一种透明的阻燃预警水性涂料及其制备方法和应用

本发明涉及水性阻燃预警涂料，具体涉及一种透明的阻燃预警水性涂料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、在当今文明现代化的社会，木质材料广泛应用于各种场所，在建筑、家具和包装等领域发挥着重要作用。然而，木质材料的易燃性使其远离火灾变得异常困难。一旦遇到热源，木质材料极易被点燃并迅速蔓延，极有可能造成严重的人员伤亡、财产损失和文明损失，特别是木质古建筑物发生火灾。近年来，众多类似的木质古建筑物因火灾损毁，使得人们越来越重视木质材料的防火保护。因此，研究开发一种遇到火灾或高温可以迅速报警，并且可以实现多次循环预警的透明阻燃涂层及其传感器有望解决消防安全领域的上述问题。

2、近年来，基于不同报警机制的各种火灾报警系统层出不穷(如电阻转换、热电转换、形状/相变和颜色变化)，但是这些报警系统大都存在一些缺陷。例如，感温红外探测器要求无障碍物遮挡，否则极容易出现误报警的情况，可靠性不强，限制其在消防安全领域的发展与应用；烟雾报警器的报警具有滞后性，只有在灾情扩大到一定程度出现较高浓度的气体挥发物才能触发报警，且无法应用于复杂的室外环境。

3、在众多火灾报警系统中，电阻转换型火灾报警材料因其应用场景广泛、报警响应灵敏等诸多优点引起了众多研究者的关注。其中，公开号为cn109021983a的专利说明书公开了一种利用硅烷偶联剂和抗坏血酸功能化氧化石墨烯，使其能在100～250℃还原，实现火灾预警，但该材料不具备多次循环预警的功能。此外，公开号为cn 111254737 a的专利说明书公开了一种多功能mxene涂层及其制备方法和在火灾循环探测预警中的应用，通过在mxene网络中引入peg/pvp高分子和功能性含硅助剂，制备得到了疏水耐候，可循环报警的阻燃涂层及其火灾报警装置。类似的，公开号为cn 114621637 a的专利说明书公开了一种纳米纤维素穿插mxene复合材料、制备方法及其应用，通过将纳米纤维素穿插mxene，制得的复合材料能够阻断常温和低温下mxene的导电能力，而当发生火灾时mxene导电网络接通，及时发出预警信号。然而，以上两种mxene涂层为深黑色，无法改变涂料的颜色，难以满足个性化需求和实现商业化应用。另外，公开号为cn 112831224 a的发明专利介绍了一种具有火灾循环预警功能且颜色可调的水性阻燃涂料及其制备方法和应用，通过调整tio2、mmt、功能性纳米纤维素和增稠剂(羟甲基纤维素)的比例，绿色简便地制备了基于tio2、mmt的颜色可调且具备循环报警功能的水性阻燃涂料，但这样的非透明涂料在一些特殊领域，如木质古建筑物等，仍无法实现商业化的大规模应用。因此，在涂层兼顾具有阻燃、快速及优良的循环预警功能的同时，解决其透明性仍具很大的挑战。

技术实现思路

1、针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种透明的阻燃预警水性涂料，以凯夫拉纤维(anf)和h2o2氧化的迈科烯(mxene)等为主要原料，可用于木质材料等的火灾防护和循环预警。将本发明的涂料直接涂覆于木质材料等易燃材料或墙面，在实现绿色阻燃的同时也能够获得快速灵敏的循环报警响应。本发明的涂料呈现透明浅黄色，将其涂敷于木质材料表面，晾干后木质材料基本保持原有颜色和状态。若木质材料表面有花纹或文字符号，涂上涂层后依旧能清晰显示原有的花纹或文字符号，特别适合用于木质古建筑物的火灾防护。

2、一种透明的阻燃预警水性涂料，包括氧化mxene、凯夫拉纤维、功能化交联剂和水；

3、所述氧化mxene通过h2o2和mxene按质量比不小于1:5在水中混合反应后去除过量的h2o2得到。

4、本发明透明涂料在常温下干燥后具有良好的绝缘性能。涂层中添加的anf是一种密度低、强度高、韧性好、耐高温、易于加工和成型的材料，在本发明介绍的水性阻燃涂料体系中起到良好的成膜作用以及与氧化mxene、功能化交联剂构成良好的网络结构。本发明涂层中的氧化mxene、功能化交联剂均匀分散在anf纤维网络之中，在火焰进攻时，会形成致密的网络，发生电子跃迁形成电流，涂层电阻值在原有基础上迅速减小，触发报警灯等装置；当火焰撤离后，电路立即断开，报警信号消失，即可实现导体和绝缘体之间的转换。当火焰再次进攻时，电路又一次导通，火焰撤离后，电路又立即断开，实现稳定的循环火灾预警。

5、本发明首次利用氧化mxene具有较好透光率的特性，合成具有良好透明度的阻燃预警涂层。众多研究通过一些方法排除mxene氧化的可能使得材料得到优良导电性等性能。而本发明通过调控mxene氧化程度实现其良好的透光率，并优选加入氧化剂h2o2促进mxene氧化的方法调控并得到了良好透明度的涂层，制备出的涂层除有良好的透明度外兼具优异的阻燃性能和火灾预警性能。

6、本发明采用anf作为成膜性助剂，anf具有良好的耐热性、拉伸强度、高强度等特性。

7、为了获得更好的透明度、阻燃性能和循环预警性能，作为优选，所述的透明的阻燃预警水性涂料，所述凯夫拉纤维和所述氧化mxene的质量比为1～5:1；以所述氧化mxene、所述凯夫拉纤维和所述功能化交联剂的总质量为100％计，所述功能化交联剂的质量占比为5％～20％。上述用量比例下anf可与氧化mxene、功能化交联剂形成良好的网络结构，提高结构稳定性和阻燃性能。

8、在一优选例中，所述的透明的阻燃预警水性涂料，所述mxene通过ti3alc2化学刻蚀得到。具体的，可将ti3alc2粉末加入到hcl和lif的混合溶液中反应1～4天，随后用去离子水离心产物至ph为5～6，即得所述mxene。进一步优选的，所述ti3alc2粉末的质量与所述hcl和lif的混合溶液的体积之比为1～4g:60～180ml；所述hcl和lif的混合溶液中，hcl的物质的量浓度为6～9mol/l，hcl与lif的质量比为10～30:1。

9、所述的透明的阻燃预警水性涂料，所述凯夫拉纤维优选经过去质子化处理。通过将anf纤维去质子化，涂料可与基材之间形成更多的相互作用，宏观上表现出较强的粘附性，由此得到的水性阻燃涂料形成的涂层具有优异的柔韧性和粘附性能，更适用于木质材料等的易燃材料。

10、在一优选例中，所述去质子化处理的具体操作包括：将凯夫拉纤维、氢氧化钾和去离子水在二甲基亚砜中混合，随后用去离子水和无水乙醇反复清洗纤维并烘干，所得纤维浸入二甲基亚砜中进行超声和搅拌，所得混合体系与水混匀后固液分离并取固体再次分散于水中，重复固液分离并取固体再次分散于水中的步骤直至分散液无色透明，得到经过去质子化处理的凯夫拉纤维溶液。

11、所述去质子化处理中，进一步优选：

12、所述凯夫拉纤维、所述氢氧化钾和所述去离子水按质量比1:1.5～2:20～50在二甲基亚砜中混合；

13、所述烘干的温度为40～60℃；

14、所述超声的时间为2～4h；

15、所述搅拌的时间为5～8h。

16、所述的透明的阻燃预警水性涂料，所述功能化交联剂优选为硼酸，硼酸与ti3alc2化学刻蚀得到的氧化mxene组合形成的涂层在火焰进攻下，表面可形成致密的硼掺杂钛碳层，有利于阻燃。硼酸为白色颗粒，溶于水呈透明的溶液，硼酸在本发明的涂料体系中可起到桥联氧化mxene和成膜性助剂anf的作用。本发明还通过进一步研究意外发现，通过硼元素的引入可进一步增强可见光的透过率，有利于增加涂料的透明度，同时优化材料的阻燃性能，提高混合涂料网络的结构稳定性。所述氧化mxene、所述凯夫拉纤维和所述硼酸的质量比为5:5:1，可进一步提升后续涂层的透光性，更符合本发明产品用于木质古建筑的目的。

17、所述的透明的阻燃预警水性涂料，所述h2o2和所述mxene在水中混合反应的时间优选为5～30min。

18、在一优选例中，所述的透明的阻燃预警水性涂料，所述去除过量的h2o2的方法为40～60℃加热。

19、在一优选例中，所述透明的阻燃预警水性涂料中，所述氧化mxene、所述凯夫拉纤维、所述功能化交联剂的总质量浓度为200～300mg/g。

20、本发明又提供了所述的透明的阻燃预警水性涂料的制备方法，将氧化mxene、凯夫拉纤维、功能化交联剂和水混匀得到所述的透明的阻燃预警水性涂料。

21、本发明还提供了所述的透明的阻燃预警水性涂料在火灾循环预警中的应用。

22、本发明涂料具有透明且循环阻燃预警的特征，将其与警报装置电连接后能够提供灵敏的火灾循环快速预警信号，报警响应时间不超过3～5s。

23、本发明与现有技术相比，有益效果有：

24、1、制得的复合涂料呈透明质地，可通过调控氧化mxene填料、交联剂与anf成膜剂的比例，优化透明度，使得涂层既可保护木质古建筑物原貌，又可实现多种功能。

25、2、制得的水溶性复合涂料分散均匀可以刷涂于木质材料等易燃材料表面或墙面，实现绿色的阻燃和循环火灾快速预警。