一种水性超薄防火涂料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种水性超薄防火涂料，包括如下重量比的原料组分：20‑25份水性成膜基体、4‑10份硫酸钙、5‑15份高岭土、3.5‑5份磷氮掺杂单壁碳纳米管、10‑20份聚磷酸铵、3‑7份季戊四醇、2‑6份三聚氰胺、1‑3份纤维素、10‑18份水、1‑2份助剂；制备方法为：步骤1、先将单壁碳纳米管羧基化，然后碳纳米管表面的羧基与胺烷基磷酸酯通过酰胺键结合，得到磷氮掺杂单壁碳纳米管；步骤2、将各原料组分混合，搅拌均匀，得到水性超薄防火涂料。本发明专利技术提供了一种基于磷氮掺杂单壁碳纳米管的水性超薄防火涂料，具有绿色高效阻燃特性，且与基底附着力好，耐候性能好，还具有抑菌性能。

【技术实现步骤摘要】
一种水性超薄防火涂料及其制备方法
本专利技术属于涂料
，特别涉及一种基于磷氮掺杂单壁碳纳米管的水性超薄防火涂料。
技术介绍
钢结构在建筑工程中非常实用，不但能缩短建筑工程施工周期，还能提高建筑稳定性。由于钢材本身耐热性好但耐火性能较差，到250℃就有蓝脆现象，到650℃时，基本失去强度。一旦发生火灾，就会产生巨大的损失。因此用于钢结构的防火涂料研究意义重大。一般来说，涂覆层厚的防火涂料防火性能优于薄涂。但在一定的防火要求下，由于厚涂型的涂料成本高，工期长，缺乏装饰性等缺点，其逐渐被超薄型防火涂料替代。目前使用的超薄钢结构防火涂料可分为非膨胀型和膨胀型。膨胀型钢结构防火涂料因为其较好的防火性能逐渐成为主流，按其分散基体可分为：水基型和溶剂型。水性超薄型防火涂料具有有较好的防火性能和装饰性能，同时环境友好，因此水性超薄型防火涂料越来越引起人们的重视。专利CN102675992B公开了一种膨胀型水性饰面防火涂料，其原料包括苯丙乳液，聚磷酸铵，季戊四醇，三聚氰胺，钛白粉，氢氧化铝，硼酸锌，氯化石蜡，防腐杀菌剂，分散剂，成膜助剂，纤维素醚，羟基硅油和水；该专利技术提出的膨胀型水性饰面防火涂料在水中浸泡72小时，不开裂、不起泡、不脱落，耐火时间为40min。该防火涂料耐火时间较短，原因是火灾中产生的膨胀炭缺乏强度和耐久性。专利CN102417789B公开一种溴碳聚氨酯钢结构防火涂料及其制备方法，该防火涂料由A组分和B组分组成，其中A组分由改性的溴化环氧树脂、二甲基硅油、催化剂二月桂酸二丁基锡、阻燃剂及助剂组成，B组分为改性TDI固化剂，耐火时间为64min。但是该防火涂料中含有卤族元素，容易造成环境污染。目前，已有的研究表明：纳米碳材料加入到防火涂料中可以提高防火涂料受火后的炭化层强度和膨胀倍率，降低涂层背面温度升高速率，增强涂层的抗开裂性能。而且，纳米碳材料粒子具有大的比表面特别是碳纳米管的超大长径比，可以对涂层起到增强、增韧作用，可显著提高涂层的力学性能，还可以与基底有强的界面作用力，提高粘结强度。但纳米碳材料极易团聚，在使用时不容易分散，直接影响到防火材料的防火性能，制备出的防火涂料防火性能有限。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的防火涂料防火性能有待提高的技术问题，提供一种基于磷氮掺杂单壁碳纳米管的水性超薄防火涂料。本专利技术提供的一种水性超薄防火涂料，包括如下重量比的原料组分：20-25份水性成膜基体、4-10份硫酸钙、5-15份高岭土、3.5-5份磷氮掺杂单壁碳纳米管、10-20份聚磷酸铵、3-7份季戊四醇、2-6份三聚氰胺、1-3份纤维素、10-18份水、1-2份助剂。其中，所述磷氮掺杂单壁碳纳米管的结构式为：式中，R为烷基，x取值范围1-4。优选的是，所述R为甲基或乙基，x取值为1或2。所述水性成膜基体为醋酸乙烯-乙烯共聚乳液或纯丙乳液。所述助剂包括成膜助剂、消泡剂、润湿分散剂、增稠剂、防冻剂、防腐剂。一种上述水性超薄防火涂料的制备方法，包括如下步骤：S1、磷氮掺杂单壁碳纳米管的制备：先将单壁碳纳米管羧基化，然后碳纳米管表面的羧基与胺烷基磷酸酯通过酰胺键结合，得到磷氮掺杂单壁碳纳米管；S2、首先向反应容器中加入水，搅拌，依次加入助剂、硫酸钙、高岭土、磷氮掺杂单壁碳纳米管、聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺、纤维素，搅拌均匀后，再加入水性成膜基体，搅拌均匀，得到水性超薄防火涂料。优选的是，所述步骤S1具体操作如下：S11、将6重量份单壁碳纳米管分散在水中，加入1重量份氢溴酸，高速搅拌24h，然后加入20重量份草酸，继续搅拌8h，抽滤，洗涤，得到初步羧基化单壁碳纳米管；此时，羧基含量还较少，为了进一步增加碳纳米管上的羧基数量，进行步骤S12和S13；S12、将初步羧基化单壁碳纳米管分散在甲苯中，加入与羧基化单壁碳纳米管等重量的2,2-偶氮二异丁腈，在氩气保护下，恒温75℃，搅拌4h，然后趁热抽滤，滤饼用热甲苯洗涤，滤饼即为含氰基的羧基化单壁碳纳米管；S13、将含氰基的羧基化单壁碳纳米管分散于甲醇中，调节pH至10，60℃恒温搅拌并回流反应2天后调节pH至中性，抽滤，滤饼洗涤干燥即得羧基化单壁碳纳米管；此时羧基含量较多，有利于后续步骤S14中引入较多的氮和磷；调节pH的缓冲液可以是氢氧化钠、盐酸、磷酸氢钠、三乙醇胺的一种；S14、将羧基化单壁碳纳米管分散在交联剂溶液中，30min后过滤，滤饼与胺烷基磷酸酯按重量比1:50混合，40℃搅拌反应2天后过滤，滤饼即为磷氮掺杂单壁碳纳米管。优选的是，所述交联剂溶液为N-羟基琥珀亚胺、N-羟基硫代琥珀亚酰胺、(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)酰胺或N,N'-二环己基碳二亚胺其中一种的水溶液，浓度为0.4mol/L。该交联剂用于活化单壁碳纳米管表面的羧基。因为交联剂和羧基很容易形成中间体，然后被胺烷基磷酸酯替代，形成酰胺键。如果缺少交联剂的活化作用，羧基化单壁碳纳米管与胺烷基磷酸酯之间难以直接发生反应。优选的是，所述胺烷基磷酸酯为胺乙基磷酸二甲酯、胺乙基磷酸二乙酯、胺丙基磷酸二甲酯、胺丙基磷酸二乙酯的一种或两种的组合物。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)防火涂料中添加磷氮掺杂单壁碳纳米管，同时含有纳米碳材料、氮和磷，碳纳米管与磷氮协同作用作为阻燃剂，显著提高了防火涂料的阻燃特性，耐火时间长达180分钟，且绿色环保，高效。(2)相对于碳纳米管，磷氮掺杂单壁碳纳米管的分散性能得到改善，在制备防火涂料时不易团聚，分散性好；通过简单的混合搅拌，就能够使磷氮掺杂单壁碳纳米管与其他组分混合均，接触面大，得到性能优良的防火涂料。(3)由于单壁碳纳米管能对细菌细胞膜产生机械性损伤，使细胞破裂损坏，导致细菌死亡，从而使防火涂料无需其他助剂自带抑菌性；涂覆在人口密集的大型钢结构建筑体内，能起到室内净化作用。(4)单壁碳纳米管具有远超其他纳米材料的长径比，在混合拌匀后，有利于提高涂层的韧性和耐磨性，得到力学性能优异的防火涂料。本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。具体实施方式下面对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。实施例1一种上述水性超薄防火涂料的制备方法，包括如下步骤：S1、磷氮掺杂单壁碳纳米管的制备：S11、将6重量份单壁碳纳米管超声分散在水中得到悬浮液，加入1重量份氢溴酸，剧烈磁力搅拌24h后，在悬浮液中加入20重量份草酸，继续搅拌8h，抽滤，洗涤滤饼，滤饼即为初步羧基化单壁碳纳米管；S12、在装有调速搅拌器、回流管、温度计、进出气管的四口烧瓶中，加入100重量份甲苯和10重量份初步羧基化单壁碳纳米管，分散均匀，然后加入10重量份2,2-偶氮二异丁腈，氩气保护下，恒温75℃持续搅4h，然后，趁热抽滤，用热甲苯洗涤滤饼，滤饼即为含氰基的羧基化单壁碳纳米管；S13、将含氰基的羧基化单壁碳纳米管分散于甲醇中，用0.1mol/L的氢氧化钠调节pH至10，60℃恒温搅拌并回流两天后调节pH至中性，抽滤，滤饼洗涤干燥即得羧基化单壁碳纳米管；S1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水性超薄防火涂料，其特征在于，包括如下原料组分：水性成膜基体、硫酸钙、高岭土、磷氮掺杂单壁碳纳米管、聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺、纤维素和助剂；所述磷氮掺杂单壁碳纳米管的结构式为：

【技术特征摘要】
1.一种水性超薄防火涂料，其特征在于，包括如下原料组分：水性成膜基体、硫酸钙、高岭土、磷氮掺杂单壁碳纳米管、聚磷酸铵、季戊四醇、三聚氰胺、纤维素和助剂；所述磷氮掺杂单壁碳纳米管的结构式为：式中，R为烷基，x取值范围1-4。2.如权利要求1所述的水性超薄防火涂料，其特征在于，所述R为甲基或乙基，x取值为1或2。3.如权利要求2所述的水性超薄防火涂料，其特征在于，所述水性成膜基体为醋酸乙烯-乙烯共聚乳液或纯丙乳液。4.如权利要求3所述的水性超薄防火涂料，其特征在于，各原料组分重量配比如下：20-25份水性成膜基体、4-10份硫酸钙、5-15份高岭土、3.5-5份磷氮掺杂单壁碳纳米管、10-20份聚磷酸铵、3-7份季戊四醇、2-6份三聚氰胺、1-3份纤维素、10-18份水、1-2份助剂。5.如权利要求4所述的水性超薄防火涂料，其特征在于，所述助剂包括成膜助剂、消泡剂、润湿分散剂、增稠剂、防冻剂、防腐剂。6.一种如权利要求1-5任意一项所述水性超薄防火涂料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、磷氮掺杂单壁碳纳米管的制备：先将单壁碳纳米管羧基化，然后碳纳米管表面的羧基与胺烷基磷酸酯通过酰胺键结合，得到磷氮掺杂单壁碳纳米管；S2、将各原料组分混合，搅拌均匀，得到水性超薄防火涂料。7.如权利要求6所述的水性超薄防火涂料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：S11、将6重量份单壁碳纳米管分散在水中，加入1重量份氢溴酸，高速搅拌24h，然后加入...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军，高育欣，闫松龄，贾二鹏，毕耀，刘明，张磊，叶子，
申请(专利权)人：中建西部建设股份有限公司，中建材料技术研究成都有限公司，
类型：发明
国别省市：新疆,65