一种膨胀型阻燃粉末涂料的制备与应用的制作方法

本发明涉及膨胀型阻燃粉末涂料，具体涉及一种超薄型环氧树脂基膨胀型阻燃粉末涂料。

背景技术：

1、阻燃涂料是一种特种功能涂料，将其涂装在物体表面，可以防止火警发生，或阻止火势蔓延传播，或隔离火源、延长基材着火时间，或增大绝热性能以推迟结构破坏时间的一类涂料的总称。

2、膨胀型阻燃涂料是实际生产应用最多的一类阻燃涂料，膨胀型阻燃涂料主要由基料、脱水催化剂、炭化剂、发泡剂、阻燃剂、颜填料、助剂和分散介质组成。钢结构防火阻燃涂料是膨胀型防火阻燃涂料的主要应用。涂层厚度在3mm以内，耐火极限达0.5-1h的防火涂料称为超薄型钢结构膨胀防火涂料。

3、由于粉末涂料具有无溶剂挥发、减少了大气污染、不存在有机溶剂引起的火灾危险，膨胀阻燃型粉末涂料得到了快速发展。目前超薄型钢结构防火粉末涂料的耐火性能基本在涂层厚度2mm、耐火时间60min左右，涂料的涂覆厚度仍然偏厚，经济性差，而且防火阻燃性能还需得到进一步的提升。

4、申请号为200510126070.2的中国发明专利公开了一种适用于钢结构的膨胀型阻燃环氧树脂粉末涂料及其制备方法，其得到了一种以磷酸二异辛酯改性环氧树脂为成膜树脂、以双氰胺为固化剂体系的膨胀阻燃涂料。但是该涂料的喷涂厚度为2.5-3cm，经济性较差，且施工较为复杂。而且，该涂料所得涂层的附着力为1级，涂层的耐化学品测试结果也不甚理想，仍然达不到某些特定应用要求。

5、申请号为200710017706.9的中国发明专利公开了用于超薄型钢结构的防火粉末涂料及其制备方法，其是先制备了四溴双酚a环氧树脂，再与膨胀型阻燃剂等原料制备了防火粉末涂料。但是该专利文件并未记载所得涂料的防火阻燃性能。

6、笼型聚倍半硅氧烷(poss)是一种高性能的有机无机杂化材料，其以poss为无机成分，poss的硅原子上连接的有机取代基为有机成分，因此，无机相与有机相间通过强的化学键结合从而很好地克服了无机粒子的团聚和有机无机两相界面结合力弱的问题。因此，poss是一种性能优异的杂化材料，其很容易通过共聚、接枝或共混等方式与聚合物基体进行复合，以提升聚合物基体的耐温、阻燃、增韧等性能。

7、申请号为200910054551.5的中国发明专利公开了一种基于倍半硅氧烷改性超薄型防火涂料聚合物基体的制备方法，其是将poss以物理或化学的方法引入到涂料基体树脂中，poss的添加量为0.1-20wt％。但是该专利文件中并未记载所得涂料的任何性能，如耐热性能或阻燃性能。然而，事实上，poss与涂料基体树脂的相容性较差，加入poss的量过多，所得涂料储存稳定性差，并且所得涂层容易形成缺陷。而加入poss的量少，则对涂料的应用性能提升较为有限。

8、申请号为201010179346.4的中国发明专利公开了一种poss/环氧纳米杂化材料及其制备方法和应用，其公开了得到的纳米杂化材料具有优异耐热性、耐老化性、透明性等性能，但并未公开纳米杂化材料的具体应用，也并未关注到材料的阻燃性能。而且该申请的具体实施例中添加了高含量的多环氧基团的poss，多环氧基团的poss在固化过程中会形成大量的交联结构，导致涂层的附着力、施工性能变差，并不适合涂料的应用。

9、氢氧化铝是常见的阻燃剂，其阻燃的原理是氢氧化铝受热分解时释放出结晶水。该过程为强吸热反应，吸收大量的热量，可起到冷却聚合物的作用，同时反应产生的水蒸气可以稀释可燃气体，抑制燃烧的蔓延。新生的耐火金属氧化物氧化铝具有较高的活性，它会催化聚合物的热氧交联反应，在聚合物表面形成一层炭化膜，炭化膜会减弱燃烧时的传热、传质效应，从而起到阻燃的作用。同时氧化铝还能吸附烟尘颗粒，起到抑烟作用。

10、申请号为201910442743.7的中国发明专利公开了一种防火粉末涂料，其是将氢氧化铝作为聚酯树脂基粉末涂料主要的阻燃填料，在粉末涂料中加入氢氧化铝提高了涂料的防火性能。但是阻燃填料氢氧化铝的粒径要控制在3000目以下，否则会严重影响粉末涂料的流平效果。

11、申请号为201510232259.3的中国发明专利公开了poss和氢氧化铝复合阻燃材料，并公开了将复合阻燃材料作为塑料的阻燃剂的阻燃效果优于相同量的poss或氢氧化铝。但是该发明专利文件中并未涉及将阻燃剂作为涂料的阻燃剂的应用，没有考虑到复合阻燃剂在涂料的施工、形成涂层的固化成膜等问题。

12、虽然现有技术公开了用poss与环氧树脂制备阻燃涂料、或公开了将氢氧化铝作为聚合物材料或涂料的阻燃剂，但是将高含量的poss直接加入到环氧树脂基涂料中，所得涂料容易出现附着力差、交联过度导致涂层耐冲击性差的问题，而且难以获得涂层没有缺陷的超薄涂层。而加入的氢氧化铝用量过高，其在聚合物基质中的分散性变差，难以进一步提升涂层的阻燃性能，而且可能导致涂层的其它应用性能变差。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种膨胀型阻燃粉末涂料及其制备方法。本发明所得粉末涂料能够得到超薄涂层，涂层厚度为0.3-0.7mm，所得涂层具有防火阻燃性能、耐机械冲击性能、耐化学品性能好和附着力优异的特点，所得涂料能够作为超薄型钢结构膨胀防火涂料。另外，本发明所得涂料的涂层可以实现低温固化，节约了能源，并可以将涂料拓展应用于热敏基材的表面涂覆。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、一种膨胀型阻燃粉末涂料，以质量百分比计，所述粉末涂料的原料包括如下组分：成膜树脂30-50％，复合阻燃剂25-40％，poss基环氧固化剂8-15％，环氧基poss改性氢氧化铝5-15％，颜填料2-5％，助剂0.1-3％；

4、所述复合阻燃剂以质量百分比计的组成为：成炭剂20-35％，成炭催化剂30-50％，发泡剂20-35％；

5、所述环氧基poss改性氢氧化铝是包括含有硅醇基团的笼状聚倍半硅氧烷、硅烷偶联剂kh-560、纳米氢氧化铝的反应产物；

6、所述poss基环氧固化剂是包括含伯氨基团的笼状聚倍半硅氧烷与羰基二咪唑、苯胺或苯胺衍生物的反应产物。

7、进一步地，所述成膜树脂包括环氧树脂、聚酯树脂中的一种或多种，所述环氧树脂包括双酚a型环氧树脂、邻甲酚醛环氧树脂、双酚f型环氧树脂、双酚s型环氧树脂中的一种或多种。

8、进一步地，所述聚酯树脂为酸值在50-80mgkoh/g之间的饱和羧基聚酯树脂。

9、进一步地，所述双酚a型环氧树脂为e-20、e-12、e-06中的一种或多种。

10、进一步地，所述poss基环氧固化剂的制备方法包括如下步骤：

11、s1：在室温下，向八氨基丙基poss、三乙胺、四氢呋喃混合液中加入羰基二咪唑，反应0.5-4h，然后加入含有苯胺或苯胺衍生物的n,n-二甲基甲酰胺溶液，再搅拌反应6-12h，得到反应混合物；

12、s2：将反应混合物倒入水中，萃取、洗涤、干燥、分离，得到poss基环氧固化剂。

13、进一步地，所述环氧基poss改性氢氧化铝的制备方法包括如下步骤：

14、ss1：将纳米氢氧化铝加入到质量百分比为40-95％乙醇水溶液中，超声分散0.5-2h，得到纳米氢氧化铝分散液；

15、ss2：将含有硅醇基团的笼状聚倍半硅氧烷和无水乙醇加入到具有回流装置容器的恒温磁力搅拌水浴槽中，搅拌得到均匀混合溶液，然后一边搅拌一边将蒸馏水滴加入混合溶液中，升温保持回流；

16、所述含有硅醇基团的笼状聚倍半硅氧烷为四硅醇苯基化笼形倍半硅氧烷、三硅醇苯基化笼形倍半硅氧烷、三硅醇异辛基笼形聚倍半硅氧烷、三硅醇异丁酯化笼形倍半硅氧烷、三硅醇乙酯化笼形倍半硅氧烷中的一种或多种；

17、ss3：将纳米氢氧化铝分散液和硅烷偶联剂kh-560同时缓慢加入步骤ss2的回流液中，滴加完后，继续反应5-12h，然后过滤，将固体物进行真空干燥、过筛，得到环氧基poss改性氢氧化铝。

18、进一步地，所述成炭剂包括季戊四醇、山梨醇、淀粉、二季戊四醇、葡萄糖中的一种或多种。

19、进一步地，所述成炭催化剂包括碳酸氢铵、磷酸氢二铵、聚磷酸铵、磷酸铵中的一种或多种。

20、进一步地，所述发泡剂包括双氰胺、三聚氰胺、甘氨酸、尿素、氯化石蜡中的一种或多种。

21、进一步地，所述颜填料包括钛白粉、炭黑、硫酸钡、硅微粉、滑石粉、云母粉、碳酸钙中的一种或多种，所述助剂包括流平剂、脱气剂、增光剂、增电剂、纹理剂中的一种或多种。

22、本发明提供一种膨胀型阻燃粉末涂料的制备方法，制备方法包括如下步骤：

23、(1)按比例称取粉末涂料的各原料组分，加入到混料器中，混合均匀并破碎得到混合料；

24、(2)将混合料送入挤出机中挤出，挤出温度为80-100℃；

25、(3)将挤出后的物料经压片、冷却、粉碎、筛分，选取d50粒径为20-50微米的粉末，即得到粉末涂料成品。

26、本发明提供一种膨胀型阻燃粉末涂料的应用，用高压静电方法或流化床法涂装于金属基材或热敏基材上，固化温度为130-160℃，固化时间为5-30min。

27、进一步地，所述金属基材为钢结构，所述热敏基材为中密度纤维板、夹芯板、电木板。

28、本发明的有益效果如下：

29、本发明采用含有硅醇基团的笼状聚倍半硅氧烷、硅烷偶联剂kh-560对氢氧化铝溶胶进行改性，得到含有环氧基团的poss改性氢氧化铝，并将其作为膨胀阻燃涂料的阻燃剂。相比常规的氢氧化铝阻燃剂，含有环氧基团的poss改性氢氧化铝与基体树脂的相容性更好，其在涂层中的分散性更好，并且引入了poss结构，有效提升了涂层的阻燃性能、机械性能等应用性能。而且含有环氧基团的poss改性氢氧化铝含有环氧基反应官能团，能够参与固化反应，与同样含poss结构的固化剂反应，并通过共价键形成稳固的poss链接结构，在不影响poss在涂层基质中的分散性的前提下，有效提升了涂层中poss结构的含量，从而能够在薄涂的情况下，也能获得耐火极限大于60min、且附着力为0级的技术效果。

30、本发明的固化剂为含有poss的脲类中低温固化剂，其可以与含有环氧基团的poss改性氢氧化铝通过固化反应形成键接结构，有效提升了涂层的交联密度，并提升了涂层中的poss结构含量。使得涂膜具有优异的阻燃性能、耐腐蚀性能与耐冷热冲击等性能。而且该固化剂为中低温固化剂，不需要添加固化促进剂即可在较低温下与环氧树脂发生交联反应固化成膜，节省了能源。