溶剂，而且散热效果好，阻燃性能优异，综合性能优越，对木制家具具有很好的保护作用，长期使用后表面也不会起皮，发生火灾时也能有效地防火。另外，段宝荣等人发明了一种阻燃与抗菌性水性聚氨酯涂料的制备方法（中国发明专利申请号201410346698.2），在二月桂酸二丁基锡催化剂存在的条件下，将n,n′,n〃-三(2,3-二羟基-5-磺酸基苯甲酰)-1,5,10-三氮杂癸烷与异佛尔酮二异氰酸酯按重量比1:1.2~1:2.5混合，加入增效剂和氯前列烯醇钠，于50~70℃下反应2~3h，得到聚氨酯预聚体a；向预聚体a加入为预聚体a重量1.2~3.2％的扩链剂和预聚体a重量12~25％的溶剂，于65~85℃条件下反应1.5~3.5h，加入预聚体a重量为10~15%的三乙胺进行中和反应30~50min，加水和十二烷基磺酸钠进行乳化，得阻燃与抗菌性聚氨酯涂料
可见，现有技术中的直接添加阻燃剂的水性聚氨酯涂料，虽然其能起到阻燃效果，但是此类阻燃剂阻燃效果差、用量较大，与有机成分相容性差，需要添加多种化学助剂改善涂料的使用性能，大大降低了水性涂料的环保性，限制了其发展应用。
技术实现要素：
针对这种情况，我们提出一种用于建筑家具涂层的水性聚氨酯阻燃涂料及制备方法，可有效提高涂料的阻燃性能，并且形成的胶膜坚硬且粘接力强，耐水性、耐候性较好。
为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：
一种用于建筑家具涂层的水性聚氨酯阻燃涂料的制备方法，通过制备微孔内网络谷朊粉、三聚氰胺的二氧化硅气凝胶作为成碳阻燃剂，进一步与云母粉、高岭土粉、钛酸酯偶联剂、水性聚氨酯、增稠剂、消泡剂、抗菌剂及适量水混合均匀，制得水性聚氨酯阻燃涂料，制备的具体步骤如下：
（1）将谷朊粉微细化处理至粒径50~200μm，加入质量浓度为25~30%的硅酸钠胶液，然后加入质量浓度为12~15%的稀酸，通过水解形成二氧化硅水凝胶与谷朊粉的混合体；
（2）向步骤（1）制得的混合体中加入三聚氰胺，然后干燥，使谷朊粉、三聚氰胺网络在二氧化硅气凝胶的微孔内，制得成碳阻燃剂；
（3）将步骤（2）制得的成碳阻燃剂与云母粉、高岭土粉、钛酸酯偶联剂、水性聚氨酯、增稠剂、消泡剂、抗菌剂及适量水混合，并分散均匀，制得水性聚氨酯阻燃涂料。
优选的，所述成碳阻燃剂的制备过程中使用的原料的重量份为：谷朊粉5~15重量份、硅酸钠胶液50~72重量份、稀酸0.5~1重量份、三聚氰胺20~30重量份。
优选的，步骤（1）所述稀酸为稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸中的至少一种。
优选的，步骤（2）所述干燥的温度为60~80℃，时间为2~4h。
优选的，步骤（3）所述涂料中，成碳阻燃剂4~8重量份、云母粉4~8重量份、高岭土粉7~10重量份、钛酸酯偶联剂1~2重量份、水性聚氨酯48~68重量份、增稠剂2~4重量份、消泡剂1~2重量份、抗菌剂1~3重量份、水40~60重量份。
优选的，步骤（3）所述钛酸酯偶联剂为异丙基三（二辛基焦磷酸酰氧基）钛酸酯、异丙基三（二辛基磷酸酰氧基）钛酸酯、异丙基二油酸酰氧基（二辛基磷酸酰氧基）钛酸酯中的至少一种。
优选的，步骤（3）所述增稠剂为甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素中的至少一种。
优选的，步骤（3）所述消泡剂为聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚中的至少一种。
优选的，步骤（3）所述抗菌剂为酰基苯胺类抗菌剂、咪唑类抗菌剂、噻唑类抗菌剂、异噻唑酮衍生物抗菌剂、季铵盐类抗菌剂、双呱类抗菌剂中的至少一种。
通常的阻燃剂用于建筑材料时，阻燃效果不明显，为达到良好的阻燃效果需要添加大量的阻燃剂。本发明的创新点在于，将三聚氰胺与谷朊粉组合，使二者在二氧化硅气凝胶中发挥协同阻燃作用，可大大提高阻燃效果。三聚氰胺在遇火时分解起阻燃作用，而谷朊粉由于自身具有网络结构，在二氧化硅气凝胶辅助下形成泡沫状炭化层，从而可形成较厚的炭层，有效阻隔外部热源对基材的传导，达到高效阻燃的目的。
本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的用于建筑家具涂层的水性聚氨酯阻燃涂料。
该阻燃涂料的制备方法是将谷朊粉微细化处理，加入硅酸钠胶液，加入稀酸水解形成二氧化硅水凝胶、谷朊粉的混合体，然后加入三聚氰胺，干燥，使谷朊粉、三聚氰胺网络在二氧化硅气凝胶的微孔内，作为成碳阻燃剂；将得到的成炭阻燃剂剂与云母、高岭土、钛酸酯偶联剂、水性聚氨酯、增稠剂、消泡剂、抗菌剂、适量水分散均匀得到产品。
本发明提供了一种用于建筑家具涂层的水性聚氨酯阻燃涂料及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1.本发明制备的水性聚氨酯阻燃涂料，可广泛用于建筑装修木质材料、特别是家具涂层。
2.本发明的制备方法，在二氧化硅气凝胶形成的过程中，将谷元粉、三聚氰胺网络在气凝胶的网络中，通过三聚氰胺与谷朊粉组合，在遇火时分解，三聚氰胺阻燃，谷朊粉自身具有网络结构，在二氧化硅气凝胶辅助下形成泡沫状炭化层，从而形成了较厚的炭层，从而有效阻隔了外部热源对基材的传导，达到高效阻燃的目的。
3.本发明制备的涂料形成的胶膜坚硬且粘接力强，具有较好的耐水性、耐候性，应用前景好。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
将9kg谷朊粉微细化处理至平均粒径为110μm，加入质量浓度为61kg的27%的硅酸钠胶液，然后加入0.5kg质量浓度为13%的稀盐酸，通过水解形成二氧化硅水凝胶与谷朊粉的混合体，向混合体中加入26kg三聚氰胺，然后在温度为60℃下干燥3h，制得成碳阻燃剂；然后将5kg成碳阻燃剂与7kg云母粉、9kg高岭土粉、1kg异丙基三（二辛基焦磷酸酰氧基）钛酸酯、59kg水性聚氨酯、3kg甲基纤维素、1kg聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、2kg酰基苯胺类抗菌剂及40kg水混合，并分散均匀，制得水性聚氨酯阻燃涂料。
测试方法：
阻燃性测试：由5层马尾松单板组坯热压加工形成9mm胶合板作为试样，每层单板厚度2mm，产品尺寸规格为1220mm×2240mm×9mm，加工成若干150mm×150mm×9mm试件备用；采用美国阿特拉斯(atlas)公司生产的hrr3热释放率系统，配合国产hc22氧指数测定仪、xshf21防火涂料(小室法)先进阻燃检测设备，按照美国航空标准(faa)要求测试试样；按300g/m2(单面)的涂复比值将本发明制得的涂料均匀地涂复于试板表面及四周，放置在温度21℃、相度湿度为50%的恒温恒湿箱中处理24h后取出，平放试样，在试样上包裹厚0.025mm的铝箔至另一边，装入指定试样架，剪去露出的多余铝箔后备用；按照美国航空标准faafrom813023及美国国家标准e906283要求进行试验：压缩空气压力26.67kpa，压缩空气温度为21~24℃、压缩空气流量为0.04m3/s、热通量校准器内冷却水流量1l/min,辐射热通量3.5±5%w/cm2，甲烷气纯度99%、甲烷气瓶输出压力1.0～1.4kgf/cm2(15～20psi)、标准测试时间5min；测定材料的氧指数、着火时间、2min内总热释放量、热释放量峰值及热释放量峰值时间。
所得数据如表1所示。
实施例2
将5kg谷朊粉微细化处理至平均粒径为50μm，加入质量浓度为72kg的25%的硅酸钠胶液，然后加入0.5kg质量浓度为12%的稀硫酸，通过水解形成二氧化硅水凝胶与谷朊粉的混合体，向混合体中加入20kg三聚氰胺，然后在温度为65℃下干燥4h，制得成碳阻燃剂；然后将4kg成碳阻燃剂与4kg云母粉、7kg高岭土粉、1kg异丙基三（二辛基磷酸酰氧基）钛酸酯、68kg水性聚氨酯、2kg羟丙基甲基纤维素、1kg聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、1kg咪唑类抗菌剂及45kg水混合，并分散均匀，制得水性聚氨酯阻燃涂料。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例3
将15kg谷朊粉微细化处理至平均粒径为200μm，加入质量浓度为50kg的30%的硅酸钠胶液，然后加入0.5kg质量浓度为15%的稀硝酸，通过水解形成二氧化硅水凝胶与谷朊粉的混合体，向混合体中加入30kg三聚氰胺，然后在温度为70℃下干燥2h，制得成碳阻燃剂；然后将8kg成碳阻燃剂与8kg云母粉、10kg高岭土粉、2kg异丙基二油酸酰氧基（二辛基磷酸酰氧基）钛酸酯、48kg水性聚氨酯、4kg羧甲基纤维素钠、2kg聚氧丙烯甘油醚、3kg噻唑类抗菌剂及45kg水混合，并分散均匀，制得水性聚氨酯阻燃涂料。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例4
将7kg谷朊粉微细化处理至平均粒径为60μm，加入质量浓度为67kg的26%的硅酸钠胶液，然后加入0.6kg质量浓度为13%的稀盐酸，通过水解形成二氧化硅水凝胶与谷朊粉的混合体，向混合体中加入22kg三聚氰胺，然后在温度为70℃下干燥3.5h，制得成碳阻燃剂；然后将5kg成碳阻燃剂与5kg云母粉、8kg高岭土粉、1kg异丙基三（二辛基焦磷酸酰氧基）钛酸酯、62kg水性聚氨酯、3kg羟乙基纤维素、1kg聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚醚、2kg异噻唑酮衍生物抗菌剂及43kg水混合，并分散均匀，制得水性聚氨酯阻燃涂料。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例5
将12kg谷朊粉微细化处理至平均粒径为180μm，加入质量浓度为56kg的25~30%的硅酸钠胶液，然后加入4kg质量浓度为14%的稀硫酸，通过水解形成二氧化硅水凝胶与谷朊粉的混合体，向混合体中加入28kg三聚氰胺，然后在温度为140℃下干燥2.5h，制得成碳阻燃剂；然后将7kg成碳阻燃剂与7kg云母粉、9kg高岭土粉、2kg异丙基三（二辛基磷酸酰氧基）钛酸酯、54kg水性聚氨酯、3kg甲基纤维素、2kg聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、2kg季铵盐类抗菌剂及14kg水混合，并分散均匀，制得水性聚氨酯阻燃涂料。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例6
将10kg谷朊粉微细化处理至平均粒径为100μm，加入质量浓度为61kg的28%的硅酸钠胶液，然后加入0.8kg质量浓度为14%的稀硝酸，通过水解形成二氧化硅水凝胶与谷朊粉的混合体，向混合体中加入25kg三聚氰胺，然后在温度为75℃下干燥3h，制得成碳阻燃剂；然后将6kg成碳阻燃剂与6kg云母粉、8kg高岭土粉、2kg异丙基二油酸酰氧基（二辛基磷酸酰氧基）钛酸酯、58kg水性聚氨酯、3kg羟丙基甲基纤维素、1kg聚氧丙烯甘油醚、2kg双呱类抗菌剂及45kg水混合，并分散均匀，制得水性聚氨酯阻燃涂料。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
对比例1
成碳阻燃剂制备过程中，未添加谷朊粉，其他制备条件与实施例6一致。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
对比例2
成碳阻燃剂制备过程中，未添加三聚氰胺，其他制备条件与实施例6一致。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
表1：