水性膨胀型电缆防火涂料及制备方法与流程

本发明属于电缆防火涂料领域，涉及电缆防火涂料制备技术，具体涉及水性膨胀型电缆防火涂料及制备方法。

背景技术：

1、电力电缆是电气工程中不可或缺的重要组成部分，其主要功能是传输和分配电能。随着中国经济的迅速发展，以及城市信息化和现代化的建设，对电力电缆的需求持续增加，电力电缆的安全运行显得尤为重要。电力电缆易燃且串联，因此在电缆设计中需要采用耐火、阻燃和隔热性能良好的材料，并采取合理的防火结构设计，以确保电气系统的正常运行。膨胀型防火涂料因其优异的防火性能和良好的工艺性能，在电缆防护领域得到了广泛应用。

2、常规膨胀型防火涂料通常以丙烯酸树脂或环氧树脂为基料，并搭配n-p-c三元膨胀阻燃体系。其中，聚磷酸铵用作脱水成炭催化剂，季戊四醇或双季戊四醇用作成炭剂，三聚氰胺用作发泡剂。在遇火或高温时，这些成分协同作用生成隔热碳化层，减缓火灾环境中基材升温速率。氢氧化铝（ath）作为一种常用的金属氧化物无卤阻燃添加剂，在加热下可以分解释放水蒸气，高温下可与聚磷酸铵反应释放出不燃性氨气，吸收大量热量，从而降低材料表面温度，并形成一层阻隔热层，具有阻燃、消烟、填充三大功能，广泛应用于各类防火涂料中。

3、然而，在水性涂料体系中，由于氢氧化铝的结构中每个铝离子被六个氢氧根离子包围，彼此之间通过氢键作用相互连接，基于分子间的范德华力作用，氢氧化铝可以吸附水溶液中的阴离子或小颗粒，形成絮凝体。水性防火涂料体系本身含有大量颜填料，主要以水作为稀释剂。因此，在水性涂料中使用未经处理的氢氧化铝可能会对涂料的存储稳定性和其他漆膜性能产生负面影响。

4、植酸是一种常见的生物基含磷阻燃剂，具有28%的磷含量，是植物组织中磷的主要来源，并主要存在于植物的根、茎和叶中，作为一种可循环利用的自然资源，植酸热解产生的酸可以促进含氧聚合物材料的快速脱水和炭化，形成致密的焦炭层，从而有效隔离氧气、热和挥发性可燃气体的释放。但是植酸单独作为阻燃剂使用时，其阻燃效率较低，且由于本身属于酸性物质，一般情况下不适合直接用于常规水性丙烯酸乳液体系。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种用于水性防火电缆涂料的氢氧化铝复合阻燃剂及制备方法，利用植酸协同硅溶胶改性的氢氧化铝，得到氢氧化铝复合阻燃剂，用于水性电缆防火涂料的阻燃剂时，取得了较好的阻燃效果。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供一种水性膨胀型电缆防火涂料的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、取水作为溶剂，在低转速搅拌状态下加入分散剂；

5、s2、继续低转速在搅拌状态下加入成炭剂、发泡剂、脱水成炭催化剂、颜色填料、氢氧化铝复合阻燃剂和紫外线吸收剂，加入完毕后采用高转速搅拌，并在搅拌过程中加入助溶剂，得到分散体系；

6、s3、对分散体系进行研磨，直至体系细度≤60μm，得到砂磨浆；

7、s4、取上述砂磨浆，在低转速搅拌情况下加入水性乳液，之后加入水性膨润土浆、消泡剂和助溶剂，高速搅拌后过滤掉不溶物，得到能够用于涂装的水性膨胀型电缆防火涂料。过滤后的涂料浆料也能包装后存储使用。

8、本发明还提供上述氢氧化铝复合阻燃剂的制备方法，包括以下步骤：

9、s100、将植酸（pa）均匀分散于水中进行稀释；

10、s200、向植酸分散液中加入硅溶胶水溶液，搅拌混合均匀，得到分散体系；

11、s300、采用弱碱中和分散体系至中性；

12、s400、加入氢氧化铝（ath）；

13、s500、加入研磨球进行研磨分散；

14、s600、过滤后收集滤渣，烘干后再次粉碎研磨，得到植酸协同硅溶胶改性的氢氧化铝复合阻燃剂，记为pa-si@ath复合阻燃剂。

15、进一步地，步骤s100中，所述植酸在水中分散的浓度为0.1-1g/ml。采用合适浓度的植酸能够在阻燃剂收率和产品质量上具有较好的平衡。

16、进一步地，步骤s200中，所述硅溶胶水溶液的质量浓度为25-35%。该范围内，硅溶胶水溶液能够提供较好的改性效果。

17、进一步地，分散体系中，植酸和硅溶胶的质量比为0.5:1-1:0.5，合适的质量比，使得更容易形成疏水的二氧化硅薄膜。

18、进一步地，所述分散体系在常温下搅拌1-4小时形成，该时间足够分散体系均一，又不会造成制备时间过长。

19、进一步地，所述弱碱为氨水、低浓度的氢氧化钠、氢氧化钾，最优是氨水，调节ph值同时还能提供n元素，促进膨胀阻燃。

20、进一步地，所述氢氧化铝和植酸加入的质量比为1-7:1，合适比例，有利于形成较好的隔离效果，从而使得氢氧化铝的防火功能得到充分发挥。

21、进一步地，步骤s500中，所述研磨球为锆珠，研磨后细度不大于20微米。

22、更进一步地，所述锆珠的粒径为1-2mm。

23、进一步地，步骤s600中，所述滤渣收集方式为离心过滤收集，收集后多次进行清水漂洗。

24、进一步地，步骤s600中，再次粉碎研磨后过300目筛子得到粉末状的氢氧化铝复合阻燃剂。

25、进一步地，以重量计，所述水性膨胀型电缆防火涂料的原料组成如下：

26、水性乳液20-40份、分散剂0.1-1.5份、成炭剂7-15份、发泡剂7-15份、脱水成炭催化剂20-30份、颜色填料5-10份、氢氧化铝复合阻燃剂3-10份、紫外线吸收剂1-2份、助溶剂2-6份、水性膨润土浆0.5-1.5份、消泡剂0.1-1份、去离子水10-30份。

27、进一步地，所述成炭剂为季戊四醇、双季戊四醇、酚醛树脂、聚酰胺、丁四醇、环己六醇及嗪类化合物中的任意一种或几种，最优为季戊四醇。

28、进一步的，发泡剂为含氮化合物，如尿素、三聚氰胺、聚酰胺等，最优为三聚氰胺。

29、进一步地，所述脱水成炭催化剂为聚磷酸铵、磷酸酯、硼酸中的任意一种或几种，最优为聚磷酸铵。

30、进一步地，所述颜色填料为钛白粉、滑石粉、硫酸钡、碳酸钙、硅灰粉中的任意一种或几种混合，最优为钛白与滑石粉混合物。

31、进一步地，所述助溶剂为十二碳醇酯、丙二醇、二丙二醇甲醚、二丙二醇丁醚、乙二醇苯醚、乙二醇丁醚中的任意一种或者几种混合，最优为十二碳醇酯和丙二醇。

32、进一步地，所述紫外线吸收剂包括uv-531、tinuvin 1130等。

33、进一步地，所述水性乳液为丙烯酸乳液或醋酸乙烯/丙烯酸酯共聚物，如天合th-6681a，瓦克ez 3066，昕特玛 emultex fr 728，巴德富rs-6066等，最优为rs-6066。

34、进一步地，所述水性膨润土浆为byk laponite rd，海明斯bentone lt，clayminton hw等，具体可选rd。

35、进一步地，所述消泡剂为矿物油类、有机硅类、聚醚类、聚醚改性有机硅类，如byk024、028、afcona-2503、2505，tego 810等，最优为byk024。

36、进一步地，所述分散剂为磺酸盐类、磷酸盐类、多元醇型、高分子型，如byk190，tego755w，具体选择含颜料亲和基团的高分子共聚物分散，如byk190。

37、进一步地，步骤s1中，加入分散剂时，低速搅拌的速度为600～800rpm，搅拌时间为5～8min。

38、进一步地，步骤s2中，低转速与步骤s1中相同，高速搅拌的速度为1500-2500rpm，搅拌时间为10～15min。

39、进一步地，步骤s2中，高速搅拌过程中，可以采用部分去离子水和助溶剂清洗搅拌轴。

40、进一步地，步骤s3中，研磨方式为加入玻璃珠，将搅拌轴上的搅拌桨更换为砂磨盘，通过搅拌轴驱动砂磨盘高速转动进行研磨；研磨后过滤去掉玻璃珠得到砂磨浆。

41、进一步地，步骤s4中，低转速搅拌的转数为600～800rpm。加入乳液后继续搅拌5～10min。

42、进一步地，步骤s4中，高速搅拌的转数为1500～2500rpm，搅拌分散时间为10～20min。

43、另一方面，本发明还提供一种水性膨胀型电缆防火涂料，采用上述制备方法所制备。

44、本发明氢氧化铝复合阻燃剂用于水性防火电缆涂料中阻燃机理如下：

45、硅溶胶是纳米级的二氧化硅颗粒分散在溶剂中的分散液，二氧化硅在燃烧时，可以裂解炭层并提高炭层的抗氧化性，起到一定的阻燃效果。在条件合适的情况下，可以通过溶胶-凝胶方法在氢氧化铝表面形成一层疏水的二氧化硅薄膜，切断铝离子水解电离产生的吸附絮凝机制，同时又保留氢氧化铝完整的结构。纯二氧化硅包覆不利于分散，进一步的，将植酸与硅溶胶通过硅羟基与氢离子接枝键合，形成亲水性有机分子链段，可以促进在水中的均匀分散，增强与体系的相容性，如图6所示。基于上述方法，制备得到pa-si@ ath复合阻燃剂。最后将pa-si@ath复合阻燃剂加入到水性电缆涂料体系中，制备出具有良好防火性能与抑烟性能的防火涂料。

46、膨胀型防火涂料的涂层在遇火或高温时，聚磷酸铵受热分解生成酸性物质聚磷酸，随后聚磷酸与多元醇化合物(季戊四醇或双季戊四醇)发生酯化反应，产物脱水成炭形成炭层，此时基料树脂发生熔融。酯化反应产生的水蒸气、氨气等和由三聚氰胺产生的不燃性气体填充到炭层中去，使体系膨胀发泡，形成了多孔泡沫炭层。然而此时形成的膨胀碳层结构疏松，强度低，易出现松散脱落的问题。本发明的pa-si@ath基复合阻燃材料，可产生分段式阻燃效果，有效协助延长体系碳层膨胀时间与强度并降低基材升温速率，具有催化阻燃体系反应、增加成炭量、提高炭层品质等作用。在燃烧初始，最外层的植酸与聚磷酸铵协同作用，基团分解产生一些含磷自由基，如 hpo•、po•和 hpo2•,可以捕获聚合物材料燃烧过程中产生的活性 ho•和 h•，扑灭燃烧链式反应，从而降低底物的可燃性，促进水性丙烯酸聚合物的快速脱水和炭化；之后，阻燃材料外壳中二氧化硅在季戊四醇的催化成碳反应中参与生成具有si-o键和(或)si-c键的无机隔氧绝热保护层及膨胀碳层，提高物理屏障作用；最后，内核中的氢氧化铝进一步在高温下所释放出水气稀释氧气浓度，延缓高分子材料的热分解，并与剩余的聚磷酸铵在高温下发生反应生成磷酸铝，形成保护层，进一步提高了碳层强度以及残碳率。

47、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

48、（1）阻燃抑烟效率高，通过植酸、二氧化硅与氢氧化铝的协同作用，可产生分段式阻燃效果，有效协助延长体系碳层膨胀时间与强度并降低基材升温速率，具有催化阻燃体系反应、增加成炭量、提高炭层品质等作用。

49、（2）植酸改性硅溶胶包覆氢氧化铝，既保留了氢氧化铝的完整结构，又促进了其在涂料体系中的更均匀分散，提高相容性的同时提高了涂料的综合性能。

50、（3）制备工艺简单，通过温和的反应与制备工艺即可得到pa-si@ath复合阻燃剂，并进一步通过合理的工艺优化制备防火涂料，具有低成本、质量稳定的特点。

51、（4）无卤环保，pa-si@ath复合阻燃剂，属于无卤阻燃，无毒高效，对于环保产业的发展以及绿色阻燃剂的广泛使用具有很强的现实意义，适应了阻燃剂无卤化的趋势。

52、（5）本发明采用氢氧化铝复合阻燃剂搭配n-p-c三元阻燃体系，产生分段式阻燃效果，有效延长碳层膨胀与并降低基材升温速率。