[发明专利]具有普适性的生物基高效阻燃涂料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了具有普适性的生物基高效阻燃涂料及其制备方法与应用。该制备方法首先采用插层剂对层状纳米材料插层改性，并进行酸化处理去掉插层剂，然后将改性后的层状纳米材料与硅烷偶联剂反应，在其表面接上活性官能团，制得功能化层状纳米材料。随后将功能化层状纳米材料与链状天然高分子材料一起分散于水中，制备一种具有普适性的生物基阻燃涂料。与现有技术相比，本发明阻燃涂层具有广泛的适用性，可通过浸涂、刷涂和喷涂等便捷的方法应用在薄膜、棉织物和泡沫等聚合物制品上。其形成的阻燃涂层具有高效的阻燃性能和优异的稳定性及耐水性，而且安全环保，可广泛应用于对阻燃和环保要求较高的交通运输、家具电器、建筑装饰和电线电缆等领域。

技术领域

本发明涉及阻燃涂料的制备，具体是涉及一种具有普适性的生物基高效阻燃涂料及其制备方法与应用。

背景技术

随着高分子材料在交通运输、家具电器和建筑装饰等众多领域中的广泛应用，高分子材料易燃缺陷给人们生命财产安全带来的威胁也随之增大。目前最常用的应对方式是在高分子材料中加入阻燃剂来提高其阻燃性能，但是添加型阻燃剂存在着以下问题：(1)适用性窄，在不同聚合物中的性能表现存在巨大差距；(2)分散于聚合物中，燃烧时不能集中作用，导致其阻燃效率偏低，需要较大的添加量才能达到所需的阻燃性能；(3)大添加量会导致对聚合物自身力学性能的严重恶化。相比较之下，在聚合物表面构造阻燃涂层成为克服添加型阻燃剂这些缺陷的有效方式。由于在阻燃涂层中，阻燃剂聚集于聚合物表面，先于聚合物接触火焰，并可快速形成高质量的阻燃保护层，由此可表现出高效的阻燃性能。同时，一种阻燃涂料可用在多种聚合物上，而且其对聚合物制品力学性能的影响较小。但是当前的阻燃涂料还大量使用传统阻燃剂，如卤系阻燃剂(CN201611131631)、小分子有机磷系阻燃剂(Progress in Organic Coatings,2016,90:83‐90)和小分子有机氮系阻燃剂等(CN201710661963)。在这些阻燃剂中，许多都存在一定的毒性，当它们被应用于制备阻燃涂层时，很容易迁移到环境中去，不仅会破坏生态环境的稳定性，还会在人体和其他生物体中蓄积，造成长久性的毒害作用。因此，迫切需要开发一种环保高效的阻燃涂料。

发明内容

本发明的目的是针对现有阻燃剂存在的不足，提供一种具有普适性的生物基高效阻燃涂料及其制备方法，该阻燃涂料所形成的阻燃涂层安全环保，在高温环境中可快速形成具有优异热稳定性和阻隔性能的层状多孔炭层，发挥高效的阻燃作用。

本发明另一目的是提供具有普适性的生物基高效阻燃涂料在聚合物薄膜、织物和泡沫等材料中的应用。

由于链状天然高分子材料(如纤维素、壳聚糖和淀粉等)和层状纳米材料(如蒙脱土、双金属氢氧化物和层状磷酸盐等)均含有丰富的活性基团(如羟基、氨基和羧基等)，它们不仅可通过形成氢键作用而紧密结合，还可以通过交联剂轻易地构建稳固的共价键作用，既保证了涂层的稳定性，又对各种聚合物基材表现出良好的粘附性；而且许多链状天然高分子材料具有优异的成炭性能，而固体酸类层状纳米材料具有催化成炭的特性，在高温环境中可快速催化链状天然高分子材料在其层间成炭，形成具有优异热稳定性和阻隔性能的层状多孔炭层，发挥高效阻燃作用。同时，由层状纳米材料和链状天然高分子材料形成的阻燃涂层安全无毒，对人类和生态环境友好，可广泛应用于对阻燃和化学性安全要求较高的交通运输、家具电器、建筑装饰和电线电缆等领域。

本发明采用硅烷偶联剂对插层改性后的层状纳米材料进行表面可控修饰，并将得到的功能化层状纳米材料与链状天然高分子材料在水中均匀共混制备了一种普适性的生物基高效阻燃涂料。该涂料在聚合物制品表面干燥过程中可自行共组装形成仿珍珠贝的“砖泥”层状结构，同时，接枝在层状纳米材料表面的活性基团可与链状天然高分子材料上的活性基团发生反应构建共价键连接，形成稳固的涂层。在燃烧时，层状纳米材料可催化层间的链状天然高分子材料快速发生成炭反应，从而形成具有优异热稳定性和阻隔性能的层状多孔炭层，对聚合物制品发挥高效阻燃作用。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：