一种阻燃气雾型生物基水性保护剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及生物基涂料，特别涉及一种阻燃气雾型生物基水性保护剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、我国悠久的历史长河中，保留了大量的木质古建筑，随着社会经济的发展，木质古建筑成为了旅游和休闲的热点，但大多木质古建筑都由于风吹日晒、雨打潮湿和外力破坏等情况受到了一定程度的损坏，所以需要对这些损坏进行一定程度的修缮，同时由于古建筑比较密集，防火分隔较小，人员疏散比较困难，且建筑物本身耐火等级低，火灾隐患较大，没有经过阻燃处理的古建筑木构件与布类装饰物均为可燃物，容易引发火灾，如果不采取科学及时的消防安全保护措施，将会导致不可逆的破坏。

2、近年来，国内外学者从材料阻燃处理、表面防护、木构件的结构设计、防火设计等方面来实现木质古建筑隔热、隔氧、抑制燃烧的目的，通过材料阻燃处理和表面防护是目前最常用的方法，而材料阻燃处理中的阻燃剂虽然进行了大量的研究工作，但是真正在古建筑实践应用的阻燃剂较少，因此通过表面防护处理提高抗火性能、耐火极限和降低火焰燃烧速度成为古建筑的有效防火途径。在木质古建筑修复时，为了达到修旧如旧的目的，多采用溶剂型涂料，其中含有的有机挥发物具有刺激性气味，且对人体和环境有毒有害，而在“双碳”目标的推动和水性涂料技术的发现下，作为石化材料的替代，基于生物质的生物基树脂正在被开发和应用，通过使用这种生物基树脂开发环保水性的木质古建筑保护剂，以达到减少碳排放、人体伤害和环境污染的目的，是可以进行研究的方向。

3、由于木质古建筑修复材料有着各方面特殊性能要求，如阻燃性、耐候性、耐水性等，且由于大多木质古建筑结构复杂，一般刷涂、喷涂的施工难度大，复杂榫卯结构处存在涂层不全面、不均匀等问题，而迄今为止已开发使用的生物基树脂制造的木质古建筑涂料与使用传统石油化合物的树脂相比物理性能存在差距，因此亟需开发一种施工方便且阻燃性良好的气雾型生物基水性保护剂来应对未来木质古建筑修缮保护的需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明提出了一种阻燃气雾型生物基水性保护剂及其制备方法和应用。

2、本发明提供一种阻燃气雾型生物基水性保护剂，按重量份计，包括如下组分：纳米改性生物基水性丙烯酸乳液40-60份，如40、42、45、48、50、52、55、58、60份；脲化合物3-5份，如3、4、5份；纳米分散液3-5份，如3、4、5份；消泡剂0.1-0.5份，如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5份；成膜助剂4-8份，如4、5、6、7、8份；流平剂0.1-0.5份，如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5份；分散剂1-4份，如1、2、3、4份；透明粉2-4份，如2、3、4份；ph调节剂0.5-5份，如0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5份；防沉剂0.5-5份，如0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5份；防腐剂0.05-0.2份，如0.05、0.1、0.15、0.2份；去离子水20-35份，如20、22、25、28、30、32、35份；抛射剂2-5份，如2、3、4、5份；

3、其中，脲类化合物作为添加剂应用于涂料中，脲类化合物与甲醛反应可以形成无害的非挥发性分子，降低人造木材中甲醛的释放，从而减少对人体和环境的伤害；透明粉可以增加保护层的附着力、耐磨性和阻燃性，同时赋予保护膜哑光特性，实现木质古建筑修旧如旧。

4、进一步地，所述纳米改性生物基水性丙烯酸乳液按重量份计，包括如下组分：甲基丙烯酸5-10份，如5、6、7、8、9、10份；苯乙烯磺酸钠0.5-5份，如0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5份；甲基丙烯酸甲酯5-10份，如5、6、7、8、9、10份；丙烯酸乙酯10-20份，如10、12、14、16、18、20份；乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯1-5份，如1、2、3、4、5份；甲基丙烯酸月桂酯10-20份，如10、12、14、16、18、20份；生物基油脂5-10份，如5、6、7、8、9、10份；纳米分散液5-10份，如5、6、7、8、9、10份；阴离子乳化剂1.3-1.9份，如1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9份；引发剂0.1-0.5份，如0.1、0.2、0.3、0.4、0.5份；杀菌剂0.05-0.5份，如0.05、0.1、0.2、0.25、0.3、0.4、0.5份；消泡剂0.05-0.5份，如0.05、0.1、0.2、0.25、0.3、0.4、0.5份；中和剂0.9-1.5份，如0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5份；去离子水35-60份，如35、40、45、50、55、60份。

5、进一步地，所述纳米分散液按重量份计，包括如下组分：氯化硼15-25份，如15、16、18、20、22、24、25份；磷酸钾5-10份，如5、6、7、8、9、10份；硅烷偶联剂5-7份，如5、6、6.5、7份；生物基二元醇4-8份，如4、5、6、7、8份；碱性溶液3-5份，如3、3.5、4、4.5、5份；去离子水45-68份，如45、47、50、56、60、65、68份。

6、进一步地，所述脲化合物选自亚乙基脲或亚丙基脲中的任意一种。

7、进一步地，所述生物基油脂选自从自然界动植物中直接提取的油脂或化学法改性的衍生物，优选为一酰基甘油、二酰基甘油或三酰基甘油中的任意一种或多种；其中，包含但不限于甘油与脂肪酸结合而形成的一酰基甘油、二酰基甘油或三酰基甘油、环氧化改性或环氧丙烯酸改性的一酰基甘油、二酰基甘油或三酰基甘油；所述脂肪酸包含但不限于含8-22个碳原子的饱和或不饱和脂肪酸，所述饱和或不饱和脂肪酸通过天然获得、加氢或部分加氢反应获得。

8、进一步地，所述生物基二元醇选自生物基乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、2,3-丁二醇、1,2-戊二醇、1,5-戊二醇中的一种或多种。

9、进一步地，所述纳米分散液的制备方法如下：

10、将25份去离子水、碱性溶液、生物基二元醇组分依次投入反应釜，开启搅拌；在高位槽中加入剩余的去离子水，搅拌下将氯化硼、磷酸钾和硅烷偶联剂依次慢速加入高位槽中，搅拌形成均匀的溶液；

11、将高位槽中的溶液匀速滴入反应釜中，滴加时间为3.0-3.5h，滴加完成后，继续反应1.0-1.5h，升温至80-85℃反应2.0-2.5h，降至室温；

12、将反应釜中的溶液在真空压力下抽滤，去除固体杂质，所得液体即为水性纳米分散液。

13、所述碱性溶液选自氢氧化钾或氢氧化钠(20％)水溶液、氨水、一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、三乙胺中的至少一种；

14、所述硅烷偶联剂选自正己基三氯硅烷、正己基三甲氧基硅烷、正己基三乙氧基硅烷、正辛基三氯硅烷、正辛基三甲氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷、十二烷基三氯硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷中的至少一种；

15、纳米分散液通过对生物基水性丙烯酸乳液的改性以及在气雾型生物基水性保护剂中的添加，提高了气雾型生物基水性保护剂的阻燃性能和渗透性能，尤其在木质古建筑表面喷涂保护剂后可以防止火灾对木质古建筑的破坏。

16、进一步地，所述纳米改性生物基水性丙烯酸乳液的制备方法如下：

17、将20-30份去离子水、0.5-0.6份阴离子乳化剂依次投入高位槽，开启搅拌后将甲基丙烯酸1-5份、苯乙烯磺酸钠、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、乙酰乙酸甲基丙烯酸乙二醇酯、甲基丙烯酸月桂酯、生物基油脂依次加入高位槽搅拌乳化30分钟以上，形成均匀的混合单体乳化液；

18、将剩余份数的去离子水和阴离子乳化剂加入反应釜中混合，搅拌均匀并加热至80-90℃，加入剩余部分的甲基丙烯酸单体作为种子，加入引发剂，搅拌4-8min后，滴加高位槽中的混合单体乳液，搅拌加热将温度保持在80-85℃，搅拌滴加在150-200min内完成，加完后聚合反应20-30min；

19、降温至50℃以下，加入中和剂、纳米分散液、杀菌剂和消泡剂，继续搅拌10-30min，降至室温后用400目以上滤网过滤后即得纳米改性生物基水性丙烯酸乳液；

20、其中，所述阴离子乳化剂包括但不限于十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐中的至少一种；

21、所述引发剂包括但不限于过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾、叔丁基过氧化氢中的一种或多种；

22、所述杀菌剂包括但不限于陶氏化学kathon lxe-1、陶氏化学kathon wt-2、霍夫曼d-35、霍夫曼m-10、德谦ds-125中的一种或多种；

23、所述消泡剂包括但不限于陶氏化学nxz、陶氏化学ndw、万华化学a10、霍夫曼s10中的任意一种；

24、所述中和剂包括但不限于5％氢氧化钠水溶液、碳酸氢钠、碳酸钠、氨水、一乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺中的一种或多种；

25、在生物基水性丙烯酸乳液合成中，通过添加纳米分散液到丙烯酸乳液中，不仅使丙烯酸乳液具有阻燃特性，同时利用其水油平衡特性，进一步减少了乳液合成时乳化剂的添加量，改性的生物基水性丙烯酸乳液在气雾型生物基水性保护剂中应用时可以提高保护剂的阻燃性能、耐水性和耐候性能。

26、本发明还提供所述保护剂的制备方法，包括如下步骤：

27、按配比的重量份数称取去离子水和纳米改性生物基水性丙烯酸乳液置于不锈钢搅拌混合釜中，在300-500r/min的低速搅拌下将脲化合物、纳米分散液、防腐剂、消泡剂、成膜助剂、流平剂、分散剂物料称量后按顺序加入，在800-1000r/min下中速分散5-8min，并确保各助剂分散均匀；

28、在300-500r/min低速搅拌下缓慢加入透明粉，然后在1800-2000r/min下高速分散20-30min，确保所有物料分散均匀，细度≤50μm；

29、将防沉剂在300-500r/min的低速搅拌下缓慢加入容器中，然后在800-1000r/min的中速搅拌10-15min，确保分散均匀，并加入ph调节剂将ph值调节到8.5-9.0；

30、将上述调好ph值的生物基水性保护剂料液用300-400目滤网过滤，根据气雾罐装量，保护剂料液与抛射剂按比例灌装至内壁有防腐涂层的气雾罐内，装上有防腐涂层的气雾剂阀门，用气雾剂专用封口机封口后，用气雾剂专用充气机充入抛射剂，装上雾化喷头后制成阻燃气雾型生物基水性保护剂。

31、其中，所述消泡剂包括但不限于聚醚硅氧类消泡剂、天然油脂消泡剂、高碳醇类消泡剂中的一种或多种；

32、所述分散剂包括但不限于阴离子型、阳离子型及非离子型分散剂、丙烯酸盐类分散剂、羧酸铵盐类分散剂、高分子类分散剂中的任意一种；分散剂活性基团一端能吸附在粉碎成细小堆料的颜料表面，另一端溶剂化进入漆基形成吸附层(吸附基越多，链节越长，吸附层越厚)产生电荷斥力(水性涂料)，使颜料粒子长期分散悬浮于漆基中，避免再次絮凝，并且由于颜填料分散剂分子量分布较窄，可提高分散期间的空气排除功能，从而使该产品具有较高的颜料填充性，并保证研磨分散的有效黏度，稳定已经研磨分散过的粒子和解聚粒子，防止凝结，从而为涂料提供长期的储存稳定性。

33、所述成膜助剂包括但不限于二丙二醇丁醚、二乙二醇丁醚中的至少一种；

34、所述流平剂包括但不限于聚醚改性聚二甲基硅氧烷，用来降低水的表面张力，同时起到润湿底材的作用；

35、所述透明粉包括但不限于金猴tm-2500或龙胜3000#透明粉中的任意一种；

36、所述ph调节剂包括但不限于碱金属的氢氧化物、碱金属的碳酸盐/碳酸氢盐、有机胺化合物或有机硅改性的ph调剂剂中的至少一种；

37、所述防沉剂包括但不限于德固赛m-5、a-200或膨润土sd-1中的至少一种；

38、所述抛射剂包括但不限于氮气、二氧化碳、二甲醚中的任意一种。

39、本发明还提供所述保护剂作为木质材料涂料的应用，特别是作为生物基水性涂料在木质古建筑保护中的应用。

40、综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：

41、1)本发明提供的保护剂具有优异的阻燃性，可广泛用于木质古建筑修复领域作为保护剂使用，同时也可以用在一般木质的家具、门窗等表面的保护。

42、2)本发明提供的保护剂以气雾剂型式包装，方便施工使用。

43、3)本发明提供的保护剂具有优异的耐水性及耐湿热性。

44、4)本发明提供的保护剂具有优异的耐候性。

45、5)本发明提供的保护剂甲醛去除率高，极大降低对环境和人体的危害。

46、6)本发明提供的保护剂中所用的生物基油脂及生物基二元醇可从动植物中提取或转化，因此可以减少石油化学品的使用，具有可再生性，同时减少碳排放。