一种固-固相变改性硅灰基阻燃木材复合涂料

摘要

本发明提出一种固‑固相变改性硅灰基阻燃木材复合涂料，以质量百分数计，包括以下原料：25％～30％硅灰，17％～22％激发剂，0.5％～2％硫氰化铵，0.5％～1.5％聚丙烯酰胺，2％～5％活性炭，0.5％～2％桐油，42.5％～50.5％水，原料的质量百分数之和为100％；激发剂采用九水硅酸钠和氢氧化钾的混合物。本发明的创新性在于开辟了以硅灰、活性炭，硫氰化铵，聚丙烯酰胺，桐油制备硅酸盐系涂料，研发阻燃木材涂料的新途径。

权利要求

1.一种固-固相变改性硅灰基阻燃木材复合涂料，其特征在于，以质量百分数计，包括以下原料：原料的质量百分数之和为100％；

激发剂采用硅酸钠和氢氧化钾的混合物。

2.如权利要求1所述复合涂料，其特征在于，所述激发剂包括：占复合涂料总质量百分数为12％～15％的硅酸钠和占复合涂料总质量百分数为5％～7％的氢氧化钾。

3.如权利要求1所述复合涂料，其特征在于，所述复合涂料的制备方法包括如下步骤：将配方量的激发剂溶入配方量的水中进行第一次搅拌后加入配方量的硅灰再次进行第二次搅拌，制得硅灰基溶胶；向硅灰基溶胶中依次加入配方量的活性炭、硫氰化铵、聚丙烯酰胺、桐油后进行第三次搅拌，静置即得到复合涂料。

4.如权利要求3所述复合涂料，其特征在于，第一次搅拌条件为60℃～70℃、1000r/min～1500r/min搅拌30min。

5.如权利要求3所述复合涂料，其特征在于，配方量硅灰加入的时间持续15min～

20min。

6.如权利要求3所述复合涂料，其特征在于，配方量的活性炭、硫氰化铵、聚丙烯酰胺、桐油加入总时间持续5min～8min。

7.如权利要求3所述复合涂料，其特征在于，第三次搅拌条件为1000r/min～1500r/min搅拌10min～15min。

说明书

一种固-固相变改性硅灰基阻燃木材复合涂料

技术领域

[0001] 本发明属于化工建材和消防安全技术领域，具体涉及一种固-固相变改性硅灰基阻燃木材复合涂料及其制备方法。

背景技术

[0002] 当前室内装修及家具常采用纤维板、颗粒板和刨花板等人造板，其美观、轻质和拆装方便，但易燃性已对人居环境造成重大安全隐患，涂覆阻燃涂料可提高木材的被动阻燃性能，当前水性建筑涂料的主要成膜材料为水性聚氨酯、水性丙烯酸和水性环氧树脂涂料等，其中水性聚氨酯涂料因其优良性能已被广泛应用，尤其是采用丙烯酸酯改性水性聚氨酯乳液制备价廉、安全、无毒、环保的新型涂料，因此水性阻燃涂料的制备和研究主要聚焦于有机成膜材料与木材表面的粘结性能，以及无机纳米粒子在有机成膜材料中的生长机理和阻燃效应。但对无机硅溶胶系涂料的研究较少，缺乏以无机硅质成膜材料为基料的阻燃木材涂料的制备及性能研究，尤其是低温下阻燃材料阻燃性能的研究更少。

发明内容

[0003] 针对现有技术存在的不足，本发明提出一种新型的固-固相变改性硅灰基阻燃木材复合涂料及其制备方法。

[0004] 为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

[0005] 一种固-固相变改性硅灰基阻燃木材复合涂料，以质量百分数计，包括以下原料：

[0006]

[0007]

[0008] 原料的质量百分数之和为100％；

[0009] 激发剂采用硅酸钠和氢氧化钾的混合物。

[0010] 所述激发剂包括质量百分数12％～15％的硅酸钠和5％～7％的氢氧化钾。

[0011] 所述活性炭为核桃壳活性炭，平均粒度50.82μm。

[0012] 所述聚丙烯酰胺为阴离子型白色颗粒。

[0013] 所述桐油为呈浅黄色的透明液体。

[0014] 所述复合涂的制备方法包括如下步骤：将配方量的激发剂溶入定量水中进行第一次搅拌后加入配方量的硅灰再次进行第二次搅拌，制得硅灰基溶胶；向硅灰基溶胶中依次加入配方量的活性炭、硫氰化铵、聚丙烯酰胺、桐油后进行第三次搅拌，静置即得到复合涂料。

[0015] 第一次搅拌条件为60℃～70℃、1000r/min～1500r/min搅拌30min。

[0016] 配方量硅灰加入的时间持续15min～20min。

[0017] 配方量的活性炭、硫氰化铵、聚丙烯酰胺、桐油加入总时间持续5min～8min。

[0018] 第三次搅拌条件为1000r/min～1500r/min搅拌10min～15min。

[0019] 与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

[0020] (1)本发明的创新性在于开辟了以硅灰、活性炭，硫氰化铵，聚丙烯酰胺，桐油制备硅酸盐系涂料，研发阻燃木材涂料的新途径。

[0021] (2)本发明制备的复合涂料热稳定性高，将其涂覆在胶合板表面，燃烧时，在胶合板温度达到90℃左右时，硫氰化铵可发生多次相变，140℃左右可转变为硫脲，＜200℃较低温下时充分发挥其阻燃性能，尤其对于较低着火点的材料，能有效阻燃，是一种优异的低温阻燃涂料。

[0022] (3)本发明所使用的原材料成本低廉、环保，能够规模利用工业固废硅灰制备阻燃木材涂料，同时也为工业固废硅灰提供利用途径。

[0023] (4)本发明的制备方法采用较低的加热温度，制备过程在室内常温常压条件下进行即可，制备条件柔和。

[0024] 为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施方式

[0025] 硅灰源于冶金工业固废，属富含活性硅的粉体，发明人研究发现，硅灰经激发剂的化学改性可形成具有-Si-O-Si-结构的硅溶胶，掺入助剂或经养护处理，可形成对木板粘附性较强的硅质膜层，理论上可产生阻燃效应，但实际其阻燃效果不佳。经发明人研究还发现，激发剂硅酸钠和氢氧化钾的加入对硅灰具有协同反应的效果，加之作为分散剂和协效阻燃改性剂的聚丙烯酰胺，其有助于硅灰发展成结构更加致密的无定型硅质层，一定程度上能提高硅灰基涂料的阻燃性能，但是在较低温度(<200℃)下，其阻燃性能效果依旧不佳，因此，发明人长期探索，期望能有效改善硅灰基涂料的阻燃效果：硫氰化铵作为一种不燃、廉价、相变焓较高、过冷度较小的固固相变材料，在140℃可转变为硫脲，硫脲在180℃以后的热分解对固-固相变蓄热影响较小，硫氰化铵在较低温度(<200℃)具有优异的相变性能，且最终受热分解可形成阻燃性的NH3，但是采用其制备阻燃涂料的研究未见报道。由于NH4SCN可溶于碱性溶液，且在较低温度可发生多次相变并转变为硫脲，硫脲在进一步受热过程中形成阻燃性的NH3和可与O2反应的H2S；另外，在Na2SiO3和KOH改性硅灰制备硅溶胶所形成的碱性环境中，SCN-可与富含Na+、K+的硅灰基无定形物质≡Si-O-Si≡发生相互作用，促使无定形≡Si-O-Si≡链进一步发生缠绕、交联、互穿等结构变化过程，即提高了硅质层的密实化程度。理论上NH4SCN可强化水性硅灰基复合涂料在较低温度(<200℃)的阻燃性能。

[0026] 因此，本发明利用可提供无机铝硅酸盐成分的硅灰为原料，在化学改性剂硅酸钠和氢氧化钾的作用下，生成无机硅灰基溶胶，掺入硫氰化铵以提高其相变阻燃性能，并辅以活性炭、聚丙烯酰胺和桐油强化其在受热时形成硅质层的密实度、膨胀性及耐水性，提高其被动防火有效性；其中溶液中钠离子的量浓度CNa+为2mol·L-1，钾离子的量浓度CK+为2mol·L-1。

[0027] 本发明所述硅灰可在市面直接购买得到，其主要化学质量百分数组成为：SiO2：86.18％，Al2O3：2.49％，MgO：1.95％，Fe2O3：1.85％，K2O：1.66％，CaO：1.61％，Na2O：1.18％，TiO2：0.84％，SO3：0.38％，其它：1.86％。

[0028] 本发明活性炭为核桃壳活性炭，平均粒度50.82μm。

[0029] 本发明聚丙烯酰胺为阴离子型白色颗粒。

[0030] 本发明桐油为呈浅黄色的透明液体。

[0031] 实施例1：

[0032] 本实施例提供一种固-固相变改性硅灰基阻燃木材复合涂料，包括以下原料：

[0033] 微细硅灰粉 25wt％

[0034] 九水硅酸钠 15wt％

[0035] 氢氧化钾 5wt％

[0036] 硫氰化铵 0.5wt％

[0037] 聚丙烯酰胺 1.5wt％

[0038] 活性炭 2wt％

[0039] 桐油 0.5wt％

[0040] 水 50.5wt％

[0041] 包括下列步骤：

[0042] 准确称取硅灰，活性炭，聚丙烯酰胺，桐油和硫氰化铵，将配方量的激发剂硅酸钠和氢氧化钾混合物溶入定量水中，然后将混合溶液置于60℃的磁力加热搅拌机中搅拌30min，搅拌速度1000r/min；然后将配方量的硅灰缓慢加入搅拌机中拌和，约15min加完，制得硅灰基溶胶；最后依次加入配方量的活性炭、聚丙烯酰胺、桐油和硫氰化铵，约5min加完，以1500r/min的速度再搅拌10min，静置即为复合涂料成品。

[0043] 将复合涂料涂覆在胶合板表面，然后测试其热释放性能，燃烧时，随着胶合板表面温度的上升，硫氰化铵可发生多次相变，140℃可转变为硫脲，进而分解出阻燃性气体NH3，在较低温下时充分发挥其阻燃性能。

[0044] 结果见表1。

[0045] 实施例2：

[0046] 本实施例提供一种固-固相变改性硅灰基阻燃木材复合涂料，包括以下原料：

[0047] 微细硅灰粉 30wt％

[0048] 九水硅酸钠 12wt％

[0049] 氢氧化钾 7wt％

[0050] 硫氰化铵 1wt％

[0051] 聚丙烯酰胺 0.5wt％

[0052] 活性炭 5wt％

[0053] 桐油 2wt％

[0054] 水 42.5wt％

[0055] 制备步骤同实施例1，检测结果见表1。

[0056] 对比例1：

[0057] 本对比例提供一种硅灰基阻燃木材复合涂料，原料组成同实施例1，不同的在于，其中不包括硫氰化铵。

[0058] 制备步骤同实施例1，检测结果见表1。

[0059] 对比例2：

[0060] 本对比例提供一种硅灰基阻燃木材复合涂料，包括以下原料：

[0061] 微细硅灰粉 25wt％

[0062] 九水硅酸钠 15wt％

[0063] 氢氧化钾 5wt％

[0064] 硫氰化铵 2.5wt％

[0065] 聚丙烯酰胺 1wt％

[0066] 活性炭 4wt％

[0067] 桐油 1wt％

[0068] 水 47.5wt％

[0069] 制备步骤同实施例1，检测结果见表1。

[0070] 从表1中可见采用“固固相变”改性硅灰基阻燃涂料，因硫氰化铵在较低温度(<200℃)具有优异的相变性能，适量的硫氰化铵可同时降低样品的总释热量和提高其引燃时间(实施例)，但是若掺入过量的硫氰化铵因导致涂料粘度过高而难于在木材表面形成完整、均匀、连续的硅质膜层，致使其引燃时间大幅缩短(对比例2)。

[0071] 表1实施例与对比例的热释放性能

[0072]