本發明屬于化工建材和消防安全技術領域，具體涉及一種化學改性硅灰基阻燃木材復合涂料及其制備方法。
背景技術：
當前水性建筑涂料的主要成膜材料為水性聚氨酯、水性丙烯酸和水性環氧樹脂涂料等，其中水性聚氨酯涂料因其優良性能已被廣泛應用，尤其是采用丙烯酸酯改性水性聚氨酯乳液制備價廉、安全、無毒、環保的新型涂料，因此水性阻燃涂料的制備和研究主要聚焦于有機成膜材料與木材表面的粘結性能，以及無機納米粒子在有機成膜材料中的生長機理和阻燃效應。但對無機硅溶膠系涂料的研究較少，缺乏以無機硅質成膜材料為基料的阻燃木材涂料的制備及性能研究。
技術實現要素：
針對現有技術存在的不足，本發明提出一種新型的化學改性硅灰基阻燃木材復合涂料及其制備方法。
為解決上述問題，本發明采用的技術方案是：
一種化學改性硅灰基阻燃木材復合涂料，以質量百分數計，包括以下原料：
原料的質量百分數之和為100％；
激發劑采用硅酸鈉和氫氧化鉀的混合物。
激發劑包括質量百分數12％～18％的硅酸鈉和5％～7％的氫氧化鉀。
所述活性炭為核桃殼活性炭，平均粒度50.82μm。
所述聚丙烯酰胺為陰離子型白色顆粒。
所述二氧化鈦粒度為0.15μm～0.3μm，粒度分布寬度為0.1～0.2，油分散性為40μm～60μm。
所述復合涂的制備方法包括如下步驟：將配方量的激發劑溶入定量水中進行第一次攪拌后加入配方量的硅灰再次進行第二次攪拌，制得硅灰基溶膠；向硅灰基溶膠中依次加入配方量的活性炭、二氧化鈦、聚丙烯酰胺后進行第三次攪拌，靜置即得到復合涂料。
第一次攪拌條件為60℃～70℃、1000r/min～1500r/min攪拌30min。
配方量硅灰加入的時間持續15min～20min。
配方量的活性炭、二氧化鈦、聚丙烯酰胺加入總時間持續15～20min。
第三次攪拌條件為1000r/min～1500r/min攪拌20min～30min。
與現有技術相比，本發明具有以下技術效果：
1)本發明的創新性在于開辟了以硅灰、活性炭，二氧化鈦，聚丙烯酰胺制備無機硅質溶膠，研發阻燃木材涂料的新途徑。
2)本發明制備的復合涂料的熱穩定性高，對木材的阻燃性能優異。
3)本發明制備過程原材料成本低廉、環保，能夠規模利用工業固廢硅灰制備阻燃木材涂料，且涂料在整個生命周期均無毒無害。
4)本發明的制備方法采用較低的加熱溫度，制備過程在室內常溫常壓條
件下進行即可，制備條件柔和。
為了使本發明的目的及優點更加清楚明白，以下結合實施例對本發明進行進一步詳細說明。此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
具體實施方式
硅灰源于冶金工業固廢，屬富含活性硅的粉體，發明人研究發現，硅灰經激發劑的化學改性可形成具有-si-o-si-結構的硅溶膠，摻入助劑或經養護處理，可形成對木板粘附性較強的硅質膜層，理論上可產生阻燃效應，但實際其阻燃效果不佳。經發明人研究還發現，激發劑硅酸鈉和氫氧化鉀的加入對硅灰具有協同反應的效果，聚丙烯酰胺作為分散劑和協效改性劑，其有助于硅灰發展成結構更加致密的無定型硅質層，一定程度上能提高硅灰基涂料的阻燃性能，但是所制備硅灰基涂料的耐候性和阻燃性能效果仍需改善，因此，發明人長期探索，期望能有效改善硅灰基涂料的阻燃效果：在木結構有機涂料中摻入tio2等可延緩木材的熱分解速率，提高涂料的熱穩定性、抗氧化性能，形成結構更加密實、膨脹性能更高、導熱性能更低的膨脹層，有效阻止火焰蔓延和提高其阻燃性能；另外，tio2可吸收易使有機物老化的紫外線，從而提高木材的抗老化性能，其抗菌性還可對木材防腐；在堿性環境下，tio2水解形成的ti(oh)4還可與硅溶膠中的≡si-o-si≡等發生一定的縮聚反應，形成結構更加致密的硅質無定形物質；活性炭粉末可提高硅灰基涂料的疏水性，富含微孔的結構特征還可提高涂料受熱膨脹后所形成硅質層的密實度。理論上活性炭和二氧化鈦可作為硅灰基涂料的改性劑以優化其阻燃性能和耐候性。
因此，本發明利用可提供無機鋁硅酸鹽成分的硅灰為原料，在化學改性劑硅酸鈉和氫氧化鉀的作用下，生成無機硅灰基溶膠，并輔以活性炭，二氧化鈦，聚丙烯酰胺強化其在受熱時形成硅質層的密實度和膨脹性，提高其阻燃性能；其中，硅灰的重量為原料重量的25～35％，九水硅酸鈉為12-18wt％，氫氧化鉀為5～7wt％，溶液中鈉離子的量濃度cna+為2mol·l-1，鉀離子的量濃度ck+為2mol·l-1。
本發明所述硅灰可在市面直接購買得到，其主要化學質量百分數組成為：sio2：86.18％，al2o3：2.49％，mgo：1.95％，fe2o3：1.85％，k2o：1.66％，cao：1.61％，na2o：1.18％，tio2：0.84％，so3：0.38％，其它：1.86％。
本發明活性炭為核桃殼活性炭，平均粒度50.82μm。
本發明聚丙烯酰胺為陰離子型白色顆粒。
實施例1：
本實施例提供一種化學改性硅灰基阻燃木材復合涂料，包括以下原料：
微細硅灰粉25wt％
九水硅酸鈉12wt％
氫氧化鉀5wt％
二氧化鈦4wt％
聚丙烯酰胺1.5wt％
活性炭5wt％
水47.5wt％
其制備包括下列步驟：
準確稱取硅灰，活性炭，聚丙烯酰胺和二氧化鈦，將配方量的激發劑硅酸鈉和氫氧化鉀混合物溶入定量水中，然后將混合溶液置于60℃的磁力加熱攪拌機中攪拌30min，攪拌速度1000r/min；然后將配方量的硅灰緩慢加入攪拌機中拌和，約15min加完，制得硅灰基溶膠；最后依次加入配方量的活性炭、聚丙烯酰胺和二氧化鈦，約15min加完，以1500r/min的速度再攪拌20min，靜置即為復合涂料成品。
將復合涂料涂覆在膠合板表面，然后檢測其熱釋放性能，結果見表1。
實施例2：
本實施例提供一種化學改性硅灰基阻燃木材復合涂料，包括以下原料：
微細硅灰粉30wt％
九水硅酸鈉15wt％
氫氧化鉀6wt％
二氧化鈦5wt％
聚丙烯酰胺1wt％
活性炭4wt％
水44wt％
制備步驟同實施例1，檢測結果見表1。
實施例3：
本實施例提供一種化學改性硅灰基阻燃木材復合涂料，包括以下原料：
微細硅灰粉35wt％
九水硅酸鈉18wt％
氫氧化鉀7wt％
二氧化鈦6wt％
聚丙烯酰胺0.5wt％
活性炭2wt％
水31.5wt％
制備步驟同實施例1，檢測結果見表1。
表1為3個實施例涂料和未經表面涂覆本發明復合涂料樣品(對比例)的實驗結果，從中可見所制備涂料的阻燃性能優異，表現為材料熱釋放速率和總釋熱量減小、有焰燃燒時間縮短和引燃時間的延長。
表1實施例與對比例的熱釋放性能