基于植物材料的阻燃復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于植物材料的阻燃復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]建筑業(yè)近年來不斷發(fā)生失火現(xiàn)象，愈加引起各界的重視，根據(jù)調(diào)查這些大火多是發(fā)生在保溫材料引起。近年來為了節(jié)能，用保溫材料背覆，室溫冬季可提高4度或更高，節(jié)約了暖氣與空調(diào)的電能，減少二氧化碳排放，世界上多數(shù)國家也都如此。
現(xiàn)在國內(nèi)使用的保溫材料多數(shù)為聚苯乙烯發(fā)泡和聚氨酯發(fā)泡板材。它質(zhì)地輕、好運(yùn)輸和切割，又好安裝。且價(jià)格低廉。但由于它的材質(zhì)本身系發(fā)泡材料，聚苯乙烯加發(fā)泡劑將空氣充填在每一個(gè)發(fā)泡的盲孔(閉孔)內(nèi)。聚苯乙烯可燃，它的氣泡內(nèi)是空氣中的氧和氮為主，氧可助燃。一旦失火，當(dāng)然會(huì)燃燒起來，火會(huì)更旺。且這些材料硬度在某些地方不能達(dá)到要求，會(huì)對建筑造成一定的安全隱患。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于植物材料的阻燃復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。
[0004]為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括:
一種基于植物材料的阻燃復(fù)合材料，包括以植物材料為基材，以及一種與所說的基材功能性接觸的納米復(fù)合材料。
[0005]進(jìn)一步的，所述植物材料選自植物纖維、植物纖維原材料或植物纖維半成品；用于該新的復(fù)合材料的適宜基材為基于植物材料的基材，這些復(fù)合材料具體為植物纖維、植物纖維原料或植物纖維半成品，但不包括木材。
該基材可具有非常不同的物理形狀，并且是，例如，粒狀、絮狀、纖維狀、條狀、板狀、薄片狀、片狀或塊狀，或具有層狀結(jié)構(gòu)，或?yàn)槿魏嗡栊螤畹某尚臀锲贰?br>[0006]適宜的基材具體選自為天然纖維，如種子纖維，如棉；果實(shí)壁纖維，如木棉(kapok);韌皮纖維，如亞麻、大麻、黃麻或苧麻；和硬纖維，如劍麻、椰子。適宜的植物纖維原材料為:如蘆葦(reed)和水稻或谷類和禾桿。適宜的植物纖維半成品(加工后)為:如纖維束、線、帶、繩、麻線、網(wǎng)絲和紗線，以及半成品、如織物、織布、針織、編織、紡織品、無紡布、毛氈、纖網(wǎng)、墊子。
進(jìn)一步的，所述納米復(fù)合材料是通過硅烷進(jìn)行表面改性的無機(jī)膠體粒子；所述無機(jī)膠體粒子選自納米等級Si02、T12> ZrO2> A1203、Y2O3> CeO2> SnO2> ZnO、氧化鐵或碳的溶膠和可分散粉末；優(yōu)選為為S12的溶膠和粉末，其中，粒徑狀優(yōu)選為最高達(dá)300nm，特別優(yōu)選高達(dá)lOOnm，最優(yōu)選為最高達(dá)50nm ;比例通常為5-60%重量、優(yōu)選10-40%重量，特別優(yōu)選10-20%重量。
所述硅烷選自SRX-S1-A4_x ( I )，其中基團(tuán)A相同或不同，并且是羥基或除了甲氧基外的可水解去除的基團(tuán)，R基相同或不同，并且是不能水解除去的基團(tuán)，X為0、1、2或3，其中在硅烷至少為50mol%中X彡I。
[0007]這里給出了硅烷(b)的具體例子，其可以用于本發(fā)明且其基團(tuán)A可水解去除而基團(tuán)B不能水解去除。
可水解去除的基團(tuán)A的優(yōu)選例子為氫、鹵素(F、Cl、Br和I，特別為Cl和Br)、烷氧基(特別為C2_4燒氧基，如乙氧基、正_丙氧基、異丙氧基和丁氧基)、芳氧基(特別為C 芳氧基，如苯氧基)、烷基芳基氧基(如芐氧基)、酰氧基(特別為(V4-酰氧基，如乙酰氧基和丙酰氧基)和烷基羰基(如乙?；?。同樣也適宜的基團(tuán)A為氨基(如單-或二烷基-、_芳基-和-芳烷基氨基，其具有上述的烷基、芳基和芳烷基)、酰胺基(如苯甲酰氨基)和乙醛肟或酮肟基。兩個(gè)或三個(gè)基團(tuán)A也可一起形成配合Si原子的一部分，如在衍生于乙二醇、甘油或鄰苯二酚的S1-多醇配合物中。特別優(yōu)選的基團(tuán)A是C2_4烷氧基，特別為乙氧基。對于本發(fā)明的目的，不太優(yōu)選甲氧基，因?yàn)槠溆刑叩姆磻?yīng)性(納復(fù)合物溶膠的加工時(shí)間短)，且可使納復(fù)合材料和/或復(fù)合材料的柔韌性不夠。
上述可水解的基團(tuán)A，如果需要，可帶一個(gè)或多個(gè)常規(guī)的取代基，例如鹵素或烷氧基。不能水解去除的基團(tuán)R可優(yōu)選選自:燒基(特別是CV4-烷基，如甲基、乙基、丙基和丁基)，鏈烯基(特別為C2_4-鏈烯基，如乙烯基、1-丙烯基、2-丙烯基和丁烯基)、鏈炔基(特別為C2_4-鏈炔基，如乙炔基、炔丙基)、芳基(特別為C6_1(l-芳基，如苯基和萘基)和相應(yīng)的烷基芳基和芳基烷基。如果需要的話，這些基團(tuán)也可帶有一個(gè)或多個(gè)常規(guī)取代基，如鹵素、燒氧基、輕基、氨基或環(huán)氧基。
上述烷基、鏈烯基和鏈炔基包括相應(yīng)的環(huán)狀基團(tuán)，如環(huán)丙基、環(huán)戊基和環(huán)己基。
特別優(yōu)選的基團(tuán)R是取代或未取代的Cy-烷基，特別為甲基和乙基，以及取代或未取代的C6_1(l-烷基，特別是苯基。
也優(yōu)選上式(I )中的X為O、I或2，特別優(yōu)選為O或I。還優(yōu)選:在至少60mol%、特別至少70mol%式(I )的娃燒中x=l。在具體情況中，甚至更優(yōu)選在高于80mol%，或甚至高于90mol% (如10mol % )或(I )的娃燒中χ=1。
該新的復(fù)合材料可從:如純的甲基三乙氧基硅烷(MTEOS)或MTEOS和四乙氧基硅烷(TEOS)的混合物作為組分(b)而加以制備。
建議在對復(fù)合材料賦予特別性能的具體場合下，使用具有一個(gè)或多個(gè)取代的R基團(tuán)的硅烷。例如，引入氟原子(如呈取代的脂族(特別為烷基)的基團(tuán))可使復(fù)合材料具有防水、防污、防塵和防油性能。
一種上面所述的基于植物材料的阻燃復(fù)合材料的制備方法，其步驟包括:
(1)將重量份5-60%的無機(jī)膠體粒子在一定條件下利用20-95%硅烷進(jìn)行改性；
(2)將0.1-80%改性后的無機(jī)膠體粒子與不超過20%添加劑混合，利用溶膠-凝膠工藝形成納米復(fù)合溶膠；
(3)再水解縮合納米復(fù)合材料溶膠；
(4)與基材接觸并固化。
[0008]進(jìn)一步的，所述步驟(I)在酸催化劑存在下pH值為1-2環(huán)境中進(jìn)行表面改性。
[0009]進(jìn)一步的，步驟(2 )中所述添加劑包括固化催化劑、有機(jī)粘合劑、顏料、染料、阻燃劑、形成玻璃成分的化合物、防腐蝕劑和/或涂料助劑。
[0010]進(jìn)一步的，所述步驟(3)在室溫至120°C的溫度下對納復(fù)合物溶膠進(jìn)行了后續(xù)反應(yīng)。優(yōu)選把得到的納復(fù)合溶膠進(jìn)行特殊的后續(xù)反應(yīng)步驟，在該步驟中把該混合物在40?120°C溫度下加熱數(shù)小時(shí)至數(shù)天。特別優(yōu)選在室溫下儲藏一天或在60-80°C下加熱數(shù)小時(shí)。該步驟提供給納復(fù)合溶膠的粘度優(yōu)選為5-500mPas、特別優(yōu)選10_50mPas。當(dāng)然，對于特定用途，可把該溶膠的粘度調(diào)至適宜的值，其作法為加入溶劑或除去反應(yīng)的副產(chǎn)物(如醇)。后續(xù)反應(yīng)步驟也優(yōu)選伴隨著減少溶劑含量。
[0011]進(jìn)一步的，所述步驟(4)在50°C至300°C溫度下進(jìn)行熱固化。
[0012]優(yōu)選的，在最終固化前，可在室溫下或稍提高的溫度下(如最高達(dá)約50°C)下進(jìn)行干燥步驟。
實(shí)際固化或預(yù)固化可在室溫下進(jìn)行，但優(yōu)選在高于50°C下進(jìn)行熱處理，優(yōu)選高于100°C，特別優(yōu)選在150°C或更高。固化時(shí)間通常為幾分鐘到幾小時(shí)，如2-30分鐘。
除了常規(guī)熱固化外(如在循環(huán)空氣爐中)，可使用其它固化方法，例如光化學(xué)固化(UV-UIS)、電子束固化、快速退火和用紅外(IR)或激光固化。
如果需要，在固化前，也可對制得的復(fù)合物進(jìn)行成型加工。
由上面所述方法制備的基于植物材料的阻燃復(fù)合材料在建筑材料中的應(yīng)用。
[0013]進(jìn)一步的，在建筑基材中間插入該復(fù)合材料或該復(fù)合材料涂布與建筑基材上；該基材呈用該納復(fù)合材料涂布的基材狀、用該納復(fù)合材料浸漬的纖維狀或具有一種基材的輕型復(fù)合材料狀。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括:本發(fā)明制備的復(fù)合材料涂布于基材上面或者插入基材的兩層之間使得到建筑材料硬度增加，且具有抗氧化性、阻燃性、疏水或疏油性；本發(fā)明制備方法簡單，材料易得，適合大規(guī)模生產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0014]鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本案發(fā)明人經(jīng)長期研宄和大量實(shí)踐，得以提出本發(fā)明的技術(shù)方案。如下將對該技術(shù)方案、其實(shí)施過程及原理等作進(jìn)一步的解釋說明。
下列實(shí)施例中，所用的硅溶膠是來自BAYER的含水硅溶膠(“LeVasil300/30”)，其固含量為30%重量，粒徑為7-10nm。實(shí)施例中使用下列縮寫。MTEOS=甲基三乙氧硅烷TE