多元协效水性丙烯酸阻燃涂料的制备及其阻燃木材胶合板研究

作     者：邵煜然 

作者单位：浙江农林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜春贵

授予年度：2024年

学科分类：082902[工学-木材科学与技术] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0829[工学-林业工程] 

主      题：水性丙烯酸 阻燃涂料 硅酸钠 协效阻燃剂 木材胶合板 

摘      要：木材胶合板因具有木材天然的纹理、美丽的色彩、优异的尺寸稳定性等特点,在建筑、家具、装饰装修等领域得到了广泛应用。但木材胶合板属于可燃材料,容易燃烧而引发火灾,限制它的使用范围。为了提高木材胶合板的阻燃性能,本研究以水性丙烯酸为基料、硅酸钠为阻燃剂、三聚氰胺与尿素为改性与协效剂,制备了硅酸钠/三聚氰胺二元协效、硅酸钠/尿素/三聚氰胺三元协效水性丙烯酸阻燃涂料,并通过在杨木单板和木材胶合板表面构筑阻燃涂层的方法,制备了阻燃杨木单板和木材胶合板,采用元素分析(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、热重分析仪(TG)、锥形量热仪测试(CONE)和扫描电子显微镜(SEM)等仪器设备,对有关结构与性能等进行了表征,得出的主要结果与结论如下: (1)以水性丙烯酸为基料,硅酸钠为阻燃剂,三聚氰胺为改性与协效剂,采用油浴加热搅拌法制备了硅酸钠/三聚氰胺二元协效水性丙烯酸阻燃涂料(简称二元协效阻燃涂料,下同),研究了不同原料配比、反应温度、反应时间和阻燃剂浓度等因素对水性丙烯酸阻燃涂料结构与性能的影响。结果表明:二元协效阻燃涂料的较佳制备工艺参数为:三聚氰胺占硅酸钠阻燃剂质量分数的7%,反应温度20℃,反应时间40 min;以此工艺制得的二元协效阻燃涂料具有较好的物理力学性能和阻燃性能,但存在硅酸钠在水性丙烯酸涂料容易团聚、涂料粒径较大等缺点,需要进一步研究协效阻燃涂料。 (2)以水性丙烯酸为基料,硅酸钠为阻燃剂,尿素和三聚氰胺为改性与协效剂,采用油浴加热搅拌法制备了硅酸钠/尿素/三聚氰胺三元协效水性丙烯酸阻燃涂料(简称三元协效阻燃涂料,下同),研究了原料配比、反应温度、反应时间和阻燃剂浓度等因素对阻燃涂料结构与性能的影响。结果表明:三元协效阻燃涂料的较佳制备工艺参数为:尿素、三聚氰胺和硅酸钠的配比为7:7:86,反应温度40℃,反应时间40min;以此工艺制得的三元协效阻燃涂料比二元协效阻燃涂料具有更好的物理力学性能和阻燃性能,且硅酸钠在水性丙烯酸涂料能够完全均匀分散;三元协效阻燃涂料的阻燃机理是:硅酸钠作为阻燃剂,三聚氰胺与尿素作为改性剂,通过改性提高了硅酸钠在水性丙烯酸中的分散性能,通过生成氮气协助硅酸钠形成含硅炭层实现协效阻燃。 (3)采用三元协效阻燃涂料对杨木单板进行了阻燃处理,在杨木单板表面构筑阻燃涂层制得了阻燃杨木单板,研究了阻燃处理前后物理力学性能和阻燃抑烟性能的变化。结果表明:经过尿素和三聚氰胺改性剂改性的硅系阻燃剂几乎无团聚现象,使硅酸钠的阻燃性能完全发挥,大幅提升了水性丙烯酸涂料的阻燃性能;杨木单板经阻燃处理后,点燃时间显著延长,点燃后火焰高度大幅度降低,极限氧指数增加了7.6%,热分解速率峰值降低了63.9%,热释放速率峰值降低了34.3%,总热释放量降低了11.3%;燃烧后的残余物质量分数增加了156.8%,残炭层的厚度和硬度大幅增加。 (4)采用三元协效阻燃涂料对木材胶合板进行了阻燃处理,在胶合板表面构筑阻燃涂层制得了阻燃木材胶合板,研究了胶合板阻燃处理前后物理力学性能和阻燃抑烟性能的变化。结果表明:胶合板经过阻燃处理后,胶合强度均略有降低,含水率略有提高;相较于二元协效阻燃涂料处理的胶合板,热释放速率峰值降低了7.52%;烟生成量减少26.8%,具有较好阻燃的抑烟性能。