基于植酸铵-可膨胀石墨协同阻燃的环保型电缆防火涂料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及电缆防火材料，具体涉及一种基于植酸铵-可膨胀石墨协同阻燃的环保型电缆防火涂料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电缆防火涂料作为保障电力设施安全的核心材料，通过高温下形成膨胀炭层隔绝火焰与热量，有效延缓电缆绝缘层燃烧，防止火灾蔓延。近年来，随着核电、轨道交通等场景对电缆防火要求的提高，传统涂料已难以满足低烟、高耐火、强耐候等综合需求。

2、当前主流电缆防火涂料普遍采用磷-氮膨胀阻燃体系，以多聚磷酸铵（app2000）为酸源、三聚氰胺为气源、双季戊四醇为炭源。这类配方虽能形成多孔炭层，但存在显著缺陷：燃烧时烟密度（sdr）常高于75，释放的浓烟严重阻碍人员疏散；app2000用量需达25份以上才能满足耐火要求，导致挥发性有机物（voc）排放超标（＞50g/l），且高温残炭率不足30%，炭层易崩塌。此外，传统涂料膨胀倍率多低于20倍，炭层松散脆弱，抗压强度仅1.2mpa，难以承受电缆热形变应力，在湿热或盐雾环境中易粉化脱落。

3、针对上述问题，行业尝试了多种改进方案，但均未实现突破。例如，添加氢氧化铝虽可降低烟密度，但需30份以上用量，导致涂料粘度激增、成膜性劣化；引入石墨烯虽能提升膨胀倍率，但原料成本超200元/kg，且依赖高能耗的超声波分散工艺；使用植酸等生物基阻燃剂单独作用时耐火性能不足，仍需依赖传统磷系成分。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何解决现有的防火涂料所存在的性能较差的问题。

2、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

3、本发明提出一种防火涂料，包括以下重量份的组分：水性丙烯酸乳液45~55份，水8~12份，多聚磷酸铵12~18份，双季戊四醇1~3份，三聚氰胺8~12份，植酸铵6~10份，可膨胀石墨3~7份，钛白粉3~7份，滑石粉3~7份，硅微粉3~7份，消泡剂0.3~0.7份，成膜助剂0.8~1.2份，羟乙基纤维素醚0.5~1.0份，分散剂1.5~2.5份。

4、有益效果：本发明所制备的防火涂料以水性丙烯酸乳液为基体，通过引入植酸铵与多聚磷酸铵构成磷-氮协效阻燃体系，并复配可膨胀石墨作为物理膨胀剂，协同提升炭层致密性。阻燃体系包括多聚磷酸铵、双季戊四醇、三聚氰胺、植酸铵；植酸铵为生物基磷-氮阻燃协效剂；填料包括可膨胀石墨、滑石粉、钛白粉、硅微粉；助剂包括消泡剂、成膜助剂、羟乙基纤维素醚、分散剂。成膜助剂用于改善水性丙烯酸乳液在低温条件下的成膜连续性，使所述防火涂料在不高于5℃的环境温度下仍能形成连续涂膜。分散剂用于抑制可膨胀石墨团聚，分散后填料粒径d50≤50μm。

5、优选的，所述水性丙烯酸乳液的固含量为50~60%。

6、优选的，所述多聚磷酸铵为高聚合度结晶ⅱ型聚磷酸铵，聚合度≥1000。

7、优选的，所述多聚磷酸铵的磷含量≥30 wt%，氮含量≥14 wt%。

8、优选的，所述植酸铵的制备方法，包括以下步骤：将植酸水溶液、氨水反应，即得。

9、优选的，所述植酸水溶液中植酸、氨水中氨的摩尔比为1 : （6~12）。

10、优选的，所述植酸水溶液中植酸的质量分数为50~70wt%。

11、优选的，所述氨水中氨的质量分数为25~28 wt%。

12、优选的，所述反应的温度为20~40℃，反应的时间为1~2h。

13、优选的，反应过程中，控制ph为6.5~7.5。

14、优选的，反应后，经减压浓缩、干燥、粉碎、过筛。

15、优选的，所述过筛为过160~240目；进一步优选为200目。

16、优选的，所述可膨胀石墨的粒径为60~90目，进一步优选为80目。

17、优选的，所述可膨胀石墨的比表面积≥20 m2/g，膨胀倍率≥25倍（800℃测试）。

18、优选的，所述消泡剂为矿物油类消泡剂、有机硅类消泡剂、聚醚类消泡剂中的一种或多种。

19、优选的，所述消泡剂为消泡剂nxz。

20、优选的，所述成膜助剂为苯甲醇、丙二醇苯醚中一种或多种。

21、优选的，所述分散剂为阴离子型分散剂。

22、优选的，所述分散剂为聚羧酸钠盐、聚丙烯酸钠盐、六偏磷酸钠中的一种或多种；进一步优选为聚羧酸钠盐。

23、优选的，所述分散剂的分子量为3000~6000 da。

24、本发明还提出一种防火涂料的制备方法，包括以下步骤：

25、（1）将水性丙烯酸乳液、水、羟乙基纤维素醚混合，得基料预混液；

26、（2）将多聚磷酸铵、双季戊四醇、三聚氰胺、植酸铵加到基料预混液中混合，得混合液；

27、（3）将可膨胀石墨、分散剂干混后加到（2）中混合液中，加入钛白粉、滑石粉、硅微粉混合，再加入消泡剂、成膜助剂研磨后加热，即得。

28、优选的，步骤（1）中，所述混合的时间为10~20min。

29、优选的，步骤（1）中，所述混合的搅拌转速为200~300r/min。

30、优选的，步骤（2）中，所述混合的时间为20~50min，进一步优选为20~30min。

31、优选的，步骤（2）中，所述混合的温度≤45℃，进一步优选为20~45℃。

32、优选的，步骤（2）中，所述混合的搅拌转速为1200~1500r/min。

33、优选的，步骤（3）中，所述干混的时间为3~7min，进一步优选为3~5min。

34、优选的，步骤（3）中，所述混合的时间为15~25min。

35、优选的，步骤（3）中，所述研磨细度≤50μm，进一步优选为10~50μm。

36、优选的，步骤（3）中，所述加热的温度为18~32℃，加热的时间为20~50h，进一步优选为20~30℃，24~48h。

37、优选的，步骤（1）、（3）中，所述混合的温度为室温。

38、优选的，所述防火涂料粘度为7500~8500 mpa·s。

39、本发明还提出一种上述防火涂料在电缆防护中的应用。

40、优选的，所述电缆用于核电站、地铁隧道。

41、本发明的有益效果在于：

42、1、本发明的防火涂料中，乳液为成膜物，阻燃体系（多聚磷酸铵、双季戊四醇、三聚氰胺、植酸铵）发挥协同阻燃的作用，其中，多聚磷酸铵为酸源，高温（＞250℃）下分解生成聚磷酸（h3po4），催化炭源（双季戊四醇）脱水成炭，形成磷酸酯类物质，覆盖基材表面隔绝氧气，抑制燃烧链式反应。双季戊四醇为炭源，也是成炭剂，作用是在足够的热量作用下，使碳链脱去羟基转化为活性炭，进而形成绝热炭化层，从而阻断热量的传递。三聚氰胺为气源，也是发泡剂，作用是受热分解产生nh3、n2等不燃气体，稀释可燃气体浓度，抑制火焰蔓延。

43、2、本发明添加了生物基阻燃剂植酸铵作为协效阻燃剂，植酸铵提供磷酸根（po43-）和氨基（nh4+），与多聚磷酸铵形成“磷-氮协效”，提升阻燃效率。同时，生物基来源（植物提取），替代部分磷系阻燃剂，降低voc排放，抑制燃烧时的烟雾生成，使得烟密度等级。填料（可膨胀石墨、滑石粉、钛白粉、硅微粉）起到调节粘度和密度的作用，助剂（消泡剂、成膜助剂、羟乙基纤维素醚、分散剂）综合改善了涂料的性能。遇火时，阻燃体系协同作用，在助剂的作用下，能够形成高膨胀封闭的炭化层，增强隔热性。涂覆于室外电缆表面的涂料，对耐湿热性、耐冻性有极大要求，本发明的防火涂料，在乳液、阻燃体系、填料、助剂的协同作用下满足了上述性能要求。

44、3、本发明构建了“化学-物理”双效协同体系，通过引入可膨胀石墨作为物理膨胀剂，其层状结构在高温下迅速膨胀，与多聚磷酸铵/植酸铵的化学成炭反应协同，形成蜂窝状-层状复合炭层，使膨胀倍率提升至23倍以上，抗压强度达1.8mpa，耐火极限突破90分钟。同时，羟乙基纤维素醚优化了涂料的流变性能，保障了喷涂施工的均匀性，而植酸铵作为生物基磷-氮协效剂，减少多聚磷酸铵用量，烟密度降至50以内。成膜助剂优化低温成膜性能，羟乙基纤维素醚用于调节涂料流变性能，聚羧酸钠盐为阴离子型分散剂，分散剂的加入则解决了可膨胀石墨易团聚的难题，抑制可膨胀石墨团聚，确保填料均匀分散。

45、4、本发明所制备的防火涂料，为水性环保涂料，无重金属添加，对环境无污染；且减少了磷元素依赖，降低环境负荷。

46、5、相较于传统方案，本发明在维持成本增幅10%以内的前提下，实现了防火性能、环保性与施工适应性的全面提升，尤其适用于高湿度、高盐雾或强热负荷的严苛环境，为电缆防火领域提供了革新性解决方案。

47、6、电缆属于易燃物，而本发明的防火涂料，属于高膨胀防火涂料，膨胀倍数为23~28倍，能够有效的阻隔热量向电缆内部的传递。阻燃体系（多聚磷酸铵、双季戊四醇、三聚氰胺、植酸铵）中四者协同使用使耐火极限大于90分钟。

48、7、本发明的防火涂料可以常温自然固化，方便施工。固化后，与电缆粘附力强，能够紧紧粘附于电缆表皮上，有效延长了防火时间。同时，多聚磷酸铵、双季戊四醇、三聚氰胺、植酸铵和可膨胀石墨协同作用，能够形成致密蜂窝状或蜂窝状-层状复合炭层，从而降低灼烧后炭化层开裂和塌陷的风险。

49、8、本发明公开了一种生物基阻燃剂与物理膨胀剂的高效环保型防火涂料，尤其适用于核电站、地铁隧道等对低烟、高耐火性能要求严苛的电缆防护。

50、9、本发明涂料具有低烟（sdr≤50）、高耐火极限（≥90分钟）等优点，适用于高防火要求的电缆防护场景。

51、当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。