环保水性无机阻燃涂料的制作方法

本发明属于涂料技术领域，涉及一种阻燃涂料，具体涉及一种环保水性无机阻燃涂料。

背景技术：

火，给人类带来文明进步、光明和温暖，但是失去控制的火，就会给人类造成难以估计的灾难。火灾是各种自然与社会灾害中发生概率最高的一种灾害，给人类的生活乃至生命安全构成了严重威胁。当前，大量可燃易燃的材料与我们的生产和生活息息相关，这就加大了火灾的潜在风险，使用难燃材料或将已有的可燃材料转化成难燃或不燃材料是行之有效的。迄今常用的防火方法有三种：1）低成本的快速混合技术，也就是将阻燃剂通过机械熔融共混于聚合物基体中。然而，这需要添加大量的阻燃剂才能达到理想的阻燃效果，这将对材料的强度和弹性模量造成非常大的影响；2）通过化学改性将含有阻燃作用的官能团直接或间接修饰到材料链段上，以降低材料的易燃性，这种通过化学接枝方法将阻燃基团或阻燃剂与聚合物融为一体形成的材料，通常具有更高的阻燃效率和更长的耐久性，但这种化学接枝方法会改变大部分聚合物的形态和物理性质，如熔点、密度和玻璃转化温度等，会对某些材料的工业化生产造成困扰；3）最方便、经济、有效的表面处理方法，即使用阻燃防火涂料，这已成为一种很重要的阻燃手段。

国内外阻燃涂料的主要成膜物和粘结剂为水性有机树脂（水性聚氨酯、水性丙烯酸酯、水性环氧树脂等），再添加大量卤素或磷、氮、硼系或无机阻燃剂制成，其阻燃效率低，并且在燃烧过程中会放出大量烟雾。除此之外，还有以无机硅酸盐等无机胶黏剂为粘结剂，再加入大量金属氧化物制成的阻燃涂料，该类涂料各种理化能性能稳定，耐热性以及阻燃效率好，但其严重影响被阻燃对象的表观。因此，研制一种透明“绿色”的无机阻燃涂料是具有重大的现实意义和应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种阻燃性能好、不含对环境有害的卤素及挥发性有机化合物（VOC）的环保水性无机阻燃涂料。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种环保水性无机阻燃涂料，这样制得：

1）按重量份，分别取无机胶黏剂20～50份、水性无机阻燃剂2～15份、无机填料2～10份、增稠剂3～10份、防水剂5～10份、乳化剂0.5～2份和水40～50份；

将所取的水按重量分为两份：第一份水的重量为所取水重量的60～80%，第二份水的重量为所取水重量的20～40%。

将无机胶黏剂、水性无机阻燃剂、无机填料和第一份水加入高压反应釜中，在90～120℃的温度下、以800～2000rpm的转速搅拌0.3～3h，冷却至室温，配成A液；

将增稠剂、防水剂、乳化剂和第二份水混合，以600～1000rpm的转速搅拌2～5h，配成B液；

无机胶黏剂为磷酸二氢铝水溶液，其中固体的质量分数为37～43%。

水性无机阻燃剂采用镁铝水滑石（其Mg、Al的化学摩尔比1︰1～4）、氢氧化镁、氧化镁中的一种或几种。

无机填料采用直径为1000～5000目的玻璃纤维、陶瓷纤维、硼纤维、碳纤维中的一种或几种。

增稠剂采用聚乙烯吡络烷酮、正硅酸乙酯或海藻酸钠中的一种或几种。

防水剂采用甲基硅油、乙基硅油中的一种或两种。

乳化剂采用硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂中的一种或两种。

步骤2：在搅拌的条件下，将B液缓慢加入A液中，在50～70℃的温度下，以800～2000rpm的转速搅拌12～48h，冷却至室温，制得环保水性无机阻燃涂料；

或者，在搅拌的条件下，将B液缓慢加入A液中，然后，加入砂磨机中充分研磨10～12h，制得环保水性无机阻燃涂料。

本发明无机阻燃涂料以水作为分散介质，杜绝了有机溶剂带来的高污染问题，同时以无机盐溶液作为胶黏剂，无机阻燃剂作为固化剂和协同阻燃剂，再通过其它助剂共同作用，形成具有阻燃、环保、透明等多项高效涂料。

本发明无机阻燃涂料的制备过程中通过无机阻燃剂中镁铝金属元素与无机胶黏剂反应，形成磷酸镁铝化合物，进而降低其在混合液中的酸性，同时克服了无机胶黏剂在常温下无法固化的问题。在涂料受热后，磷酸镁铝化合物开始分解出磷酸催化基材脱水炭化，形成黑色的炭层，其次磷酸镁铝分解出来的镁铝元素结合空气中的氧气，形式致密的陶瓷结构（氧化镁和氧化铝化物）附着在基材表面，起到隔离火焰的作用，还能降低燃烧处的氧气浓度；与此同时，阻燃剂层间水和其高温下脱水以及木材脱水都会吸热，以水蒸气的形式放出，这就使得炭层和陶瓷层发生膨胀，进一步加大基材与火焰的距离，起到防火效果。除此之外，水蒸气的释放，进一步降低燃烧处的温度，也稀释了该处的氧气浓度，这对阻燃也是一个非常重要的因素。

无机填料因其较大的长径比，能够起到连接涂层的作用，从而增强涂层的强度，也为涂层的隔热起到一定的作用。

本发明无机阻燃涂料以水为溶剂、磷酸二氢铝为胶黏剂和阻燃剂、镁铝水滑石为阻燃剂制备而成，涂料体系中无VOC排放，阻燃体系不含对人体和环境有害的卤素，是名副其实的“绿色”阻燃涂料。具有透明性好、阻燃效率高、综合性能佳的优势，同时生产该涂料的原料价格便宜、工艺简单，适合大规模的工业化生产。本发明环保水性无机阻燃涂料具有更好的阻燃性能，并且避免了卤系阻燃剂对环境有害的缺点。

附图说明

图1是1号样条的垂直燃烧测试结果图。

图2是2号样条的垂直燃烧测试结果图。

图3是3号样条的垂直燃烧测试结果图。

图4是4号样条的极限氧指数测试结果图。

图5是5号样条的极限氧指数测试结果图。

图6是6号样条的极限氧指数测试结果图。

图7是实施例1制得的阻燃涂料涂覆于基材上的透明性说明图。

图8是实施例2制得的阻燃涂料涂覆于基材上的透明性说明图。

图9是实施例3制得的阻燃涂料涂覆于基材上的透明性说明图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

取固体的质量分数为37%的磷酸二氢铝水溶液20g、镁铝水滑石2g、直径为1000～5000目的玻璃纤维2g和水24g，加入到容器中，升温至90℃，在1400rpm的转速下搅拌1.7h，冷却至室温，配成A液；取聚乙烯吡络烷酮3g、甲基硅油5g、钛酸酯偶联剂0.5g和水16g，加入到容器中，常温下，在600rpm的转速下搅拌5h，配成B液；在搅拌的条件下，将B液缓慢加入A液中，在50℃的温度下，以2000rpm转速搅拌12h，制得环保水性无机阻燃涂料。

实施例2

取固体的质量分数为37%的磷酸二氢铝水溶液35g、镁铝水滑石8.5g、直径为1000～5000目的陶瓷纤维6g和水40g，加入到容器中，升温至105℃，在2000rpm的转速下搅拌0.3h，冷却至室温，配成A液；取6.5g正硅酸乙酯、7g乙基硅油、1.25g硅烷KH-550和10g水，加入到容器中，常温下，在800rpm的转速下搅拌3.5h，配成B液；在搅拌的条件下，将B液缓慢加入A液中，在70℃的温度下，以800rpm转速搅拌48h，制得环保水性无机阻燃涂料。

实施例3

取固体的质量分数为37%的磷酸二氢铝水溶液50g、氧化镁4g、镁铝水滑石11g、硼纤维10g和水32g加入到容器中，升温到120℃，在800rpm的转速下搅拌3h，冷却至室温，配成A液；取海藻酸钠10g、10g甲基硅油、1g硅烷偶联剂KH-560、1g钛酸酯偶联剂和8g水，加入到容器中，常温下，在1000rpm的转速下搅拌2h，配成B液；在搅拌的条件下，将B液缓慢加入A液中，在室温下，以1400rpm转速搅拌30h，制得环保水性无机阻燃涂料。

实施例4

取固体的质量分数为37%的磷酸二氢铝水溶液45g、氧化镁1g、氢氧化镁1g、镁铝水滑石3g、碳纤维2g和水35g，加入到容器中，升温到90℃，在1100rpm的转速下搅拌3h，冷却到60℃，低速搅拌5h，配成A液；取6g海藻酸钠、10g水性硅烷有机硅防水剂、1g硅烷偶联剂KH-550和15g水，加入到容器中，常温下，在800rpm的转速下搅拌2h，配成B液；在搅拌的条件下，将B液缓慢加入A液中，将混合液加入卧式砂磨机中充分研磨10h，制得环保水性无机阻燃涂料。

对实施例1、实施例2和实例3制得的环保水性无机阻燃涂料进行性能检测，检测结果见表1。

表1 实施例1、2和3制得的无机阻燃涂料的性能检测

燃烧测试所选用的木材尺寸分别参考国家垂直燃烧标准《GB/T2408-2008》和美国极限氧指数标准《ASTM D2863》，通过对照可以看到，通过阻燃处理的木材表面光滑透明，垂直燃烧测试结果均达到V-0等级，极限氧指数结果皆＞50。

将实施例1制得的阻燃涂料涂覆在一根木条表面，形成1号样条；将实施例2制得的阻燃涂料涂覆在另一根木条上，形成2号样条；将实施例3制得的阻燃涂料涂覆在一根木条表面，形成3号样条。这三根木条的尺寸相差不大。进行垂直燃烧测试，这三根样条的余焰时间几乎为零，烧后样条的燃烧结果如图1、图2图3所示，从图中也可以明显看到，图1和图2显示测试过的样条存在明显的膨胀现象，其膨胀比大约为500%，形成的膨胀层能够很好地对木材进行阻燃，且其通过了UL94防火等级的最高级V-0级。而图3中的样条耐热性更好，在测试过垂直燃烧之后，样条基本没有较大受损，同样通过了V-0等级。而这一结果的原因在于，加入的氧化镁使得磷酸镁铝中镁的含量更高，其理化性能偏向于磷酸镁，因而具有更好的热稳定性。

将实施例1制得的阻燃涂料涂覆于第四根木条的表面，形成4号样条；将实施例2制得的阻燃涂料涂覆于第五根木条表面，形成5号样条；将实施例3制得的阻燃涂料涂覆于第六根木条的表面，形成6号样条；对4号样条，5号样条和6号样条进行极限氧指数测试。该极限氧指数测试是通过调节测试环境中的氧气、氮气浓度，来评定支撑样品燃烧时氧气的体积分数。一般认为极限氧指数＜22属于易燃材料，极限氧指数在22～27之间属可燃材料，极限氧指数＞27属难燃材料，在氧气体积浓度为50%的环境下，对4号样条、5号和6号样条分别进行了5次灼烧，均未点燃。得到图4、图5和图6所示的极限氧指数测试结果图，故测得实施例1和实施例2实施例3制得的阻燃涂料的极限氧指数数值均大于50，这也是归功于磷酸镁铝催化成炭、阻燃剂LDH的物理屏障和释放水蒸气形成膨胀层的阻燃作用。

取三块木板，第一块模板上写上汉字“实例一”，第二块木板上写上汉字“实例二”，第三块木板上写上汉字“实例三”，然后，在第一块木板上涂覆实施例1制得的阻燃涂料，该阻燃涂料覆盖所写的所有字。在第二块木板上涂覆实施例2制得的阻燃涂料，阻燃涂料覆盖所写的所有字。在第三块木板上涂覆实施例3制得阻燃涂料，该阻燃涂料覆盖所写的所有字。干燥后得到图7、图8和图9所示的效果图，从图中可以明显看到，将本发明环保水性无机阻燃涂料涂覆到木板表面，干燥后木板上的字样依然清晰，基本上不会影响基材表面图纹的美观性。说明该阻燃涂料不仅具有很好的阻燃效果，而且还具有较好的透明性，进而更加拓宽了涂料的应用范围。