具有普适性的生物基高效阻燃涂料及其制备方法与应用

摘要

本发明公开了具有普适性的生物基高效阻燃涂料及其制备方法与应用。该制备方法首先采用插层剂对层状纳米材料插层改性，并进行酸化处理去掉插层剂，然后将改性后的层状纳米材料与硅烷偶联剂反应，在其表面接上活性官能团，制得功能化层状纳米材料。随后将功能化层状纳米材料与链状天然高分子材料一起分散于水中，制备一种具有普适性的生物基阻燃涂料。与现有技术相比，本发明阻燃涂层具有广泛的适用性，可通过浸涂、刷涂和喷涂等便捷的方法应用在薄膜、棉织物和泡沫等聚合物制品上。其形成的阻燃涂层具有高效的阻燃性能和优异的稳定性及耐水性，而且安全环保，可广泛应用于对阻燃和环保要求较高的交通运输、家具电器、建筑装饰和电线电缆等领域。

权利要求

1.一种具有普适性的生物基高效阻燃涂料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）层状纳米材料的插层改性：在-5 5℃条件下，将层状纳米材料均匀分散于去离子水~中，得层状纳米材料分散液；将插层剂溶于去离子水，在超声搅拌条件下加入层状纳米材料分散液中，搅拌均匀，得插层改性的层状纳米材料分散液；所述的层状纳米材料为蒙脱土、高岭土、绢云母、双金属氢氧化物和层状磷酸盐中的一种或多种；所述的插层剂为甲胺、乙胺、四乙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、十八烷基胺盐酸盐和十六烷基三甲基溴化铵中的一种或多种；所述插层剂与层状纳米材料的摩尔比为0.5:1 4:1；将酸溶液加入插层改性的层~状纳米材料分散液中反应；反应结束后将混合溶液离心处理，沉淀物用溶剂洗涤，然后通过超声搅拌分散于溶剂中形成悬浮液；所述的酸溶液中的酸为醋酸、盐酸、磷酸和硫酸中的一种或多种；酸溶液中的酸与插层剂的摩尔比为1:1 50:1；

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2）功能化层状纳米材料的合成：将硅烷偶联剂溶于溶剂中，加入步骤1）所得悬浮液中，升温到40 100℃，反应6 24h；反应结束后将混合溶液离心处理，沉淀物用溶剂洗涤，干燥后~ ~得到功能化层状纳米材料；所述硅烷偶联剂与层状纳米材料的摩尔比为0.1:1 20:1；

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3）具有普适性的生物基高效阻燃涂料的制备：将功能化层状纳米材料和链状天然高分子材料均匀分散于去离子水中；加入pH调节剂控制pH为2 13，升温至30 90℃，反应10~ ~ ~

120min；所述的功能化层状纳米材料和链状天然高分子材料的质量比为1:0.25 1:4；自然~冷却后得到具有普适性的生物基高效阻燃涂料；功能化层状纳米材料和链状天然高分子材料在阻燃涂料中的质量浓度之和为0.1 20%；所述的链状天然高分子材料为羧甲基纤维素、~羟丙基甲基纤维素、木质素磺酸钠、壳聚糖、氧化淀粉、淀粉醋酸酯和海藻酸钠中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的具有普适性的生物基高效阻燃涂料的制备方法，其特征在于，所述的硅烷偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷，3-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷，3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷，2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三乙氧基硅烷，乙烯基三乙氧基硅烷，3-氯丙基三乙氧基硅烷和氯甲基三乙氧基硅烷中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的具有普适性的生物基高效阻燃涂料的制备方法，其特征在于，步骤1）和步骤2）所述的溶剂为去离子水、乙醇和丙醇中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的具有普适性的生物基高效阻燃涂料的制备方法，其特征在于，所述的pH调节剂为醋酸、盐酸、磷酸、氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液和氨水中的一种或多种；pH调节剂的浓度为0.1 15mol/L。

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5.根据权利要求1所述的具有普适性的生物基高效阻燃涂料的制备方法，其特征在于，步骤1）所述的将层状纳米材料均匀分散于去离子水中是通过超声搅拌10 60min实现；所述~的在超声搅拌条件下加入层状纳米材料分散液中的加入时间为0.5 2h；加入的方式为滴~加；所述搅拌均匀是通过超声搅拌0.5 4h之后停止超声作用，继续搅拌4 24h实现。

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6.根据权利要求1所述的具有普适性的生物基高效阻燃涂料的制备方法，其特征在于，步骤1）所述的将酸溶液加入插层改性的层状纳米材料分散液中反应是配制0.1 15mol/L的~酸溶液，在超声搅拌条件下于10 120min内加入插层改性的层状纳米材料分散液中，继续超~声搅拌反应0.5 2h。

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7.根据权利要求1所述的具有普适性的生物基高效阻燃涂料的制备方法，其特征在于，步骤2）所述硅烷偶联剂溶于溶剂后，于0.5 5h内加入到步骤1）所得悬浮液中，加入的方式~是滴加。

8.根据权利要求1所述的具有普适性的生物基高效阻燃涂料的制备方法，其特征在于，步骤3）所述的功能化层状纳米材料和链状天然高分子材料均匀分散于去离子水中是通过超声搅拌10 240min实现。

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9.一种具有普适性的生物基高效阻燃涂料，其特征在于，其由权利要求1 8任一项所述~的制备方法制得。

10.权利要求9所述的具有普适性的生物基高效阻燃涂料在聚合物制品中的应用，其特征在于，将具有普适性的生物基高效阻燃涂料对聚合物制品进行浸涂、刷涂或喷涂；所述的聚合物制品为涤纶织物、丙纶织物、棉织物、聚氨酯泡沫、聚丙烯泡沫、聚对苯二甲酸乙二酯薄膜和聚苯乙烯薄膜中的一种或多种；

所述的浸涂是将聚合物制品浸入具有普适性的生物基高效阻燃涂料中5 600s，取出后~甩掉多余的涂料，放入烘箱中在40 100℃下干燥0.5 12h；干燥后的聚合物制品倒转过来以~ ~同样的方法浸泡并干燥；上述过程为1个周期，之后再重复0 10个周期；最后干燥0.5 24h；

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所述的刷涂是将聚合物制品平铺在平板上，使用湿膜制备器在聚合物制品上涂覆一层厚度为100 1000μm的具有普适性的生物基高效阻燃涂料，然后将聚合物制品连带平板放入~烘箱中在40 100℃下干燥0.5 6h；干燥后的聚合物制品翻过来以同样的方法进行背面涂~ ~覆；上述过程为1个周期，之后再重复0 5个周期；最后干燥1 24h；

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所述的喷涂是将聚合物制品平铺在平板上，使用喷枪在聚合物制品上均匀涂覆一层具有普适性的生物基高效阻燃涂料，然后将聚合物制品连带平板放入烘箱中在40 100℃下干~燥0.5 8h；干燥后的聚合物制品翻过来以同样的方法进行背面涂覆；上述过程为1个周期，~之后再重复0 10个周期；最后干燥0.5 24h。

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说明书

具有普适性的生物基高效阻燃涂料及其制备方法与应用

技术领域

[0001] 本发明涉及阻燃涂料的制备，具体是涉及一种具有普适性的生物基高效阻燃涂料及其制备方法与应用。

背景技术

[0002] 随着高分子材料在交通运输、家具电器和建筑装饰等众多领域中的广泛应用，高分子材料易燃缺陷给人们生命财产安全带来的威胁也随之增大。目前最常用的应对方式是在高分子材料中加入阻燃剂来提高其阻燃性能，但是添加型阻燃剂存在着以下问题：(1)适用性窄，在不同聚合物中的性能表现存在巨大差距；(2)分散于聚合物中，燃烧时不能集中作用，导致其阻燃效率偏低，需要较大的添加量才能达到所需的阻燃性能；(3)大添加量会导致对聚合物自身力学性能的严重恶化。相比较之下，在聚合物表面构造阻燃涂层成为克服添加型阻燃剂这些缺陷的有效方式。由于在阻燃涂层中，阻燃剂聚集于聚合物表面，先于聚合物接触火焰，并可快速形成高质量的阻燃保护层，由此可表现出高效的阻燃性能。同时，一种阻燃涂料可用在多种聚合物上，而且其对聚合物制品力学性能的影响较小。但是当前的阻燃涂料还大量使用传统阻燃剂，如卤系阻燃剂(CN201611131631)、小分子有机磷系阻燃剂(Progress in Organic Coatings,2016,90:83‐90)和小分子有机氮系阻燃剂等(CN201710661963)。在这些阻燃剂中，许多都存在一定的毒性，当它们被应用于制备阻燃涂层时，很容易迁移到环境中去，不仅会破坏生态环境的稳定性，还会在人体和其他生物体中蓄积，造成长久性的毒害作用。因此，迫切需要开发一种环保高效的阻燃涂料。

发明内容

[0003] 本发明的目的是针对现有阻燃剂存在的不足，提供一种具有普适性的生物基高效阻燃涂料及其制备方法，该阻燃涂料所形成的阻燃涂层安全环保，在高温环境中可快速形成具有优异热稳定性和阻隔性能的层状多孔炭层，发挥高效的阻燃作用。

[0004] 本发明另一目的是提供具有普适性的生物基高效阻燃涂料在聚合物薄膜、织物和泡沫等材料中的应用。

[0005] 由于链状天然高分子材料(如纤维素、壳聚糖和淀粉等)和层状纳米材料(如蒙脱土、双金属氢氧化物和层状磷酸盐等)均含有丰富的活性基团(如羟基、氨基和羧基等)，它们不仅可通过形成氢键作用而紧密结合，还可以通过交联剂轻易地构建稳固的共价键作用，既保证了涂层的稳定性，又对各种聚合物基材表现出良好的粘附性；而且许多链状天然高分子材料具有优异的成炭性能，而固体酸类层状纳米材料具有催化成炭的特性，在高温环境中可快速催化链状天然高分子材料在其层间成炭，形成具有优异热稳定性和阻隔性能的层状多孔炭层，发挥高效阻燃作用。同时，由层状纳米材料和链状天然高分子材料形成的阻燃涂层安全无毒，对人类和生态环境友好，可广泛应用于对阻燃和化学性安全要求较高的交通运输、家具电器、建筑装饰和电线电缆等领域。

[0006] 本发明采用硅烷偶联剂对插层改性后的层状纳米材料进行表面可控修饰，并将得到的功能化层状纳米材料与链状天然高分子材料在水中均匀共混制备了一种普适性的生物基高效阻燃涂料。该涂料在聚合物制品表面干燥过程中可自行共组装形成仿珍珠贝的“砖泥”层状结构，同时，接枝在层状纳米材料表面的活性基团可与链状天然高分子材料上的活性基团发生反应构建共价键连接，形成稳固的涂层。在燃烧时，层状纳米材料可催化层间的链状天然高分子材料快速发生成炭反应，从而形成具有优异热稳定性和阻隔性能的层状多孔炭层，对聚合物制品发挥高效阻燃作用。

[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

[0008] 一种具有普适性的生物基高效阻燃涂料的制备方法，包括以下步骤：

[0009] 1)层状纳米材料的插层改性：在‐5～5℃条件下，将层状纳米材料均匀分散于去离子水中，得层状纳米材料分散液；将插层剂溶于去离子水，在超声搅拌条件下加入层状纳米材料分散液中，搅拌均匀，得插层改性的层状纳米材料分散液；所述的层状纳米材料为蒙脱土、高岭土、绢云母、双金属氢氧化物和层状磷酸盐中的一种或多种；所述的插层剂为甲胺、乙胺、四乙基氢氧化铵、四丁基氢氧化铵、十八烷基胺盐酸盐和十六烷基三甲基溴化铵中的一种或多种；所述插层剂与层状纳米材料的摩尔比为0.5:1～4:1；将酸溶液加入插层的层状纳米材料分散液中反应；反应结束后将混合溶液离心处理，沉淀物用溶剂洗涤，然后通过超声搅拌分散于溶剂中形成悬浮液；所述的酸溶液中的酸为醋酸、盐酸、磷酸和硫酸中的一种或多种；酸与插层剂的摩尔比为1:1～50:1；

[0010] 2)功能化层状纳米材料的合成：将硅烷偶联剂溶于溶剂中，加入步骤1)所得悬浮液中，升温到40～100℃，反应6～24h；反应结束后将混合溶液离心处理，沉淀物用溶剂洗涤，干燥后得到功能化层状纳米材料；所述硅烷偶联剂与层状纳米材料的摩尔比为0.1:1～20:1；

[0011] 3)具有普适性的生物基高效阻燃涂料的制备：将功能化层状纳米材料和链状天然高分子材料均匀分散于去离子水中；加入pH调节剂控制pH为2～13，升温至30～90℃，反应10～120min；所述的功能化层状纳米材料和链状天然高分子材料的质量比为1:0.25～1:4；
自然冷却后得到具有普适性的生物基高效阻燃涂料；功能化层状纳米材料和链状天然高分子材料在阻燃涂料中的质量浓度为0.1～20％；所述的链状天然高分子材料为羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、木质素磺酸钠、壳聚糖、羧甲基壳聚糖、氧化壳聚糖、氧化淀粉、淀粉醋酸酯和海藻酸钠中的一种或多种。

[0012] 为进一步实现本发明目的，优选地，所述的硅烷偶联剂为3‐氨基丙基三乙氧基硅烷，3‐缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷，3‐缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷，2‐(3,4‐环氧环己烷基)乙基三乙氧基硅烷，乙烯基三乙氧基硅烷，3‐氯丙基三乙氧基硅烷和氯甲基三乙氧基硅烷中的一种或多种。

[0013] 优选地，步骤1)和步骤2)所述的溶剂都为去离子水、乙醇、丙醇和异丙醇中的一种或多种。

[0014] 优选地，所述的pH调节剂为醋酸、盐酸、磷酸、氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液和氨水中的一种或多种；pH调节剂的浓度为0.1～15mol/L。

[0015] 优选地，步骤1)所述的将层状纳米材料均匀分散于去离子水中是通过超声搅拌10～60min实现；所述的在超声搅拌条件下加入层状纳米材料分散液中的加入时间为0.5～2h；加入的方式为滴加；所述搅拌均匀是通过超声搅拌0.5～4h之后停止超声作用，继续搅拌4～24h实现。

[0016] 优选地，步骤1)所述的将酸溶液加入插层的层状纳米材料分散液中反应是配制0.1～15mol/L的酸溶液，在超声搅拌条件下于10～120min内加入插层的层状纳米材料分散液中，继续超声搅拌反应0.5～2h。

[0017] 优选地，步骤2)所述硅烷偶联剂溶于溶剂后，于0.5～5h内加入到步骤1)所得悬浮液中，加入的方式是滴加。

[0018] 优选地，步骤3)所述的功能化层状纳米材料和链状天然高分子材料均匀分散于去离子水中是通过超声搅拌10～240min实现。

[0019] 一种具有普适性的生物基高效阻燃涂料，由上述的制备方法制得。

[0020] 所述的具有普适性的生物基高效阻燃涂料在聚合物制品中的应用：将具有普适性的生物基高效阻燃涂料对聚合物制品进行浸涂、刷涂或喷涂；所述的聚合物制品为涤纶织物、丙纶织物、棉织物、聚氨酯泡沫、聚丙烯泡沫、聚对苯二甲酸乙二酯薄膜和聚苯乙烯薄膜中的一种或多种；

[0021] 所述的浸涂是将聚合物制品浸入具有普适性的生物基高效阻燃涂料中5～600s，取出后甩掉多余的涂料，放入烘箱中在40～100℃下干燥0.5～12h；干燥后的聚合物制品倒转过来以同样的方法浸泡并干燥；上述过程为1个周期，之后再重复0～10个周期；最后干燥0.5～24h；

[0022] 所述的刷涂是将聚合物制品平铺在平板上，使用湿膜制备器在聚合物制品上涂覆一层厚度为100～1000μm的具有普适性的生物基高效阻燃涂料，然后将聚合物制品连带平板放入烘箱中在40～100℃下干燥0.5～6h；干燥后的聚合物制品翻过来以同样的方法进行背面涂覆；上述过程为1个周期，之后再重复0～5个周期；最后干燥1～24h；

[0023] 所述的喷涂是将聚合物制品平铺在平板上，使用喷枪在聚合物制品上均匀涂覆一层具有普适性的生物基高效阻燃涂料，然后将聚合物制品连带平板放入烘箱中在40～100℃下干燥0.5～8h；干燥后的聚合物制品翻过来以同样的方法进行背面涂覆；上述过程为1个周期，之后再重复0～10个周期；最后干燥0.5～24h。

[0024] 喷涂中使用的喷枪的喷嘴口径为0.5～2.5mm，喷涂距离为10～30cm，涂料出量为150～300mL/min，喷枪移动速度为20～40cm/s。

[0025] 相对于现有技术，本发明具有以下优点：

[0026] 1、本发明提供的阻燃涂层在燃烧时，其层状纳米材料会催化其层间链状天然高分子材料快速炭化，形成具有优异热稳定性能和阻隔性能的层状多孔炭层，对聚合物基体发挥高效阻燃作用。

[0027] 2、本发明提供的涂料适用性广，所制备的阻燃涂层在多种聚合物制品上表现出良好的粘附性和稳定性。并且其制备工艺简单，容易控制，对生产设备要求低，因此可广泛应用于汽车外饰、家具电器、建筑材料和电线电缆等领域。

附图说明

[0028] 图1为实施例1蒙脱土、3‐缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷和功能化蒙脱土的FT‐IR谱图。

[0029] 图2为实施例1蒙脱土和功能化蒙脱土的XRD谱图。

[0030] 图3为实施例3中(A)聚酯膜、(B)棉织物和(C)聚氨酯泡沫上形成的仿珍珠贝的“砖泥”结构层状阻燃涂层的扫描电镜照片。

具体实施方式

[0031] 为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但是本发明的实施方式不限于此。

[0032] 实施例1

[0033] 1)层状纳米材料的插层改性：在3‐5℃条件下，在500mL四口烧瓶中加入300mL去离子水和3.00g(约2.3mmol)蒙脱土，超声搅拌30min，使蒙脱土充分分散；将0.91g(2.5mmol)十六烷基三甲基溴化铵溶于50mL去离子水，在超声搅拌条件下于0.5h内逐滴加入反应釜中，继续超声搅拌2h，之后停止超声，继续搅拌12h；配制10mL浓度为1mol/L的盐酸溶液，在超声搅拌条件下于20min内逐滴加入四口烧瓶中，继续超声搅拌1h；反应结束后将混合溶液离心处理，沉淀物用去离子水和丙醇各洗两遍，然后通过超声搅拌分散于300mL丙醇中形成悬浮液；

[0034] 2)功能化层状纳米材料的合成：在500mL四口烧瓶中加入步骤1)蒙脱土丙醇悬浮液，升温到90℃；将2.56g(9.2mmol)3‐缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷溶于50mL丙醇中，于2h内同时滴加到所述反应釜中，滴完后继续反应16h；反应结束后将混合溶液离心处理，沉淀物用乙醇洗涤三遍，干燥后得到功能化蒙脱土。

[0035] 对功能化蒙脱土进行傅里叶红外光谱(FT‐IR，图1)和X射线衍射(XRD，图3)分析。从图1功能化蒙脱土的FT‐IR曲线可观察到Al‐O(3625cm‐1)、‐CH2‐(3100～2770cm‐1)和环氧基(908cm‐1)的特征吸收峰，而‐OH(3442cm‐1和1642cm‐1)的特征吸收峰几乎消失。图2中蒙脱土的XRD谱图显示其层间距为 而功能化蒙脱土的XRD谱图中衍射峰已经消失，代表蒙脱土层状结构已被插层剥离。结合FT‐IR和XRD的分析结果表明已经成功合成了功能化蒙脱土。

[0036] 3)具有普适性的生物基高效阻燃涂料的制备：在500mL四口烧瓶中加入2.00g功能化蒙脱土、2.00g羧甲基壳聚糖和200mL去离子水，超声搅拌30min使它们充分分散；加入1mol/L的醋酸溶液控制分散液pH为7，并将温度升至70℃，反应30min；自然冷却后得到具有普适性的生物基高效阻燃涂料。

[0037] 4)具有普适性的生物基高效阻燃涂料在聚合物制品中的应用：

[0038] 聚对苯二甲酸乙二酯薄膜：将聚酯膜(100mm×50mm)浸入具有普适性的生物基高效阻燃涂料中30s，取出后甩掉多余的涂料，挂在烘箱中于60℃条件下干燥0.5h。干燥后的聚酯膜倒转过来以同样的方法浸泡并干燥。上述过程为1个周期，之后再重复1个周期。最后干燥1h，然后进行垂直燃烧测试，结果如表1所示。

[0039] 聚氨酯泡沫：将聚氨酯泡沫(40mm×40mm)浸入具有普适性的生物基高效阻燃涂料中，浸泡300s，取出后将多余涂料甩掉，在烘箱中于80℃条件下干燥8h。干燥后的聚氨酯泡沫倒转过来以同样的方式浸泡并干燥12h，然后进行水平燃烧测试，结果如表1所示。

[0040] 棉织物：将棉织物样条(300mm×76mm)浸入具有普适性的生物基高效阻燃涂料中，浸泡60s，取出后将多余涂料甩掉，挂在烘箱中于60℃条件下干燥0.5h。干燥后的棉织物倒转过来以同样的方法浸泡并干燥。上述过程为1个周期，之后再重复2个周期。最后干燥2h，然后进行垂直燃烧测试。为了检测涂层的稳定性和耐水性，将一组浸涂后的棉织物样条放入洗衣机中洗涤1h，挂在烘箱中于60℃条件下干燥8h，再进行垂直燃烧测试。水洗前后的阻燃性能测试结果如表2所示。

[0041] 实施例2

[0042] 本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤1)中3.00g(约2.3mmol)蒙脱土替换为3g(11.6mmol)高岭土，插层剂用量改为4.37g(12.0mmol)，加入插层剂后超声搅拌时间延长到3h，停止超声后持续搅拌时间延长到16h。盐酸溶液用量改为20mL。步骤2)中硅烷偶联剂的用量改为3.22g(11.6mmol)。步骤3)中2.00g功能化蒙脱土替换为2.00g功能化高岭土。阻燃性能测试结果如表1所示，有关涂层稳定性和耐水性的测试结果如表2所示，有关测试方法同实施例1。

[0043] 实施例3

[0044] 本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤1)中3.00g(约2.3mmol)蒙脱土替换为3.00g(10.0mmol)磷酸锆，0.91g(2.5mmol)十六烷基三甲基溴化铵替换为5.2g(20.0mmol)四丁基氢氧化铵，插层剂滴加时间延长到1h，停止超声后持续搅拌时间延长到16h。步骤2)中硅烷偶联剂的用量改为2.78g(10.0mmol)。步骤3)中2.00g功能化蒙脱土替换为2.00g功能化磷酸锆。阻燃性能测试结果如表1所示，有关涂层稳定性和耐水性的测试结果如表2所示，有关测试方法同实施例1。

[0045] 实施例4

[0046] 本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤1)离心后的沉淀用去离子水、乙醇和二氧六环各洗两遍，然后分散于300mL二氧六环中；步骤2)中反应温度为95℃，硅烷偶联剂溶于50mL二氧六环。阻燃性能测试结果如表1所示，有关涂层稳定性和耐水性的测试结果如表2所示，有关测试方法同实施例1。

[0047] 实施例5

[0048] 本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤2)中2.56g(9.2mmol)3-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷替换为2.65g(9.2mmol)2-(3,4-环氧环己烷基)乙基三乙氧基硅烷，滴完后的反应时间延长至20h。阻燃性能测试结果如表1所示，有关涂层稳定性和耐水性的测试结果如表2所示，有关测试方法同实施例1。

[0049] 实施例6

[0050] 步骤2)中2.56g(9.2mmol)3-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷替换为2.21g(9.2mmol)3-氯丙基三乙氧基硅烷，滴加时间缩短至1h，滴完后的反应时间缩短至12h。步骤3)中的反应温度升高至80℃，反应时间延长至60min。阻燃性能测试结果如表1所示，有关涂层稳定性和耐水性的测试结果如表2所示，有关测试方法同实施例1。

[0051] 实施例7

[0052] 本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤3)中2.00g羧甲基壳聚糖改为2.00g羟丙基甲基纤维素。超声搅拌时间提高到60min，pH调节剂改为1mol/L的氢氧化钠水溶液，控制分散液pH为8。反应温度升高至90℃，反应时间延长至60min。阻燃性能测试结果如表1所示，有关涂层稳定性和耐水性的测试结果如表2所示，有关测试方法同实施例1。

[0053] 实施例8

[0054] 本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤3)中2.00g羧甲基壳聚糖改为2.00g淀粉醋酸酯。pH调节剂改为1mol/L的磷酸，控制分散液pH为5。反应温度升高至90℃，反应时间延长至90min。阻燃性能测试结果如表1所示，有关涂层稳定性和耐水性的测试结果如表2所示，有关测试方法同实施例1。

[0055] 实施例9

[0056] 本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤3)中2g功能化蒙脱土、2g羧甲基壳聚糖替换为2.50g功能化蒙脱土、1.50g羧甲基壳聚糖。阻燃性能测试结果如表1所示，有关涂层稳定性和耐水性的测试结果如表2所示，有关测试方法同实施例1。

[0057] 实施例10

[0058] 本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤3)中2g功能化蒙脱土、2g羧甲基壳聚糖替换为1.00g功能化蒙脱土、3.00g羧甲基壳聚糖。阻燃性能测试结果如表1所示，有关涂层稳定性和耐水性的测试结果如表2所示，有关测试方法同实施例1。

[0059] 实施例11

[0060] 本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤3)中2.00g功能化蒙脱土、2.00g羧甲基壳聚糖替换为1.00g功能化蒙脱土、1.00g羧甲基壳聚糖。步骤4)中聚酯膜的浸泡时间改为20s，干燥时间改为0.6h，重复3个周期；棉织物浸泡时间改为40s，干燥时间改为0.8h，重复5个周期；聚氨酯泡沫的浸泡时间改为200s，干燥时间改为6h，重复1个周期。阻燃性能测试结果如表1所示，有关涂层稳定性和耐水性的测试结果如表2所示，有关测试方法同实施例1。

[0061] 实施例12

[0062] 本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤3)中2.00g功能化蒙脱土、2.00g羧甲基壳聚糖替换为4.00g功能化蒙脱土、4.00g羧甲基壳聚糖。步骤4)中聚酯膜的浸泡时间改为40s，干燥时间改为0.4h，进行完1个周期后不再重复；棉织物浸泡时间改为90s，干燥时间改为0.4h，重复1个周期；聚氨酯泡沫的浸泡时间改为400s，干燥时间改为8h。阻燃性能测试结果如表1所示。阻燃性能测试结果如表1所示，有关涂层稳定性和耐水性的测试结果如表2所示，有关测试方法同实施例1。

[0063] 实施例13

[0064] 本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤4)中聚酯膜采用刷涂方法进行涂覆：将聚酯膜平铺在平板上，使用湿膜制备器在聚合物制品上涂覆一层厚度为500μm的具有普适性的生物基高效阻燃涂料，然后将聚合物制品连带平板放入烘箱中在60℃下干燥1h。干燥后的聚合物制品翻过来以同样的方法进行背面涂覆。上述过程为1个周期，之后再重复1个周期。最后干燥1h，然后进行垂直燃烧测试，阻燃性能测试结果如表1所示，有关涂层稳定性和耐水性的测试结果如表2所示，有关测试方法同实施例1。

[0065] 实施例14

[0066] 本实施例与实施例1的不同之处在于：步骤4)中聚酯膜采用喷涂方法进行涂覆：将聚合物制品平铺在平板上，使用喷枪(喷嘴口径为0.8mm，喷涂距离为20cm，涂料出量为190mL/min，喷枪移动速度为30cm/s)在聚合物制品上均匀涂覆一层具有普适性的生物基高效阻燃涂料，然后将聚合物制品连带平板放入烘箱中在60℃下干燥0.5h。干燥后的聚合物制品翻过来以同样的方法进行背面涂覆。上述过程为1个周期，之后再重复1个周期。最后干燥1h，然后进行垂直燃烧测试，阻燃性能测试结果如表1所示，有关涂层稳定性和耐水性的测试结果如表2所示，有关测试方法同实施例1。

[0067] 比较例1

[0068] 为了证明本发明所制备的具有普适性的生物基高效阻燃涂料可以通过简单的浸涂方法在聚合物制品上制备阻燃涂层并发挥高效的阻燃作用，以未涂覆阻燃涂料的聚酯膜(100mm×50mm)、棉织物(300mm×76mm)和聚氨酯泡沫(40mm×40mm)作为对比。阻燃性能测试结果如表1所示，有关涂层稳定性和耐水性的测试结果如表2所示，有关测试方法同实施例1。

[0069] 比较例2

[0070] 为证明本发明提供的制备方法能有效提高阻燃涂层的阻燃性能、稳定性和耐水性，以未改性的蒙脱土作为对比。

[0071] 本比较例与实施例1的不同之处在于：步骤3)中2.00g功能化蒙脱土改为2.00g未改性的蒙脱土。阻燃性能测试结果如表1所示，有关涂层稳定性和耐水性的测试结果如表2所示，有关测试方法同实施例1。

[0072] 测试方法

[0073] 1、傅里叶红外光谱(FT-IR)分析：在傅里叶红外光谱分析仪(德国布鲁克公司，型号：TENSOR27)上进行。将功能化层状纳米材料粉末与溴化钾粉末混合并压制成片，检测其-1400～4000cm 波数范围内的红外光谱信息。

[0074] 2、X射线衍射(XRD)分析：在X射线衍射仪(荷兰PANalytical公司，型号：X’Pert Pro)上进行。将功能化层状纳米材料粉末分散于溶剂中并涂抹于单晶硅片上，自然干燥让溶剂挥发。采用Cu-Kα射线以4°/min的速率扫描样品，收集样品2θ角为1-90°的衍射信息。

[0075] 3、扫描电镜(SEM)：在热场发射扫描电镜(德国卡尔蔡司公司，型号：Merlin)上进行。通过导电胶将样品粘附在样品台上，并进行表面喷金处理。以加速电压为5kV的电子束扫描成像，观察样品表面形貌。

[0076] 4、燃烧测试：

[0077] 垂直燃烧测试：按照ASTM D6413标准执行测试，将样品放置于本生灯上方19mm处，使其暴露于高度为40mm的本生灯火焰，12s后移走火焰，记录燃烧现象和数据。

[0078] 水平燃烧测试：将样品放置于丁烷喷枪喷口前方25mm处，使其暴露于长度为50mm的丁烷喷枪火焰，10s后移走火焰，记录燃烧现象和数据。

[0079] 表1

[0080]

[0081]

[0082] 表2

[0083]

[0084] 从表1可以看出，本发明所提供的具有普适性的生物基高效阻燃涂料可以对薄膜、织物和泡沫等各种聚合物制品发挥超高效的阻燃作用。如实施例3，浸涂了阻燃涂料的聚酯膜、棉织物和聚氨酯泡沫在阻燃测试过程中均能发生自熄，聚酯膜和棉织物的炭化长度分别为74mm和82mm，聚氨酯泡沫的炭化深度仅为9mm。而未涂覆阻燃涂料的聚酯膜、棉织物和聚氨酯泡沫(见比较例1)均在阻燃测试过程中剧烈燃烧，最终完全烧尽。图3为实施例3中(A)聚酯膜、(B)棉织物和(C)聚氨酯泡沫上形成的仿珍珠贝的“砖泥”结构层状阻燃涂层的扫描电镜照片(放大倍数：20.00KX)，从图中可见本发明阻燃涂料在干燥过程中可以在聚合物制品表面自行共组装形成层层紧密堆叠的结构，与自然界中珍珠贝壳层的“砖泥”结构相仿。在遭遇火焰时，层状纳米材料会催化其层间的链状天然高分子材料快速发生炭化，形成具有优异热稳定性能和阻隔性能的层状多孔炭层，对棉织物发挥超高效保护作用。

[0085] 通过表1和表2实施例1～12的数据可以看出，使用不同的层状纳米材料、硅烷偶联剂和链状天然高分子材料在不同工艺条件下制备的不同浓度的具有普适性的生物基阻燃涂料，均可以赋予薄膜、织物和泡沫等各种聚合物制品优异的阻燃性能，同时所制备的阻燃涂层在聚合物制品上具有突出的稳定性和耐水性。

[0086] 值得注意的是，相比于由未改性蒙脱土制备的阻燃涂料(见比较例2)，本发明所提供的由改性层状纳米材料制备的阻燃涂料表现出了更为优异的阻燃性能、稳定性和耐水性。如实施例1，浸涂了由改性蒙脱土制备的阻燃涂料的聚酯膜、棉织物和聚氨酯泡沫在阻燃测试过程中均快速发生自熄并保持形态完整，而浸涂了由未改性蒙脱土制备的阻燃涂料的聚酯膜、棉织物和聚氨酯泡沫在阻燃测试过程中虽然也会发生自熄，但燃烧时间延长，并且聚合物制品会被烧穿烧毁。此外，从表2中数据可以看到，实施例1～12的棉织物在经过长达1h的水洗之后，在垂直燃烧测试中依然能发生自熄。而比较例2中的棉织物水洗后直接烧尽。

[0087] 这主要是因为本发明所制备的改性层状纳米材料上的功能基团可以在干燥过程中与链状天然高分子材料和聚合物制品上的活性基团发生反应形成共价键，赋予阻燃涂层优异的稳定性和耐水性的同时，使得层状纳米材料紧密有致地堆叠在一起，在燃烧时可以形成坚固而致密的炭层。而未改性的蒙脱土与链状天然高分子材料之间仅存在氢键作用，在燃烧过程中容易受到破坏而松散脱落。

[0088] 综上所述，本发明所提供的阻燃涂料，在干燥过程中可自发共组装形成仿珍珠贝的“砖泥”层状结构。同时，功能化层状纳米材料上的功能基团可以与链状天然高分子材料上的活性基团发生反应形成共价键连接，赋予阻燃涂层优异的稳定性和耐水性。在遭遇火焰时，层状纳米材料可以催化其层间的链状天然高分子材料快速炭化，形成具有优异热稳定性能和阻隔性能的层状多孔炭层，对聚合物基体发挥高效保护作用。此外，本发明所使用的原材料无毒无害，制备工艺便捷而环保，烟雾少，并适用于多种聚合物制品(如薄膜、泡沫和织物)，因此本发明所提供的阻燃涂料可广泛应用于对阻燃和环保要求较高的交通运输、家具电器、建筑装饰和电线电缆等领域。