一种具有强粘附性能的生物基膨胀型水性阻燃涂料及其制备方法

本发明涉及一种具有强粘附性能的透明生物基膨胀型水性阻燃涂料及其制备方法，以及该阻燃涂料在塑料、木材、硬质聚氨酯泡沫、墙纸等基材表面的应用，属于环保水性膨胀型阻燃涂料制备。

背景技术：

1、许多可燃和易燃材料在燃烧过程中会释放大量热量并产生浓烟和有毒有害气体，因这些材料引发的火灾每年都会对人类生命和财产安全构成严重威胁。尽管传统的阻燃技术已经取得了一些成效，但随着对阻燃性能要求的不断提升，如高阻燃效率、阻燃持久性、低热释放、少烟雾、低有毒有害气体排放等，以及不能因为提升阻燃性能影响甚至恶化易燃材料的固有性能，使得阻燃应用遇到了越来越多的挑战。

2、阻燃涂料是一种功能性材料，一般是在不具备阻燃性能的成膜剂中添加阻燃剂来实现阻燃或防火功能，多用于木材阻燃和钢板防火。阻燃涂料施工简单，可以采用辊涂、浸涂、刷涂、喷涂多种施工方式，阻燃涂层可以起到装饰和保护基材的作用，同时降低火焰对基材的影响。水性涂料因不含有机溶剂而成为新型环保涂料，成膜剂主要为水性有机树脂（水性聚氨酯、水性丙烯酸酯、水性环氧树脂等），向其中添加阻燃剂后可制成水性阻燃涂料。近年来，生物基材料由于具有绿色、环保、可再生的优点而备受关注，因而生物基涂料成为涂料行业降碳减排的关键。

3、中国专利cn112662235a公开了“一种水性生物基阻燃发光涂料及其制备方法和应用”，该方法制备的水性生物基阻燃发光涂料，其应用于制备阻燃木材，将涂料直接刷涂到木材表面，室温下晾干12h以上。但该涂层与基体之间的结合力不详，且不具有透光性，涂层干后在自然光下呈乳白色，黑暗中发光，不适用于某些需要保留其本身特质的材料。中国专利cn112175435a公开了“一种铝合金门窗用的阻燃抗菌涂层及其制备方法”， 该方法制成的阻燃抗菌涂料喷涂在铝合金门窗表面2-3层，待阻燃抗菌涂料在铝合金门窗表面完成固化成膜后，形成阻燃抗菌涂层；但该阻燃抗菌涂料用料种类繁多，制备步骤繁琐。中国专利cn116239931a公开了“一种植酸络合铜离子h-bn基水性环氧膨胀防火涂料的制备”，该发明涂料制备过程中用到三聚氰胺(mel)、季戊四醇(per)和聚磷酸铵(app)，没有摆脱对不可再生资源的运用；且涂料制备步骤繁琐，刷涂完成后常温固化7天，40℃烘烤3天，固化时间长，固化条件苛刻。中国专利cn202211697762.2公开了“一种内墙涂料用生物基膨胀型阻燃剂的制备方法”，所得生物基膨胀型阻燃剂需要添加成膜剂进行使用。

4、上述阻燃涂料均为添加型阻燃涂料，阻燃剂的添加会破坏成膜相的连续性，导致涂层附着力和力学性能降低，而附着力的大小直接影响阻燃涂层的稳定性和长效性，也会影响火焰中所形成炭层的牢固性，因此，高附着力是阻燃涂层的必备性能之一。此外，添加型阻燃涂料一般不透明，限制了其应用领域。因此，开发一种兼具阻燃、强粘附、透明、抗菌等性能，且适用于不同基材的生物基水性阻燃涂料具有重大的现实意义和应用价值，不仅满足绿色环保理念，还可拓宽阻燃涂料的应用范围。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种具有强粘附性能的生物基膨胀型水性阻燃涂料及其制备方法，所得涂料兼具阻燃、强粘附、透明、抗菌等性能，且适用于不同基材，不仅满足绿色环保理念，还可拓宽阻燃涂料的应用范围。

2、本发明的机理说明：本发明通过溶胶-凝胶法，将葡萄糖酸盐、植酸和壳聚糖盐在常温下反应形成一种具有阻燃性的功能涂料。葡萄糖酸盐和壳聚糖盐结构中具有丰富的羟基，在植酸的强螯合和脱水作用下，形成化学交联结构。与此同时，剩余的羟基和氨基之间由于氢键作用，共同形成物理和化学交联的网状结构，阻燃体系同时也是成膜体系，因此该涂料无需单独添加成膜物质，具有本征阻燃特点，与添加型阻燃涂料相比，该涂料的连续相未遭破坏，阻燃成份分布更均匀，阻燃效率更高。

3、葡萄糖酸盐、壳聚糖盐和植酸组成的三元体系中含有大量的羟基，所形成的涂层与基体表面的活性官能团发生氢键作用，从而使涂层具有强粘附性。该三元体系中，壳聚糖盐和葡萄糖酸盐可以充当阻燃涂层中的碳源和气源，植酸充当酸源，完全满足膨胀型阻燃要求。涂覆在被保护基材上的阻燃涂层在高温或者火焰作用下，涂层剧烈膨胀炭化发泡，形成比原涂层厚度大好几十倍的不燃蜂窝状炭质层，蜂窝状结构内充满不燃性气体，产生良好的隔热效果，有效阻止热量向基材传递，并能使被保护基材在一定时间内保持较低温度；其次，涂层的软化、熔融、膨胀等物理变化及涂料中植酸、壳聚糖盐和葡萄糖酸盐的分解和交联炭化等化学作用会吸收大量热量，降低燃烧温度和火焰传播速度；第三，金属离子可以起到催化成炭和稳固炭层的作用，进一步帮助阻燃涂层获得优异的阻燃性能。

4、本发明的阻燃涂层高度透明，透光率在90%以上，不但起到装饰美观的作用，还扩大了阻燃涂层的应用范围。壳聚糖盐、金属离子和植酸都具有抗菌性，赋予了阻燃涂层抗菌性能。此外，该阻燃涂料为水性涂料，阻燃剂均为生物质材料，来源广泛，涂料制备方法简单，绿色节能。

5、本发明提供了一种具有强粘附性能的生物基膨胀型水性阻燃涂料，由以下重量份的原料制成：

6、去离子水                               100-300份

7、葡萄糖酸盐                             10-40份

8、壳聚糖盐                               10-30份

9、植酸                                   40-45份

10、抗老化剂                               1-2份

11、抗冻融助剂                             0.3-0.4份。

12、上述方案中，所述的葡萄糖酸盐包括但不限于葡萄糖酸钙、葡萄糖酸钠、葡萄糖酸镁中的一种或它们的组合物（多种组合时以任意比例混合）。

13、上述方案中，所述的壳聚糖盐包括但不限于壳聚糖季铵盐、壳聚糖盐酸盐、壳聚糖乳酸盐、壳聚糖硝酸盐中的一种或它们的组合物（多种组合时以任意比例混合），取代度≥80%。

14、上述方案中，所述的植酸为50-70wt.%的植酸溶液。

15、上述方案中，所述的抗老化剂为包括uv-770、uv-531、抗老化剂1010中的任意一种，以提高涂层的抗老化能力。

16、上述方案中，所述的抗冻融助剂为科莱恩环保耐擦洗抗冻融助剂genapol 2070，以提高涂料的抗冻融性。

17、本发明提供了上述具有强粘附性能的生物基膨胀型水性阻燃涂料的制备方法，包括以下步骤：

18、（1）于烧杯中加入去离子水、葡萄糖酸盐，在50-80℃的水浴锅中搅拌至完全溶解；

19、（2）溶液冷却至常温后，缓慢加入壳聚糖盐，在常温下，以100-200 rmp的速度搅拌1-1.5 h，使其分散均匀；

20、（3）缓慢加入植酸溶液，在常温下，以100-200 rmp的速度搅拌30-60 min；

21、（4）加入抗老化剂和抗冻融助剂，以100 rmp的速度搅拌20 min；混合均匀后即得到强粘附性能的生物基膨胀型水性阻燃涂料。

22、本发明提供了上述具有强粘附性能的生物基膨胀型水性阻燃涂料的应用。

23、本发明提供的具有强粘附性能的生物基膨胀型水性阻燃涂料应用范围包括但不限于塑料、木材、墙纸、硬质聚氨酯泡沫、钢材等基材。

24、本发明提供的具有强粘附性能的生物基膨胀型水性阻燃涂料在应用于塑料或者其他表面极性低的基体时需要对基体表面进行简单预处理，包括火焰灼烧法、打磨法和附着力处理剂处理法中的其中任意一种。

25、本发明提供的具有强粘附性能的生物基膨胀型水性阻燃涂料，适用的漆涂方式有：刮涂、刷涂、浸涂或辊涂。涂层在15~35℃下干燥18~24 h，干后涂层厚度超过200 μm时建议多次涂覆。

26、本发明提供的具有强粘附性能的生物基膨胀型水性阻燃涂料作为阻燃涂料应用于钢板防火时，需要在钢板表面预先涂抹丙烯酸乳液、有机硅树脂或木蜡油其中任意一种作为底漆，厚度约50~150 μm，底漆干后，在涂有底漆的钢板表面涂覆本发明的阻燃涂料作为面漆，阻燃涂层厚度应≥1500 μm，分4-6次涂覆。

27、本发明提供的具有强粘附性能的生物基膨胀型水性阻燃涂料因其强粘附性满足粘结剂要求，也可作为阻燃粘结剂应用于各种材料的粘结。

28、本发明的有益效果：

29、（1）本发明的阻燃涂料适用于多种基材，即使是表面能非常低的聚烯烃材料，也可以通过对其表面进行简单处理（火焰灼烧法、打磨法和附着力处理）后，获得界面结合牢固的涂层，解决了涂层与基体之间因结合力弱导致涂层使用寿命低的问题，扩大了涂层的应用范围；

30、（2）本发明的阻燃涂料阻燃效率高，涂层厚度在200 μm左右就能有效阻燃聚丙烯，垂直燃烧通过ul-94 v-0级，loi为46.1%，遇火后涂层迅速膨胀约100倍，炭层内部呈蜂窝状，炭层表面连续致密，凝聚相阻燃效果显著；

31、（3）本发明的阻燃涂料制备方法简单，涂层高度透明、光滑，具有加工方便、节能减排、应用广泛等优点；

32、（4）本发明的阻燃涂料为水性涂料，原料为葡萄糖酸盐、壳聚糖盐、植酸，属于生物质可再生资源，具有绿色环保的优点；且具有良好的抗菌性能。