[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及一种POSS基超薄型钢结构防火涂料聚合物基体的制备方法，以普通树脂为涂料基体，倍半硅氧烷(POSS)以化学或者物理方法引入到基体中，其后在经过常规的配料、预混合、研磨和调稀等步骤得到POSS基超薄型钢结构防火涂料。由于POSS是纳米级的颗粒，并且其上有机基团具有可设计性，少量的POSS就可以起到很好的高温阻燃效果，所以选用POSS作为阻燃剂的一种成份，可以得到真正意义上的防火阻燃的纳米涂料。

背景技术

超薄型火涂料是目前国内外使用最广泛的一种防火涂料，其特点是在常温下呈普通涂膜，在火焰或高温作用下，可产生比原涂层厚几十甚至上百倍的不易燃的海绵状炭质层，有效地阻止了外部热源的作用，同时，产生不燃性气体，如二氧化碳、氨气、氯化氢和水蒸汽等，降低了可燃性气体的浓度和空气中氧气的浓度，从而起到防火、阻燃作用。

防火涂料的研究和开发与阻燃剂的发展密切相关，阻燃剂的选择对防火涂料的性能起着关键作用。防火涂料中所使用的阻燃剂一般被称为阻燃体系。由于适合某种应用的阻燃体系的增加，阻燃性能的优劣就成为选择阻燃剂的基本因素。通过对性能的最佳选择，已获得许多优良的阻燃体系。例如，目前市场上对无卤体系和磷系阻燃剂的需求正在激增。但是卤素类阻燃剂会在高温分解时候产生有毒的气体，而磷系阻燃剂会在阻燃过程中产生磷酸酯塑化效应而引起机械强度损失。

笼形倍半硅氧烷简称POSS，如下所示，R和R₁基团可以相同，也可以不同，可以是烷基、芳香基，也可以是反应性官能团。分子核心是Si-O-Si笼形骨架，外围是有机基团，分子直径在1.5～3nm。POSS可以很好地分散在有机聚合物中形成透明的纳米复合材料，不像无机纳米粒子受低分散度的限制，从而提高了材料的物理力学性能。具有广阔的应用前景。

典型的POSS分子结构

美国航空航天局将POSS改性的复合材料应用到航天器的绝热板中，当遇到小的缺陷时，POSS能打开硅氧骨架，形成新的骨架结构，该材料具有“自愈合”功能，同时由于POSS分子能在复合材料中达到真正意义上的分子分散，对聚合物的力学性能(如硬度、拉伸强度、模量、冲击强度、耐磨性)、热氧稳定性(如耐老化性、耐候性、热稳定性)、功能性(如阻燃、阻隔、抗沾污性、耐水性)等方面都有大大的改善和提高。

近些年来，国内也有很多关于防火涂料以及POSS改性聚合物的研究。肖新颜等人(肖新颜，膨胀型防火涂料及其防火阻燃机理的研究，华南理工大学博士学位论文，1997，06)防火涂料的各种基料和阻燃剂进行了筛选，同时进行了工艺的优化选择；然后在此基础上进行了配方中各组分适宜范围的探索性试验，基料、阻燃剂和助剂的对比试验，系统地研究了防火阻燃体系中聚磷酸按(APP)、三聚氰胺(MEL)、季戊四醇(PE)、701氨基树脂(701A)和氯化石蜡(CP)等五个因子及其交互作用对涂料防火性能的影响，并且得出结论：涂膜越厚，其耐燃时间越长，燃烧后形成的炭质层越厚，阻燃效果越好。

张增平等人(张增平，梁国正，刘继三，谢建强，管兴华，笼型倍半硅氧烷POSS/环氧杂化树脂体系固化反应动力学及性能研究，中国胶粘剂，2007，16(9)：1-4)为了提高环氧树脂的耐热性，采用笼型倍半硅氧烷(POSS)改性双酚A型环氧树脂E51得到有机无机杂化树脂，研究了固化反应动力学。分析表明，POSS的加入提高了E51/DDS固化树脂体系的热性能。

前人对于超薄型钢结构防火涂料的研究仅仅停留在改善其制备工艺，改善各种脱水催化剂、成炭剂和发泡剂配比，并没有对其阻燃机理进行深入研究，并且常规的阻燃剂在高温条件下会产生有毒有害气体。

我们采用倍半硅氧烷以物理或者化学的方法引入到涂料基体树脂中，制备POSS改性的涂料基体，在辅助以常规的助剂得到POSS改性的超薄型钢结构防火涂料。在高温下，聚合物放出大量的气体后，倍半硅氧烷“笼型”结构开始丢失。由XPS实验对加热1000℃后剩余炭化物进行分析，结果表明其化学成分主要为SiO₂(45％)，SiO_xC_y(7.5％)，SiC(1.4％)，POSS单元可能在燃烧过程中有一个特殊的成炭过程。