專利名稱：用于木質(zhì)纖維素材料的阻燃膨脹型涂料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于木質(zhì)纖維素材料的阻燃膨脹型涂料。更具體地說，本發(fā)明涉及這樣的涂料，它能促進(jìn)形成絕熱泡沫體，以便為各種木質(zhì)纖維素材料提供防火保護(hù)。
背景技術(shù)：
主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成的木質(zhì)纖維素材料是非常易燃的。這種材料包括固體木材、層壓貼面板木材、平行線料木材(parallel strandlumber)、木材線料(timber strands)、膠合板、中密度纖維板(MDF)、硬質(zhì)纖維板、刨花板、定向纖維板(OSB)和稻草板。出于明顯的原因，阻燃和/或防火的木質(zhì)纖維素材料是非常需要的。
在先前公認(rèn)的技術(shù)中，曾采取各種手段為木材基的材料提供防火保護(hù)。例如，美國(guó)專利4,514,326披露了用堿土金屬四硼酸鹽來浸漬纖維素材料，所述材料用氨、硫酸、二氧化硫或磷酸加以處理，以便為這種材料提供一定程度的阻燃性。用這種材料來浸漬纖維素產(chǎn)品的常見缺點(diǎn)是降低了板的強(qiáng)度、使用壽命和產(chǎn)品可靠性。
可熱膨脹的石墨和其提供防火性的應(yīng)用在已有技術(shù)中是皆知的，在如美國(guó)專利3,574,644中披露過這些內(nèi)容，所述專利的內(nèi)容在此參考引用。用嵌加劑(intercalants)如硫酸和/或硝酸處理由碳原子的平行平面堆積而成的結(jié)晶石墨，制得可熱膨脹的石墨。由于在碳原子的平面之間不存在共價(jià)鍵，故嵌加劑可嵌在所述平面之間。這就使嵌加劑位于石墨的晶格中。當(dāng)嵌加的石墨處于熱或火中時(shí)，嵌入的分子分解并放出氣體。石墨層平面被氣體所分開，于是石墨膨脹，從而產(chǎn)生可反射大量熱的低密度、不可燃的熱絕緣。
美國(guó)專利5,443,894披露了一種阻燃、定向纖維板(strand board)，它包括含可膨脹石墨的外層。該外層包含樹脂粘合的木線料，其中分散有達(dá)20重量％的可膨脹的石墨顆粒。當(dāng)暴露在外部火焰中時(shí)，可膨脹的石墨顆粒膨脹，于是體積增大，從而形成一蠕蟲狀的膨脹石墨層。此層為下面的芯層提供一火焰阻擋層。然而，發(fā)現(xiàn)當(dāng)將這種板暴露在火焰中時(shí)，在外層中使用可膨脹的石墨會(huì)產(chǎn)生“爆米花效應(yīng)”。這會(huì)導(dǎo)致外層破裂并吹掉板條(panels)。當(dāng)外層吹掉板條時(shí)，有毒氣體和煙霧如二氧化硫和一氧化氮就釋放出來了。
另一種使纖維素材料具有防火性的方法披露于美國(guó)專利5,434,200中。該專利指出將細(xì)微的木質(zhì)纖維素材料與一定量的氯氧化鎂和/或含氧硫酸鎂混合，后者包含能有效地賦予木質(zhì)纖維素材料以防水和防火性能的膠乳。美國(guó)專利5,246,652披露了一種制造木材復(fù)合體的方法，它包括用可溶的硼化合物處理木材復(fù)合體，以提供一定程度的阻燃性。這些方法中每一種方法的普遍缺點(diǎn)是當(dāng)纖維素材料暴露在強(qiáng)烈的熱和火焰中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體。
發(fā)明的描述本發(fā)明旨在克服上述已有技術(shù)中的缺點(diǎn)。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于木質(zhì)纖維素材料的阻燃、膨脹型涂料，當(dāng)暴露在強(qiáng)烈的熱和/或火焰中時(shí)，所述涂料會(huì)膨脹，產(chǎn)生低密度的炭泡沫(char foam)，從而有效地保護(hù)了下面的木質(zhì)纖維素材料。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣一種涂料，當(dāng)暴露在熱和火焰中時(shí)，它不會(huì)放出有毒氣體、酸氣或不合需要量的煙霧。
按本發(fā)明的例舉實(shí)例和論述特征，提供一種用于木質(zhì)纖維素材料的阻燃涂料組合物，它包含可膨脹的石墨顆粒、固體吸收劑材料、聚合物粘合劑、含碳材料、發(fā)泡劑和溶劑。可膨脹的石墨顆粒占可膨脹的石墨顆粒和固體吸收劑材料總量的約20-95重量％。聚合物粘合劑占聚合物粘合劑、可膨脹的石墨顆粒和固體吸收劑材料總量的約5-50重量％。含碳材料占含碳材料和聚合物粘合劑總量的約0-40重量％。類似地，發(fā)泡劑占發(fā)泡劑和聚合物材料總量的約0-40重量％。
本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將從下述其較好實(shí)例的詳細(xì)描述中容易看出。
按前面的概述，本發(fā)明涉及一種用于木質(zhì)纖維素材料的阻燃、膨脹型涂料，所述木質(zhì)纖維素材料如固體木材、層壓貼面板木材、平行線料木材、木材線料、膠合板、中密度纖維板(MDF)、硬質(zhì)纖維板、刨花板、定向纖維板(OSB)和稻草板。
本發(fā)明的涂料較好包含可膨脹的石墨顆粒、固體吸收劑材料、聚合物粘合劑、含碳材料、發(fā)泡劑和溶劑。在較好的實(shí)例中，可膨脹的石墨顆粒占可膨脹的石墨顆粒和固體吸收劑材料總量的約20-95重量％。聚合物粘合劑占聚合物粘合劑、可膨脹的石墨顆粒和固體吸收劑材料總量的約5-50重量％。
可熱膨脹的石墨顆粒具有有效的阻燃性，并能顯著地減少煙霧密度和固化聚合物粘合劑的自熄時(shí)間，對(duì)涂料組合物的物理性能沒有不利影響?？蔁崤蛎浀氖w粒商購(gòu)自許多公司，其“開始反應(yīng)”的溫度約為130-500℃。當(dāng)暴露在熱和火焰中時(shí)，該顆粒會(huì)顯著膨脹。更具體地說，在僅僅幾秒鐘的時(shí)間內(nèi)，顆粒的體積會(huì)增加到其原來體積的80倍以上。較好的可膨脹石墨以商品名TG-317購(gòu)自UCAR Carbon Company,Inc.。在暴露在火焰中幾秒鐘之后，這種材料“開始”膨脹的溫度為220℃。
已知可膨脹的石墨具有能降低導(dǎo)熱性并用絕熱整體層提供阻燃性的性能?？膳蛎浀氖ㄟ^形成單個(gè)自膨脹單元而對(duì)高強(qiáng)度的熱和火焰有反應(yīng)。這就使石墨能保護(hù)下面的基材不讓火焰穿破，從而避免產(chǎn)生裂縫(該裂縫是一種通常稱為“龜裂”的情形)。
在一個(gè)較好的實(shí)例中，涂料包括含碳材料(多氫化合物)如二季戊四醇(DPE)[C(CH2OH)4]、季戊四醇、季戊四醇聚氨酯、苯酚、三甘醇、間苯二酚、肌醇、山梨醇、糊精和淀粉。含碳材料較好占含碳材料和聚合物粘合劑總量的約0-40％。較好的多氫化合物是由Perstorp Polyols,Inc.,Toledo,Ohio生產(chǎn)的季戊四醇。當(dāng)暴露在過度的熱或火焰中時(shí)，含碳材料在可膨脹石墨的相鄰膨脹單元之間提供一網(wǎng)狀連接。這就能有效地抑制任何“爆米花”效應(yīng)的產(chǎn)生。
另外，當(dāng)將本發(fā)明的涂料加熱到130℃以上時(shí)，可熱膨脹的石墨顆粒釋放出氧化劑如二氧化硫和一氧化氮?dú)怏w，或來自硝酸和/或硫酸的酸氣。這些氣體作為催化劑用來將含碳材料解聚和熱解成斷續(xù)的炭。這樣，在木質(zhì)纖維素基材上就形成了均勻且整體化的絕熱材料。
如上所述，已知來自膨脹石墨顆粒的有毒氣體如SOx和NOx和含碳材料的脫水和熱解產(chǎn)生的煙霧對(duì)鄰近的環(huán)境是有害的。在本發(fā)明中，在涂料組合物中加入有毒氣體吸收材料，以除去并消除這些有毒氣體。當(dāng)暴露在火中時(shí)，這種材料吸收氣體/酸氣并產(chǎn)生不可燃的氣體如二氧化碳和H2O釋放出來。典型的反應(yīng)機(jī)理包括
(1)(2)(3)(4)(5)其中M是一價(jià)或二價(jià)陽離子材料。通過有毒氣體與上述吸收劑材料進(jìn)行中和、煅燒和氧化，有毒氣體就可以從釋放的揮發(fā)物中排除掉。也表明有二氧化碳、水蒸氣和硫酸鈣生成，從而有效地在燃燒的基材上形成一不可燃的氣體層，顯著延緩火焰的產(chǎn)生并降低涂料表面的溫度。
較好的有毒氣體吸收劑材料包括石灰石(CaO)、碳酸鈣(CaCO3)、碳酸氫鈉(NaHCO3)和/或碳酸鈉(Na2CO3)。在較好的實(shí)例中，吸收劑材料是以商品名HubercarbQ ＆ W系列購(gòu)自J.M.Huber Corporation,Edison,NJ的碳酸鈣。吸收劑材料的粒度較好約為2-20μm，更好約為2-5μm。
為了提高吸收劑材料的功效(如對(duì)有毒氣體的吸收和中和)，較好是在本發(fā)明的涂料組合物中加入吸收劑促進(jìn)劑。已知這種吸收劑促進(jìn)劑在高溫下會(huì)釋放出水，所述促進(jìn)劑包括氫氧化鋁、氫氧化鎂、鋅硼砂(zinc borax)和硅酸鋁。這種促進(jìn)劑較好占促進(jìn)劑和吸收劑材料總重量的約0-60重量％。較好的吸收劑促進(jìn)劑是購(gòu)自J.M.Huber Corporation并以商標(biāo)Micral銷售的氫氧化鋁(三水合鋁或ATH)。ATH的中徑粒度較好為小于3.5μm。
在涂料中加入發(fā)泡劑(起泡材料(spumific material))，以便在暴露在過度的熱和火焰中時(shí)能產(chǎn)生均勻的膨脹型炭泡沫。某些較好的發(fā)泡劑包括脲、丁基脲、雙氰胺、苯磺酰肼、蜜胺、包膠的蜜胺-磷酸鹽、氯代石蠟烴、胍和甘氨酸。發(fā)泡劑較好占發(fā)泡劑和聚合物粘合劑總量的約0-40％。
在本發(fā)明的阻燃涂料中所用的預(yù)聚物粘合劑包括下述熱固性和熱塑性樹脂酚醛(PF)樹脂、脲甲醛(UF)、蜜胺增強(qiáng)的脲甲醛(MUF)樹脂、脲甲醛樹脂和聚丙烯酸類膠乳樹脂、異氰酸酯增強(qiáng)的脲甲醛樹脂、蜜胺甲醛樹脂、間苯二酚甲醛樹脂、異氰酸酯樹脂、和它們的共混物和共聚物。
在涂料配方中加入水基溶劑(濕潤(rùn)劑)。溶劑較好占全部涂料組合物的約25-40重量％。在較好的實(shí)例中，在溶劑中加入量約為0.1％的表面活性劑，以改進(jìn)配方的溶混性。通過加入濕潤(rùn)劑來調(diào)節(jié)整個(gè)配方的粘度。
當(dāng)將木質(zhì)纖維素材料暴露在過度的熱和/或火焰中時(shí)，本發(fā)明的涂料能限制炭的穿破和表面龜裂。對(duì)于本發(fā)明，將“穿破”定義為當(dāng)將基材直接暴露在火焰環(huán)境中時(shí)，炭破裂、分開或以其它方式受火焰影響的狀態(tài)。
在制備本發(fā)明的阻燃、膨脹型涂料時(shí)，首先將吸收劑促進(jìn)劑與固體吸收劑混合，制成在此表示為M1的第一混合物。如上所述，吸收劑促進(jìn)劑較好占M1總重量的約0-60重量％。然后將可膨脹的石墨顆粒與M1混合，制成表示為M2的第二混合物?？膳蛎浀氖w粒較好占M2總重量的約20-95％。若可熱膨脹的石墨的量小于M2總重量的20％，則制成的涂料將無法提供足夠的膨脹性和對(duì)基材的表面覆蓋度。另一方面，若加到第二混合物中的石墨顆粒的量大于95％，則無法加入去除有害有毒氣體和酸氣所需的足夠量的吸收劑材料。
然后在M2中加入聚合物粘合劑，制成表示為M3的第三混合物。聚合物粘合劑的百分?jǐn)?shù)較好為占M3總重量的約5-50重量％。
然后在M3中加入含碳材料和發(fā)泡劑(起泡材料)。含碳材料占含碳材料和聚合物粘合劑總量的約0-40重量％(按含碳材料聚合物粘合劑之比=0∶1-0.7∶1加入含碳材料)。類似地，發(fā)泡劑占發(fā)泡劑和聚合物粘合劑總量的約0-40重量％(按發(fā)泡劑聚合物粘合劑之比=0∶1-0.7∶1加入發(fā)泡劑)。在某些配方中，這些組分可以完全省去，而特定的聚合物粘合劑可以起雙重作用。例如，PVAC既是粘合劑，又是含碳材料。另外，在MUF樹脂中的蜜胺也可以用作發(fā)泡劑。
加入的濕潤(rùn)劑占最后配方(包括來自粘合劑和后來加入的水)的約25-40％。濕潤(rùn)劑較好包含約0.1重量％的表面活性劑，以改進(jìn)不同組分之間的溶混性。加入足夠量的濕潤(rùn)劑，直到獲得合適的操作粘度。
在合適的罐和容器中按已有技術(shù)已知的方式將所有各組分進(jìn)行混合?？梢圆捎盟⑼?、輥涂或稀釋水噴涂的方式將所得的阻燃涂料施涂到木質(zhì)纖維素材料上。隨后，在室溫下或使用紅外加熱設(shè)備使涂料固化。為了加快聚合物粘合劑(樹脂)的固化速度，可以加入催化劑。
制得的阻燃涂料可以施涂到各種木質(zhì)纖維素材料，如固體木材、平行線料木材、木材線料、膠合板、刨花板、中密度纖維板、硬質(zhì)纖維板、定向纖維板、稻草板等上。當(dāng)其不易于浸出(leeching)時(shí)，該涂料可用于內(nèi)部和外部用途。該涂料的具體用途包括住宅和商業(yè)用途如屋頂、墻壁、地面覆蓋物、用于I-連接的結(jié)構(gòu)部件、襯墊材料(underlayment)和外部擋板。
作為例子(并非用來限制)，下述表Ⅰ-Ⅲ說明了本發(fā)明的幾種阻燃涂料配方。
表Ⅰ較好的內(nèi)用阻燃涂料配方組分化合物 優(yōu)選百分?jǐn)?shù)(重量％)可熱膨脹的石墨 20.1碳酸鈣 20.1氫氧化鋁 10.4氯代石蠟烴(70％Cl) 3.25季戊四醇 2.71共混的脲/聚乙酸乙烯酯樹脂17.0含0.1％表面活性劑的水26.8總計(jì) 100表Ⅱ較好的外用阻燃涂料配方組分化合物 優(yōu)選百分?jǐn)?shù)(重量％)可熱膨脹的石墨 21.14碳酸鈣 23.49氫氧化鋁 2.40蜜胺 3.13季戊四醇 0.782PF樹脂(以固體計(jì)) 8.69PF增量劑 4.697表面活性劑 0.270水 35.40總計(jì) 100
表Ⅲ較好的內(nèi)用防水/防潮阻燃涂料配方組分化合物 優(yōu)選百分?jǐn)?shù)(重量％)可熱膨脹的石墨 23.64碳酸鈣 21.28氫氧化鋁 2.48氯代石蠟烴(70％Cl) 2.13蜜胺 2.13季戊四醇 4.25蜜胺增強(qiáng)的脲甲醛樹脂 14.19表面活性劑 0.23水 29.67總計(jì) 100實(shí)施例1-17進(jìn)一步說明膨脹型涂料配方的例子。
實(shí)施例1在400毫升燒杯中將34.2克可膨脹的石墨與52.39克PF樹脂混合。然后在混合物中加入9.9克含0.1％表面活性劑溶液的水。
實(shí)施例2在400毫升燒杯中將14.6克多磷酸銨(AmgardMC)與4.70克蜜胺、4.221克季戊四醇、2.231克氯代石蠟烴和3.38克二氧化鈦混合。將上述固體粉末混合后，加入21克聚乙酸乙烯酯膠乳(55％固體，購(gòu)自RichardChemicals)樹脂。接著加入13.8克0.1％的表面活性劑溶液。
實(shí)施例3在400毫升燒杯中將57.4克碳酸鈣和57.4克ATH預(yù)混合。然后加入76.3克液體PF樹脂。隨后，在混合物中倒入21.8克0.1％的表面活性劑溶液。
實(shí)施例4在400毫升燒杯中將13.1克可熱膨脹的石墨與117.9克碳酸鈣(70％濃度)混合。然后加入86.0克酚醛樹脂。
實(shí)施例5將10.8克可熱膨脹的石墨與108克三水合鋁(ATH)混合。在混合物中加入70.90克液體酚醛樹脂，在該漿料中加入28.1克0.1％的表面活性劑溶液，達(dá)到所需的粘度。
實(shí)施例6在一燒杯中將7.8克可熱膨脹的石墨與35.1克碳酸鈣和35.2克ATH混合。加入52.0克液體酚醛樹脂和15.9克0.1％的表面活性劑溶液。
實(shí)施例7在一燒杯中將30.2克可熱膨脹的石墨與35.2克固體碳酸鈣和35.2克ATH混合。在混合物中加入78.38克聚乙酸乙烯酯。加入14.0克水來調(diào)節(jié)粘度。
實(shí)施例8在一燒杯中將50.3克可熱膨脹的石墨與21.56克固體碳酸鈣預(yù)混合。加入47.2克液體酚醛樹脂。隨后，在燒杯中倒入16.7克0.1％的表面活性劑溶液。
實(shí)施例9在400毫升燒杯中將45.0克可熱膨脹的石墨與50.0克碳酸鈣、5.1克ATH、6.66克蜜胺、1.665克季戊四醇和9.99克glu-x粉(PF增量劑)混合。在燒杯中加入36.5克酚醛樹脂和57.9克0.1％的表面活性劑溶液。
實(shí)施例10將28.6克可熱膨脹的石墨與66.73克固體碳酸鈣混合。以50/50的重量比將脲-甲醛和聚乙酸乙烯酯膠乳樹脂混合。在混合的粉末中加入51.33克UF/PVAC混合樹脂。在上述混合物中加入21.8克0.1％的表面活性劑溶液，達(dá)到所需用途的合適粘度。
實(shí)施例11在3000毫升燒杯中將112.7克可熱膨脹的石墨與169.1克固體碳酸鈣混合。在400毫升燒杯中用攪拌棒以PVAC∶UF的重量比為75∶25將上述聚乙酸乙烯酯膠乳樹脂與脲甲醛樹脂預(yù)混合。在預(yù)混合的粉末固體中加入281.8克混合樹脂中的151.7克。然后在燒杯中加入48.8克0.1％的表面活性劑溶液。
實(shí)施例12在400毫升燒杯中倒入367.3克實(shí)施例11制得的涂料。在上述涂料中加入6.993克氯代石蠟烴。然后加入14.0克水。
實(shí)施例13在400毫升燒杯中將55.0克可熱膨脹的石墨與27.48克ATH、54.96克碳酸鈣、7.398克季戊四醇和8.878克氯代石蠟烴混合。在燒杯中加入77.5克實(shí)施例11所述的混合聚合物樹脂和42.3克0.1％的表面活性劑溶液。
實(shí)施例14在400毫升燒杯中將50.2克可熱膨脹的石墨與45.2克碳酸鈣和5.0克三水合鋁混合。在燒杯中加入29.24克液體MUF。在燒杯中加入10.04克季戊四醇、5.02克蜜胺和5.02克氯代石蠟烴。加入62.0克0.1％的表面活性劑溶液，將粘度調(diào)節(jié)到合適的狀態(tài)。
實(shí)施例15將80.0克可熱膨脹的石墨與20.0克碳酸鈣混合。在混合物中加入4.285克氯代石蠟烴、4.285克蜜胺和8.57克季戊四醇。同樣將52.5克UF樹脂與上述粉末混合物混合。加入59.9克0.1％的表面活性劑溶液，使混合物達(dá)到合適的涂料粘度。攪拌4分鐘后，在制成的涂料中加入8.57克可乳化的MDI。
將按上述方法制得的各涂料攪拌約4分鐘，然后采用刷涂法將它們施涂到23 7/8"×3 7/8"×3/8"OSB板上進(jìn)行2英尺隧道試驗(yàn)，和施涂到4"×4"OSB板上進(jìn)行錐形量熱計(jì)試驗(yàn)。通過測(cè)量樣品的初始重量和涂覆后的最終重量來確定涂料的施涂量。在100℃時(shí)將涂覆的板固化約5分鐘，然后在濕度為50-55％并且溫度為20±1℃的室內(nèi)環(huán)境下調(diào)理3天至2星期，之后進(jìn)行試驗(yàn)。
兩個(gè)附加實(shí)施例描述于實(shí)施例16和17中。
實(shí)施例16在400毫升燒杯中將45.0克可熱膨脹的石墨與50.0克碳酸鈣、5.1克ATH、6.66克蜜胺、1.665克季戊四醇和9.99克glu-x粉混合。然后加入36.5克酚醛樹脂和57.9克0.1％的表面活性劑溶液。
實(shí)施例17用與實(shí)施例16配方相同的涂料涂覆刨花板。通過測(cè)量樣品的初始重量和涂覆后的最終重量來確定涂料的施涂量。
將實(shí)施例16的涂料攪拌約4分鐘，然后采用刷涂法將其施涂到23 7/8"×37/8"×5/8"膠合板上進(jìn)行2英尺隧道試驗(yàn)，和施涂到4"×4"膠合板上進(jìn)行錐形量熱計(jì)試驗(yàn)。將實(shí)施例17的涂料施涂到刨花板上。通過測(cè)量樣品的初始重量和涂覆后的最終重量來確定實(shí)施例16和17涂料的施涂量。在100℃時(shí)將涂覆的板固化約5分鐘，然后在濕度為50-55％并且溫度為20±1℃的室內(nèi)環(huán)境下調(diào)理3天以上，之后進(jìn)行試驗(yàn)。
各實(shí)施例的試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)于表Ⅳ和Ⅴ中。在整個(gè)使用中，按ASTM D 3806-79通過試驗(yàn)樣品的火焰蔓延指數(shù)來確定阻燃性。在熱通量為50kW/m2下按ASTM E1354-94標(biāo)準(zhǔn)通過錐形量熱計(jì)測(cè)量來確定點(diǎn)火時(shí)間、熱釋放速度、質(zhì)量損失速度和煙霧密度。有毒氣體和揮發(fā)物對(duì)燃燒過程的影響間接由下述方法確定(1)在2英尺隧道試驗(yàn)后收集燃燒樣品的殘余灰燼和化學(xué)物；(2)對(duì)于各樣品，將0.5克收集的樣品分散在裝有100毫升蒸餾水的250毫升燒瓶中。然后在100℃時(shí)加熱此混合物，直到在燒瓶中留有50毫升溶液。
表Ⅳ-2英尺隧道試驗(yàn)結(jié)果

a是指在板的兩個(gè)面上每1000 ft2的涂料表面覆蓋量b是指火焰蔓延指數(shù)如表Ⅳ所示，實(shí)施例1的涂料顯示出明顯的阻燃性。然而，它不能防止燃燒表面產(chǎn)生石墨“爆米花”的現(xiàn)象。相反，實(shí)施例2的涂料沒有“爆米花”效應(yīng)，卻有火焰穿破的現(xiàn)象產(chǎn)生。
實(shí)施例9、10、14、15和16提供優(yōu)良的阻燃性，而且能消除“爆米花”效應(yīng)。實(shí)施例14和15符合用“火焰蔓延指數(shù)”表示的Ⅰ類或A類阻燃標(biāo)準(zhǔn)要求。在試驗(yàn)中，當(dāng)暴露在火焰中時(shí)，在大部分樣品中觀察到明顯的脹大或膨脹。膨脹型涂料能有效地保護(hù)基材防止火焰通過，形成一低密度、高絕熱的覆蓋層。顯然，加入吸收劑將燃燒殘余物或炭變成酸/堿性。這樣，可以想到的是來自堿性炭的相應(yīng)揮發(fā)物應(yīng)是堿性的，酸炭是酸性的，而中性炭是中性的。對(duì)于大多數(shù)樣品而言，pH值在6-7之間，這表明加入吸收劑材料在燃燒過程中起著非常重要的作用，它能緩沖燃燒化合物的酸/堿性。
表Ⅴ-錐形量熱計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

a是指在板的兩個(gè)面上每1000 ft2的涂料表面覆蓋量b是指在錐形量熱計(jì)試驗(yàn)下，當(dāng)暴露在熱通量為50kW/m2中時(shí)，點(diǎn)燃樣品所需的時(shí)間c是指在點(diǎn)燃樣品后的第一個(gè)60秒鐘內(nèi)的平均熱釋放速度d是指在整個(gè)燃燒過程中的平均比熄滅面積(specific extinction area)
錐形量熱計(jì)是一種用于表征材料在防火安全性方面的性能的有用工具。例如，點(diǎn)火時(shí)間是指將樣品暴露在固定的熱通量中在加熱錐下點(diǎn)燃樣品所需的時(shí)間。表Ⅴ說明了在熱通量為50kW/m2時(shí)實(shí)施例14的點(diǎn)火時(shí)間是1125，這幾乎高出實(shí)施例1的5倍。在實(shí)施例7、10和15中觀察到自熄現(xiàn)象。這就間接證實(shí)了由于在涂料配方中加入的吸收劑材料和其促進(jìn)劑發(fā)生的反應(yīng)，產(chǎn)生了不可燃的氣體如水蒸氣和二氧化碳。
另外，比熄滅面積(SEA)提供了一種在將樣品暴露在火焰中時(shí)用來評(píng)價(jià)煙霧強(qiáng)度的方法。在熱通量為50kW/m2時(shí)，膠合板的平均SEA約為87m2/kg,OSB的平均SEA為170m2/kg。
施涂到木質(zhì)纖維素材料上的涂料的外觀可通過加入某些顏料如二氧化鈦、鋅硼砂、草酸鹽、云母、珍珠巖、粘土和二氧化硅而得到控制。外觀也可以通過加入附加層而得到控制，所述附加層可以包括云母、二氧化鈦、二氧化硅、鋅硼砂、硼酸、多磷酸銨、PF和表面活性劑溶液的混合物。表Ⅵ說明了這種附加層的一個(gè)例子。
表Ⅵ組分化合物優(yōu)選百分?jǐn)?shù)(重量％)云母 28.42二氧化鈦 1.57二氧化硅 1.57硼酸 0.14鋅硼砂0.14酚醛樹脂(以固體計(jì))3.51表面活性劑0.50多磷酸銨 0.696水63.45總計(jì) 100實(shí)施例18說明了施涂在第一層膨脹型涂料涂層的上面以控制涂料外觀的第二層的一個(gè)例子。實(shí)施例19說明了包含用以控制涂料外觀的第二層的膨脹型涂料的另一個(gè)例子。
實(shí)施例18在200毫升燒杯中將31.2克云母與3.12克二氧化鈦混合。在燒杯中加入15.4克酚醛樹脂。在混合物中加入34.9克含濃度為0.1％表面活性劑的水、0.297克硼酸和0.297克鋅硼砂。
實(shí)施例19在400毫升燒杯中將90.0克云母與5.0克二氧化鈦、5.0克二氧化硅、0.448克硼酸、0.448克鋅硼砂和2.204克多磷酸銨混合。在燒杯中加入22.04克PF樹脂后，混合入189.4克0.1％的表面活性劑溶液，形成一穩(wěn)定的面層涂料。將此涂料刷涂到已用實(shí)施例16相同的涂料配方涂覆過的OSB板上。
表Ⅶ-2英尺隧道試驗(yàn)結(jié)果

a來自實(shí)施例13的填充量為240 lbs/msf的第一層涂料，來自實(shí)施例18的填充量為94.6 lbs/msf的第二層涂料b來自實(shí)施例16的涂覆量為307.9 lbs/msf的第一層涂料，來自實(shí)施例19的填充量為244.1 lbs/msf的第二層涂料如表Ⅶ所示，實(shí)施例19提供了所需的阻燃性，并且也能消除“爆米花”效應(yīng)。
表Ⅷ-錐形量熱計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

a來自實(shí)施例13的填充量為440 lbs/msf的第一層涂料，來自實(shí)施例18的填充量為182.3 lbs/msf的第二層涂料b來自實(shí)施例16的涂覆量為311.4 lbs/msf的第一層涂料，來自實(shí)施例19的填充量為313.2 lbs/msf的第二層涂料如表Ⅷ所示，實(shí)施例19顯示出低的煙霧和長(zhǎng)的點(diǎn)火時(shí)間。
在不偏離本發(fā)明的精神或主要特性的情況下，本發(fā)明可以有其它具體的形式，因此應(yīng)參考所附權(quán)利要求書而非前述說明書來指明本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．一種用于木質(zhì)纖維素材料的阻燃涂料組合物，它包含可膨脹的石墨顆粒；當(dāng)所述可膨脹的石墨顆粒處于加熱情況下用于吸收從這種顆粒中放出的有毒氣體的吸收劑材料；聚合物粘合劑；和濕潤(rùn)劑；所述可膨脹的石墨顆粒占所述可膨脹的石墨顆粒和所述固體吸收劑材料總量的約20-95重量％，所述聚合物粘合劑占所述聚合物粘合劑、所述可膨脹的石墨顆粒和所述固體吸收劑材料總量的約5-50重量％。
2．如權(quán)利要求1所述的組合物，它還包含含碳材料，所述含碳材料占所述含碳材料和所述聚合物粘合劑總量的約0-40重量％。
3．如權(quán)利要求1所述的組合物，它還包含發(fā)泡劑，所述發(fā)泡劑占所述發(fā)泡劑和所述聚合物粘合劑總量的約0-40重量％。
4．如權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述固體吸收劑材料選自石灰石、碳酸鈣、碳酸氫鈉和碳酸鈉。
5．如權(quán)利要求2所述的組合物，其中所述含碳材料選自二季戊四醇、季戊四醇、季戊四醇聚氨酯、苯酚、三甘醇、間苯二酚、肌醇、山梨醇、糊精和淀粉。
6．如權(quán)利要求3所述的組合物，其中所述發(fā)泡劑選自脲、丁基脲、雙氰胺、苯磺酰肼、蜜胺、氯代石蠟烴、胍和甘氨酸。
7．如權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述聚合物粘合劑選自酚醛樹脂、脲甲醛、蜜胺增強(qiáng)的脲甲醛樹脂、聚丙烯酸類膠乳樹脂、異氰酸酯增強(qiáng)的脲甲醛樹脂、蜜胺甲醛樹脂、間苯二酚甲醛樹脂、異氰酸酯樹脂、和它們的混合物和共聚物。
8．如權(quán)利要求1所述的組合物，其中用嵌加劑材料處理所述可膨脹的石墨顆粒。
9．如權(quán)利要求8所述的組合物，其中所述嵌加劑材料選自SOx、NOx和鹵素的嵌入化合物。
10．如權(quán)利要求1所述的組合物，它還包含吸收劑促進(jìn)劑，所述吸收劑促進(jìn)劑占所述吸收劑材料和所述吸收劑促進(jìn)劑總量的約0-60重量％。
11．如權(quán)利要求10所述的組合物，其中所述吸收劑促進(jìn)劑選自氫氧化鈣、三水合鋁、氫氧化鎂和氫氧化鋅。
12．如權(quán)利要求1所述的組合物，其中所述濕潤(rùn)劑包含占所述濕潤(rùn)劑總量的0.1重量％的表面活性劑。
13．一種用于木質(zhì)纖維素材料的阻燃涂層，它包含第一層和第二層；所述第一層包含可膨脹的石墨顆粒、當(dāng)所述可膨脹的石墨顆粒處于加熱情況下用于吸收從這種顆粒中放出的有毒物質(zhì)的吸收劑材料、聚合物粘合劑和濕潤(rùn)劑，所述可膨脹的石墨顆粒占所述可膨脹的石墨顆粒和所述固體吸收劑材料總量的約20-95重量％，所述聚合物粘合劑占所述聚合物粘合劑、所述可膨脹的石墨顆粒和所述固體吸收劑材料總量的約10-50重量％；所述第二層包含顏料、樹脂和濕潤(rùn)劑。
14．如權(quán)利要求13所述的組合物，其中所述顏料包含選自云母、二氧化鈦、二氧化硅、草酸鹽、鋅硼砂、珍珠巖和粘土中的至少一種物質(zhì)。
15．如權(quán)利要求13所述的組合物，它還包含含碳材料，所述含碳材料占所述含碳材料和所述聚合物粘合劑總量的約0-40重量％。
16．如權(quán)利要求13所述的組合物，它還包含發(fā)泡劑，所述發(fā)泡劑占所述發(fā)泡劑和所述聚合物粘合劑總量的約0-40重量％。
17．如權(quán)利要求13所述的組合物，其中所述固體吸收劑材料選自石灰石、碳酸鈣、碳酸氫鈉和碳酸鈉。
18．如權(quán)利要求15所述的組合物，其中所述含碳材料選自二季戊四醇、季戊四醇、季戊四醇聚氨酯、苯酚、三甘醇、間苯二酚、肌醇、山梨醇、糊精和淀粉。
19．如權(quán)利要求13所述的組合物，其中所述聚合物粘合劑選自酚醛樹脂、脲甲醛、蜜胺增強(qiáng)的脲甲醛樹脂、聚丙烯酸類膠乳樹脂、異氰酸酯增強(qiáng)的脲甲醛樹脂、和它們的混合物和共聚物。
20．如權(quán)利要求13所述的組合物，它還包含吸收劑促進(jìn)劑，所述吸收劑促進(jìn)劑占所述吸收劑材料和所述吸收劑促進(jìn)劑總量的約0-60重量％。
全文摘要
一種用于木質(zhì)纖維素材料的阻燃涂料組合物,它包含可膨脹的石墨顆粒、吸收劑材料、聚合物粘合劑、含碳材料、發(fā)泡劑和濕潤(rùn)劑。可膨脹的石墨顆粒占可膨脹的石墨顆粒和吸收劑材料總量的約20－95重量%。聚合物粘合劑占聚合物粘合劑、可膨脹的石墨顆粒和固體吸收劑材料總量的約5－50重量%。
文檔編號(hào)C09K21/14GK1312848SQ9980959
公開日2001年9月12日 申請(qǐng)日期1999年6月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月23日
發(fā)明者F·劉, W·朱 申請(qǐng)人:J·M·休伯有限公司