CN109943157A - 一种基于水滑石作抑烟的木料用膨胀阻燃涂料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水滑石作抑烟的木料用膨胀阻燃涂料，涉及阻燃涂料领域，其包括聚磷酸铵，季戊四醇，三聚氰胺，六偏磷酸钠，苯丙乳液，水滑石。在遇到明火或高温受热过程中，水滑石插层材料间离子以水蒸气和二氧化碳的形式分解释放出来，在一定程度上阻隔氧气和被涂材料表面的接触，还能降低空气中氧气和易燃气体的浓度。在防火、阻燃过程中，还会吸收大量的热，有利于降低燃烧时产生的高温，经过烟密度实验与阻燃性能试验，具有良好的抑烟和阻燃效果，因此可以作为抑烟阻燃剂。

Description

一种基于水滑石作抑烟的木料用膨胀阻燃涂料

技术领域

本发明涉及阻燃涂料领域，具体为一种基于水滑石作抑烟的木料用膨胀阻燃 涂料。

背景技术

根据防火机理和防火形式的不同，防火涂料可以分为膨胀阻燃涂料和非膨胀 阻燃涂料两大类。从这几年的发展趋势来看，由于膨胀阻燃涂料自身的特点和优 势，阻燃效果更好，因此使用范围比非膨胀阻燃涂料更加广泛，是当今阻燃涂料 的发展趋势。但是膨胀阻燃涂料遇到高温或者明火时，不仅会产生大量的易燃气 体，还会产生大量的有毒有害气体和烟雾。根据数据统计表明，火灾中致死的首 要原因就是由于吸入过量的烟雾和有毒有害气体而导致窒息死亡。水滑石和类水 滑石化合物是一种层状双羟基复合金属氧化物(LDH)，具有抑烟阻燃和降温的 性能，可以作为抑烟阻燃剂。

1924年，第一种膨胀阻燃涂料问世，这种涂料主要成分是石棉、高岭土等； 1937年，磷酸二铵第一次被Tramm等用作为制作膨胀阻燃涂料的催化剂；1948 年，膨胀阻燃涂料专利首次被Abi化学公司申请；1965年，美国的Monsanto公 司和Vanderall实验室首次将聚磷酸铵(APP)添加到阻燃涂料。在国外，防火 涂料的使用已经得到了大范围的推广。我国膨胀阻燃涂料的发展，虽然比国外工 业发达国家晚起步，但是发展迅速。全国各地专家研制出了品种繁多的防火涂料， 有关部门也制定了相应的技术规范。由于水滑石的结构表现出热稳定性和阻燃性 能，越来越受到科研工作者的青睐和关注。刘喜山等配制了PA6/CO3-LDHs和 PA6/H2PO4-LDHs无卤防火涂料，这种涂料以尼龙6为基料，磷酸二氢根插层改 性水滑石为阻燃剂，能提高PA6的热稳定性、力学性能和阻燃性能。范慧琳等在 聚氯乙烯中添入制备的硼酸根插层水滑石得到阻燃复合材料，所得材料氧指数有 70.3份的提高；YuJiang等把制备得到的氨基酸根插层改性水滑石添加到EVA1 中，所得的阻燃复合材料能大幅度减缓EVA的热释放速度。

但是，在防火涂料的研制和应用中还是存在一些问题的。譬如防火涂料的膨 胀型阻燃体系大多都是P-C-N体系，遇火可能会释放出NH3、HCN、CO等有毒气 体；还有防火涂料无论是用于室外还是室内，都会有脱落、老化、开裂等耐久性 不长久的问题等等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，以水滑石类化合物(LDH) 为抑烟阻燃剂，苯丙乳液为基料，聚磷酸铵(APP)、季戊四醇(PER)、三聚氰 胺(MEL)为膨胀阻燃体系，六偏磷酸钠为分散剂，分别添加不同含量的LDH， 配制一系列膨胀阻燃涂料试样，进行各组试样烟密度性能和阻燃性能的测定，寻 找有效改善涂料阻燃的最佳配比，提供一种基于水滑石作抑烟的木料用膨胀阻燃 涂料。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的，本发明公开了一种基 于水滑石作抑烟的木料用膨胀阻燃涂料，该涂料包括阻燃剂，所述阻燃剂包括基 料、脱水催化剂、碳化剂、发泡剂、分散剂和抑烟剂，所述阻燃剂还包括水滑石。 基料是组成涂料的基础成分，对涂料的性能起关键性作用，是主要的成膜物质， 常用的有水性树脂，如丙烯酸树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、醇酸树脂等；脱水 催化剂，也称为酸源，主要作用是在高温中分解出具有脱水作用的酸的化合物(硫 酸、磷酸、聚磷酸等)，促进炭化剂脱水成为不易燃的碳架结构。聚磷酸铵(APP)、 磷酸铵镁、硼酸盐等物质作为脱水催化剂；炭化剂，又可称为成碳剂、炭源。当 涂膜在遇到火焰或者较高温度的情况作用下，在脱水催化剂的协同作用下，炭化 剂脱水炭化形成炭层，起到骨架支撑作用，炭化剂有碳水化合物、多羟基化合物、 树脂性物质等；发泡剂在高温中能分解成能鼓起软化的成膜物的氨气和二氧化碳 等气体，能够降低防火体系中的氧气浓度，并且延迟基材燃烧的作用。分散剂是 能提高和改善固体或液体物料分散性能的助剂，无机分散剂有硅酸盐类(例如水 玻璃)和碱金属磷酸盐类(例如三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和焦磷酸钠等)。水滑石 和类水滑石化合物统称为层状双羟基复合金属氧化物(LDH)，是一类由带正电 荷的水镁石层结构和层间填充带负电荷的阴离子所构成的层柱状化合物，由这些 化合物插层组装的一系列超分子材料称为水滑石插层材料(LDHs)，由于LDHs 具有层柱结构，而且层内具有强烈的共价键作用和氢键等，具有一定的热稳定性。

上述环境友好型膨胀型钢结构用防火涂料，作为优选的，所述基料为苯丙乳 液。

上述环境友好型膨胀型钢结构用防火涂料，作为优选的，所述脱水催化剂为 聚磷酸铵，所述碳化剂为季戊四醇，所述发泡剂为三聚氰胺，所述分散剂为六偏 磷酸钠。

上述环境友好型膨胀型钢结构用防火涂料，作为优选的，所述阻燃剂按质量 份数比重组成：聚磷酸铵含量为10份，季戊四醇含量为5.4份，三聚氰胺含量 为5.4份，六偏磷酸钠含量为0.5份，苯丙乳液含量为8份，水滑石含量为0.8-1.2 份。

上述环境友好型膨胀型钢结构用防火涂料，作为优选的，所述阻燃剂按质量 份数比重组成，该涂料还包括溶剂，所述溶剂使该涂料变成粘稠状。

上述环境友好型膨胀型钢结构用防火涂料，作为优选的，所述阻燃剂按质量 份数比重组成所述溶剂为水。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)在遇到明火或高温受热过程中，水滑石插层材料间离子以水蒸气和二 氧化碳的形式分解释放出来，在一定程度上阻隔O2和被涂材料表面的接触，还 能降低空气中氧气和易燃气体的浓度。在防火、阻燃过程中，还会吸收大量的热， 有利于降低燃烧时产生的高温，因此可以作为抑烟阻燃剂。

(2)苯丙乳液是一种水性涂料的成膜物，苯丙乳液具有干燥速度快、粘结 能力强、施工安全、无毒、不燃，成膜后防水、保光性能较好。聚磷酸铵(APP) 具有含磷量大、含氮量高、水溶性小、热稳定性高、阻燃性能高等优点。APP是 膨胀阻燃涂料中最常用的脱水催化剂，本实验采用聚磷酸铵作为脱水催化剂。季 戊四醇价格便宜、成本较低，所以被广泛使用。

(3)本发明的组分配方经过烟密度实验与阻燃性能试验，具有良好的抑烟 和阻燃效果。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细的描述:

实施例：本发明公开了一种基于水滑石作抑烟的木料用膨胀阻燃涂料，所述 阻燃剂按质量份数比重组成：聚磷酸铵含量为10份，季戊四醇含量为5.4份， 三聚氰胺含量为5.4份，六偏磷酸钠含量为0.5份，苯丙乳液含量为8份，水滑 石含量为0.8-1.2份，以水为溶剂并调制成粘稠状。

为验证实施例抑烟效果，本发明采用了烟密度实验使用JCY-2型建材烟密度 测试仪和酒精灯分别测试木板材料的烟密度性能和阻燃性能。烟密度是指材料在 规定的试验条件下发烟量的量度，它是用透过烟的光强度衰减量来描述的。烟密 度越大的材料，对火灾时疏散人员和灭火越为不利。

实验过程：

(1)木块的准备本实验所需要完成的实验有烟密度的测定和阻燃性能的测 定，需要将涂料涂在相应规格的木板表面进行实验测定。木板要求板面平整光滑、 无缺陷，本实验所准备的复合木板规格如下：5cm×5cm×0.3cm。

(2)防火涂料的配制根据配方，用电子天平准确称量各组防火涂料，将每 一组称量好的涂料放于研钵中(涂料量不得超过研钵容积的1/3)，研杵保持垂 直对涂料进行充分捣碎，直到所需的细度。充分研磨均匀后加入苯丙乳液和适量 的蒸馏水，用玻璃棒充分搅拌使其到粘稠即可。

(3)涂膜的准备用刷子将配制好的涂料分别均匀涂覆于复合木板表面上， 涂刷方向注意一致性。把完成涂料涂刷的木块置于60℃的电热恒温干燥箱里进 行干燥，干燥45分钟后再进行第二次涂刷，然后继续进行干燥、涂刷，用游标 卡尺进行量度，直到涂膜厚度为(4.00±0.2)mm时，停止涂刷。干燥通风环境 下晾干24h后进行测试。

(4)烟密度实验，烟密度实验材料在烟箱中燃烧产生烟气，烟气中固体尘 埃对通过烟箱的光反射，造成光通量的损失。通过测量光通量的变化来评价烟密 度大小，从而确定在燃烧和分解条件下建筑材料可能释放烟的程度。

(5)涂料阻燃性能试验，进行该测试的目的是判断试样涂膜阻燃性能的好 坏。判断试样涂膜阻燃性能的好坏，可对各组试样加热相等的时间，背面温度最 低的试样，判断为阻燃性能最佳。

烟密度性能实验中，以聚磷酸钠(APP)10g，季戊四醇(PER)5.4g,三聚氰 胺(MEL)5.4g，六偏磷酸钠0.5g，苯丙乳液8g，分别加入0-2.5g水滑石进行 实验，测定涂料的阻燃性能和烟密度，寻找有效改善涂料阻燃的最佳配比。配方 如下表：

实验采用以下是11组每组3个平行试样，结果如下表：

由上表可知：按GB/T8627进行测试，其烟密度(SDR)≤15，其燃烧性能定 为A级；按GB/T8627进行测试，其烟密度(SDR)≤75，其燃烧性能定为B1级； 按GB/T8626进行测试，其燃烧性能应达到GB/T866所规定的指标，且不允许有 燃烧滴落物引燃滤纸的现象，定为B2级。当阻燃涂料的其他成分确定时，水滑 石含量对木材烟密度具有一定的抑烟作用。未加入水滑石的阻燃涂料的最大烟密 度值为60.55,、烟密度等级为38.77，由上表可看出，加入水滑石的11组试样 的烟密度并不全部低于对照组。其中含量为0.25g、0.5g、2.25g的试样2、试 样3、试样10低于对照组，其中试样3烟密度等级最小，为29.23。结果表明， 最大烟密度值与烟密度等级和水滑石用量不呈线性关系，并不是加入水滑石含量 越多，对阻燃涂料的抑烟作用越好。以上各组涂料的烟密度等级均小于75，根 据国标规定，都为难燃材料。水滑石分解会释放出水和二氧化碳，吸收并且稀释 燃烧时释放的烟雾，分解后的产物为多孔性碱性物质，比面积大，更可有效吸附 燃烧中的有害气体，特别是酸性气体，生成的完整炭层也能隔热和隔绝氧气。因 此，具有一定的抑烟作用。

涂料阻燃性能试验：室温29.4℃，外焰最高温度测得为969℃；表面未涂阻 燃涂料的裸木板只需3min即可烧穿，外焰最高温度为406℃。试验结果如下：

由上表可知，加入水滑石(LDH)的对照组涂料燃烧过程中木板背面最高温 度为183℃。加入LDH的11组试样在125℃-183℃，最低温度是试样5，为125℃。 加入水滑石(LDH)的试样在燃烧过程中达到的最高温度均低于对照组，最高温 度最低的试样是5，为125℃。说明加入一定量的水滑石能降低阻燃涂料燃烧时 的最高温度。高分子物质需要降解成为低分子物质才能成为可燃物质，水滑石 (LDH)在一定温度下分解出金属氢氧化物和H2O，吸收大量的热，由此会降低 燃烧时的高温，具有一定的阻燃性能。

综上，当聚磷酸铵为10g，季戊四醇为5.4g,三聚氰胺为5.4g，六偏磷酸钠 为0.5g，苯丙乳液为8g，水滑石质量为1g(即按质量份数计为：聚磷酸铵含量 为10份，季戊四醇含量为5.4份，三聚氰胺含量为5.4份，六偏磷酸钠含量为 0.5份，苯丙乳液含量为8份，水滑石含量为0.8-1.2份)时，涂料的抑烟和阻 燃效果最佳。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域 的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于水滑石作抑烟的木料用膨胀阻燃涂料，其特征在于，该涂料包括阻燃剂，所述阻燃剂包括基料、脱水催化剂、碳化剂、发泡剂、分散剂和抑烟剂，所述阻燃剂还包括水滑石。

2.根据权利要求1所述的一种基于水滑石作抑烟的木料用膨胀阻燃涂料，其特征在于，所述基料为苯丙乳液。

3.根据权利要求2所述的一种基于水滑石作抑烟的木料用膨胀阻燃涂料，其特征在于，所述脱水催化剂为聚磷酸铵，所述碳化剂为季戊四醇，所述发泡剂为三聚氰胺，所述分散剂为六偏磷酸钠。

4.根据权利要求3所述的一种基于水滑石作抑烟的木料用膨胀阻燃涂料，其特征在于，所述阻燃剂按质量份数比重组成：聚磷酸铵含量为10份，季戊四醇含量为5.4份，三聚氰胺含量为5.4份，六偏磷酸钠含量为0.5份，苯丙乳液含量为8份，水滑石含量为0.8-1.2份。

5.根据权利要求1-4所述的一种基于水滑石作抑烟的木料用膨胀阻燃涂料，其特征在于，该涂料还包括溶剂，所述溶剂使该涂料变成粘稠状。

6.根据权利要求5所述的一种基于水滑石作抑烟的木料用膨胀阻燃涂料，其特征在于，所述溶剂为水。