一种阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料，该材料由以下质量百分比的组分制备而成：聚醚多元醇10~30%、聚酯多元醇10~30%、异氰酸酯40~50%、发泡剂2~8%、发泡催化剂0.5~5%、石墨烯‑无机盐阻燃剂4~8%、泡沫稳定剂1~4%。本发明专利技术还公开了该材料的制备方法。本发明专利技术阻燃效果好、机械性能佳、安全无毒、成本较低且制备工艺简单，可满足大批量生产。

Flame retardant graphene polyurethane composite foam material and preparation method thereof

【技术实现步骤摘要】
一种阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料及其制备方法
本专利技术涉及材料
，尤其涉及一种阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料及其制备方法。
技术介绍
我国聚氨酯工业起步比较晚，直到1958年，国内对甲苯二异氰酸酯（TDI）的研究之后，聚氨酯行业飞速发展。在2010～2016年期间，国内聚氨酯的产值一路呈上升态势，大约每年增长9%，表明聚氨酯在我国的日用品方面、工业方面、建筑交通方面、国防工业方面等逐步占据主要地位。自2013～2017年以来，硬质聚氨酯泡沫塑料的产量增长率约9.6%，在2018年约300万吨左右。硬质聚氨酯泡沫塑料具有绝热性好、密度低、比强度大、绝缘、隔音、耐热、耐寒、耐溶剂等优良特性，但是硬质聚氨酯泡沫塑料为多孔结构，分子链段含有大量的碳、氢元素，极易被点燃和燃烧。同时，其低密度和高孔洞的结构会大大加快热量散失和燃烧速度，使燃烧过程中产生大量的HCN、CO等有毒烟气，极易造成人员窒息死亡。添加阻燃剂是提高硬质聚氨酯泡沫塑料阻燃性最简便的方法，如专利CN107868217A中添加十溴二苯醚制备低密度阻燃聚氨酯硬质泡沫塑料，虽然能赋予聚氨酯泡沫塑料良好的阻燃性能，但与基体相容性较差，添加后会导致聚氨酯泡沫塑料的力学性能恶化，且出现阻燃剂迁移的问题；如专利CN108976773A中将铝粉作为阻燃剂制备阻燃性聚氨酯泡沫塑料及专利CN107778429A中将Al2(OH)3、甲基磷酸二甲酯和三氯乙基磷酸酯作为阻燃剂制备阻燃聚氨酯泡沫塑料，虽然金属及金属氧化物具有很好的阻燃效果，但是金属、金属氧化物等阻燃剂添加后会造成聚氨酯泡沫原料的粘度增加，导致发泡不均匀，制备得到的聚氨酯泡沫结构有缺陷，同时会导致聚氨酯泡沫的表观密度增加，使聚氨酯泡沫的自重增加，这些问题都会影响聚氨酯泡沫的应用。因此，开发具有优异力学性能、阻燃性能且价格便宜的聚氨酯泡沫材料，对节能降耗具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种具有优异力学性能、阻燃性能且价格便宜的阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料。本专利技术所要解决的另一个技术问题是提供该阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料及其制备方法。为解决上述问题，本专利技术所述的一种阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料，其特征在于：该材料由以下质量百分比的组分制备而成：聚醚多元醇10~30%、聚酯多元醇10~30%、异氰酸酯40~50%、发泡剂2~8%、发泡催化剂0.5~5%、石墨烯-无机盐阻燃剂4~8%、泡沫稳定剂1~4%。所述聚醚多元醇是指乙二醇、丙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇中的一种或多种，该聚醚多元醇的粘度为200~350mpa·s，羟基值为160~300mgKOH/g，平均官能度为2~3。所述聚酯多元醇是指脂肪族聚酯多元醇、脂环族聚酯多元醇、含芳香环结构的芳香族聚酯多元醇中的一种或几种，该聚酯多元醇的粘度为300~750mpa·s，羟基值为250~460mgKOH/g，平均官能度为2~3。所述发泡剂是指一氟二氯乙烷、1,1,1,3,3-五氟丁烷、偶氮二甲酰胺、偶氮二甲酸二异丙酯、4,4-二磺酰肼二苯对甲苯磺酰肼、1,3-苯二磺酰肼、正丁烷、正戊烷、正庚烷、石油醚中的一种或几种。所述发泡催化剂是指三乙烯二胺、三乙醇二胺、N,N-二甲基环己胺、N,N-二甲基苄胺、二甲基乙醇胺中的一种或几种。所述石墨烯-无机盐阻燃剂是指将石墨烯与无机盐在溶液中通过界面组装形成超分子阻燃剂，然后经冷冻干燥得到固体石墨烯-无机盐阻燃剂。所述石墨烯是指普通石墨烯、氧化石墨烯、改性石墨烯、还原氧化石墨、改性氧化石墨烯中的一种或几种。所述无机盐是指氯化钠、氯化钾、氯化铵、硝酸钠、硝酸钾、磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸铵、磷酸二氢铵、硫酸钠、硫酸钾、硫酸铵、硫酸氢铵、碳酸铵、碳酸钾、碳酸氢铵中的一种或几种。所述泡沫稳定剂是指二甲基硅油、二乙基硅油、苯甲基硅油、聚二乙基硅油中的一种或几种。如上所述的一种阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料的制备方法，包括以下步骤：⑴按配比称重；⑵将聚醚多元醇、聚酯多元醇在1000r/min的转速下搅拌10min，得到A组分；⑶将发泡剂、发泡催化剂、石墨烯-无机盐阻燃剂、泡沫稳定剂加入所述A组分中，控制物料温度在25℃，3000r/min的转速下搅拌25min，得到B组分；⑷将所述B组分与异氰酸酯混合，在3000r/min的转速下高速搅拌20~30s，控制物料温度在25~30℃，注入到预热温度80℃的模具中发泡，再连同模具一起放入110℃的烘箱中，保温4~5h，之后降温至室温，打开模具，即得阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、单纯采用普通聚酯多元醇生产聚氨酯硬质泡沫塑料，由于其官能度（通常在2.0~2.4左右）偏低，制得的泡沫塑料机械强度不够，尺寸稳定性较差，在工业应用时出现收缩、脱落等严重现象。而单纯采用高官能度的聚醚多元醇（≥4），一方面聚醚多元醇的价格较高，将增加泡沫成本；另一方面由于较高的官能度及羟值，使制得的泡沫塑料刚性有余而韧性不足，且易出现泡沫开裂的现象。本专利技术采用聚醚多元醇和聚酯多元醇混合使用来提高多元醇混合物的平均官能度，同时采用混溶性好的聚醚多元醇与聚酯多元醇，使泡孔结构规整，均匀。2、石墨烯由于独特的单原子二维片层结构，比表面积高达2630m2/g，且表面含有丰富官能团可以与无机盐通过界面组装形成超分子阻燃剂，在本专利技术聚氨酯的制备过程中石墨烯起到“桥梁”作用，一方面石墨烯丰富的官能团可融入聚氨酯骨架中，提高聚氨酯泡沫塑料的力学性能，克服阻燃剂与基体相容性差、阻燃剂迁移等问题；另一方面石墨烯-无机盐阻燃剂还可以与聚氨酯进行交联复合，在树脂表层形成一层致密的保护膜，起到隔绝空气的作用，从而发挥阻燃的效果。3、本专利技术方法制备的阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料，阻燃效果好、机械性能佳、安全无毒、成本较低且制备工艺简单，可满足大批量生产。4、与目前商用的阻燃聚氨酯泡沫塑料相比，本专利技术采用石墨烯-无机盐作为阻燃剂制备的阻燃聚氨酯泡沫塑料性能更佳，利用本专利技术制得的阻燃聚氨酯泡沫塑料在极限氧指数与UL94燃烧等级方面均处于阻燃和难燃级别，优于目前商用阻燃剂的性能（参见表1）。表1极限氧指数与UL94燃烧等级测试结果具体实施方式实施例1一种阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料，该材料由以下质量百分比（g/g）的组分制备而成：乙二醇20%、脂肪族聚酯多元醇20%、异氰酸酯50%、发泡剂3%、三乙烯二胺2%、石墨烯-无机盐阻燃剂4%、二甲基硅油1%。其中：发泡剂是指一氟二氯乙烷与偶氮二甲酰胺按1：2质量比（g/g）混合均匀而得的混合物。石墨烯-无机盐阻燃剂是指将60g的石墨烯和无机盐溶解于1L去离子水中，凭借石墨烯与无机盐之间的非共价相互作用，如氢键、范德华力、静电相互作用等界面组装形成超分子阻燃剂，然后经冷冻干燥得到固体石墨烯-无机盐阻燃剂。普通石墨烯：氯化钠：磷酸铵=3：1：2（g/g）。该阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料的制备方法，包括以下步骤：⑴按配比称重；⑵将聚醚多元醇、聚酯多元醇置于料罐中，在1000r/min的转速下搅拌10min，得到A组分；⑶将发泡剂、发泡催化剂、石墨烯-无机盐阻燃剂、泡沫稳定剂加入A组分中，控制物料温度在25℃，3000r/min的转速下搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料，其特征在于：该材料由以下质量百分比的组分制备而成：聚醚多元醇10~30%、聚酯多元醇10~30%、异氰酸酯40~50%、发泡剂2~8%、发泡催化剂0.5~5%、石墨烯‑无机盐阻燃剂4~8%、泡沫稳定剂1~4%。

【技术特征摘要】
1.一种阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料，其特征在于：该材料由以下质量百分比的组分制备而成：聚醚多元醇10~30%、聚酯多元醇10~30%、异氰酸酯40~50%、发泡剂2~8%、发泡催化剂0.5~5%、石墨烯-无机盐阻燃剂4~8%、泡沫稳定剂1~4%。2.如权利要求1所述的一种阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料，其特征在于：所述聚醚多元醇是指乙二醇、丙二醇、一缩二乙二醇、二缩三乙二醇中的一种或多种，该聚醚多元醇的粘度为200~350mpa·s，羟基值为160~300mgKOH/g，平均官能度为2~3。3.如权利要求1所述的一种阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料，其特征在于：所述聚酯多元醇是指脂肪族聚酯多元醇、脂环族聚酯多元醇、含芳香环结构的芳香族聚酯多元醇中的一种或几种，该聚酯多元醇的粘度为300~750mpa·s，羟基值为250~460mgKOH/g，平均官能度为2~3。4.如权利要求1所述的一种阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料，其特征在于：所述发泡剂是指一氟二氯乙烷、1,1,1,3,3-五氟丁烷、偶氮二甲酰胺、偶氮二甲酸二异丙酯、4,4-二磺酰肼二苯对甲苯磺酰肼、1,3-苯二磺酰肼、正丁烷、正戊烷、正庚烷、石油醚中的一种或几种。5.如权利要求1所述的一种阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料，其特征在于：所述发泡催化剂是指三乙烯二胺、三乙醇二胺、N,N-二甲基环己胺、N,N-二甲基苄胺、二甲基乙醇胺中的一种或几种。6.如权利要求1所述的一种阻燃石墨烯聚氨酯复合泡沫材料，...

【专利技术属性】
技术研发人员：拜永孝，张玉金，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62