一種聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種聚氨酯硬質泡沫?氣凝膠復合阻燃保溫材料及其制備方法，包括以下步驟：步驟一、將聚合物和黏土加入水中，攪拌得到膠體；步驟二、將所得膠體均勻涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面，然后冷凍，真空干燥得到聚氨酯硬質泡沫?氣凝膠復合阻燃保溫材料。由于本發明技術的本質是聚氨酯硬質泡沫后處理，不涉及聚氨酯本身結構的改變，因此本發明不會導致聚氨酯本身的優異性能下降，且采用的聚合物?黏土氣凝膠本身密度、導熱系數及力學性能等與聚氨酯硬質泡沫相似，因此所得復合材料的綜合性能與聚氨酯硬質泡沫相似，具有優異的性能，同時本發明工藝操作簡單，成本低，易于推廣。
【專利說明】
一種聚氨酯硬質泡沬-氣凝膠復合阻燃保溫材料及其制備 方法
技術領域
[0001] 本發明屬于阻燃保溫材料技術領域，具體涉及一種聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合 阻燃保溫材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 聚氨酯硬質泡沫塑料具有導熱系數低、機械性能優異、耐老化、耐化學品等優點， 被廣泛用作建筑、輸暖管道等保溫隔熱材料。
[0003] 聚氨酯分子鏈中碳氫比例高，從化學結構上講屬于易燃高分子材料;而且聚氨酯 泡沫密度小，比表面積大，燃燒時可與氧氣充分接觸，加速泡沫的燃燒。因此，聚氨酯泡沫的 極限氧指數(LOI)低，在16%~18%之間，屬于易燃材料，并在燃燒時釋放大量有毒煙霧。在 綠色節能建筑普及的今天，易燃的聚氨酯保溫材料的使用將帶來嚴重的火災隱患。
[0004] 聚氨酯的阻燃主要分為共聚、共混和后處理三種方式。目前商品化的阻燃聚氨酯 泡沫塑料主要采用共混金屬氧化物及溴系阻燃劑的方式，但共混阻燃的方式通常使得聚氨 酯的發泡過程受到影響，材料的表面和力學性能惡化，保溫性能也常會下降，而且鹵素存在 環境污染問題;CN105367738A公開了一種共聚N-9，10-二氫-9-氧雜-10-磷雜-10-氧化菲基 異丙基-N，N-二-(2-羥乙基)胺制備一種結構性阻燃劑阻燃的硬質聚氨酯泡沫塑料的方法， 該法與共混法相比，由于存在阻燃劑添加量及效率的限制其阻燃性能較低，阻燃劑價格高 等缺點；CN105369918A則公開了一種聚氨酯保溫復合板，包括聚氨酯保溫層，以金屬板覆面 制成的夾芯板，夾芯板的金屬板覆面層外包覆有水泥層。該保溫復合板阻燃性能好，保溫性 能不受影響，但由于水泥和金屬板的使用，導致材料密度大，應用環境受限。
[0005]研究報道表明，氣凝膠是一種導熱系數極低且阻燃性能十分優異的材料，將氣凝 膠與聚氨酯泡沫結合，將有望賦予復合材料優異的阻燃性能，同時保持聚氨酯的其他優異 性能。
【發明內容】
[0006] 作為各種廣泛且細致的研究和實驗的結果，本發明的發明人已經發現，將氣凝膠 與聚氨酯硬質泡沫結合，得到的復合材料具有優異的阻燃性能，同時保持了聚氨酯的其他 優異性能。基于這種發現，完成了本發明。
[0007] 本發明的一個目的是解決至少上述問題和-或缺陷，并提供至少后面將說明的優 點。
[0008] 為了實現根據本發明的這些目的和其它優點，提供了一種聚氨酯硬質泡沫-氣凝 膠復合阻燃保溫材料的制備方法，包括以下步驟：
[0009] 步驟一、將聚合物和黏土加入水中，攪拌得到膠體；
[0010] 步驟二、將所得膠體均勻涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面，然后冷凍，真空干燥得到聚 氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料。
[0011] 優選的是，所述聚合物為聚乙烯醇、聚氧化乙烯、天然橡膠、果膠、藻酸鹽、瓜爾膠、 聚酰亞胺前驅體中的一種或幾種的組合。
[0012] 優選的是，所述黏土為蒙脫土、累脫石、合成鋰皂石、合成云母、高嶺土、蛭石、海泡 石、凹凸棒、埃洛石、水滑石、硅藻土、硅灰石、羥基磷灰石中的一種或幾種的組合。
[0013] 優選的是，所述聚合物為重量比為1:2:1的聚乙烯醇、果膠和天然橡膠。
[0014]優選的是，所述黏土為1:2:1:2的蒙脫土、凹凸棒、合成云母和羥基磷灰石。
[0015] 優選的是，所述步驟一中，水為去離子水;聚合物的加入量占去離子水重量的1~ 10%，黏土的加入量占去離子水重量的1~15% ;攪拌的速度為800~1500r/min。
[0016] 優選的是，所述步驟二中，膠體涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面的厚度為1~10_。 [0017]優選的是，所述步驟二中，冷凍的溫度為_56°C~_196°C，且冷凍至冰晶生長完全； 所述真空干燥的溫度為室溫。
[0018] 優選的是，所述步驟二中，采用電噴方法將膠體涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面;所述 電噴方法為:將膠體注入帶不銹鋼噴頭的噴射容器內，然后用高壓電源將電壓施加在不銹 鋼噴頭上，并利用與噴射容器連接的推進栗將噴射容器內的膠體通過不銹鋼噴頭噴射至聚 氨酯硬質泡沫表面；電噴方法采用的噴射條件為:環境溫度為20~40°C，聚氨酯硬質泡沫表 面與不銹鋼噴頭的距離為5~10cm，膠體噴射流量為10~20mL/h，電壓為8~15kV，不銹鋼噴 頭的內徑為0.5~1.2mm。
[0019] 本發明還提供一種如上述的任一項制備方法制備的聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合 阻燃保溫材料。
[0020] 本發明中所述的聚氨酯硬質泡沫為市售商業品。
[0021] 本發明至少包括以下有益效果：
[0022] (1)由于本發明技術的本質是聚氨酯硬質泡沫后處理，不涉及聚氨酯本身結構的 改變，因此本發明不會導致聚氨酯本身的優異性能下降，且采用的聚合物-黏土氣凝膠本身 密度、導熱系數及力學性能等與聚氨酯硬質泡沫相似，因此所得復合材料的綜合性能與聚 氨酯硬質泡沫相似；
[0023] (2)由于本發明采用聚氨酯硬質泡沫原位涂覆氣凝膠前驅體（即聚合物和黏土加 入水中攪拌得到的膠體)再凍干的方式，侵入聚氨酯硬質泡沫泡孔的懸濁液(膠體)結冰撐 開泡孔，使得聚氨酯硬質泡沫與凍干形成的聚合物-黏土氣凝膠間的結合力增強，不易脫 落；
[0024] (3)由于本發明所采用的聚合物-黏土氣凝膠材料中含有大量黏土，因此在燃燒中 可阻隔空氣和熱量，賦予材料優異的阻燃性能。
[0025] (4)本發明工藝操作簡單，成本低，易于推廣。
[0026] 本發明的其它優點、目標和特征將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本 發明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。
【具體實施方式】：
[0027]下面結合實施例對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書 文字能夠據以實施。
[0028]應當理解，本文所使用的諸如"具有"、"包含"以及"包括"術語并不配出一個或多 個其它元件或其組合的存在或添加。
[0029] 實施例1:
[0030] -種聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，包括以下步驟：
[0031] 步驟一、將Ig聚乙烯醇(MW31000~50000,醇解度99%)加熱溶于IOOmL去離子水 中，然后加入15g蒙脫土攪拌得到膠體；
[0032] 步驟二、將所得膠體均勻涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面，厚度為10mm，然后在_78°C 下快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空干燥至完全凍干得到聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠 復合阻燃保溫材料;其中氣凝膠為聚乙烯醇-蒙脫土氣凝膠。
[0033] 實施例2:
[0034] -種聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，包括以下步驟：
[0035] 步驟一、將IOg藻酸鈉加熱溶于IOOmL去離子水中，然后加入5g輕石以1000r/min攪 拌得到膠體；
[0036]步驟二、將所得膠體均勻涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面，厚度為1mm，然后在_56°C下 快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空干燥至完全凍干得到聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復 合阻燃保溫材料;其中氣凝膠為藻酸鈉-蛭石氣凝膠。
[0037] 實施例3:
[0038] -種聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，包括以下步驟：
[0039] 步驟一、將2g果膠加熱溶于IOOmL去離子水中，然后加入Ig高嶺土以1200r/min攪 拌得到膠體；
[0040]步驟二、將所得膠體均勻涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面，厚度為5mm，然后在-196Γ (液氮浴）下快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空干燥至完全凍干得到聚氨酯硬質泡 沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料;其中氣凝膠為果膠-高嶺土氣凝膠。
[0041 ] 實施例4:
[0042] -種聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，包括以下步驟：
[0043]步驟一、將3g聚酰亞胺前驅體分散于IOOmL去離子水中，然后加入4g蒙脫土、4g合 成云母和4g累脫石，以1200r/min攪拌得到膠體；
[0044] 步驟二、將所得膠體均勻涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面，厚度為10mm，然后在-196Γ (液氮浴）下快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空干燥至完全凍干得到聚氨酯硬質泡 沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料。
[0045] 實施例5:
[0046] -種聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，包括以下步驟：
[0047] 步驟一、將5g藻酸鹽溶于IOOmL去離子水中，然后加入9g合成鋰阜石以1200r/min 攪拌得到膠體；
[0048] 步驟二、將所得膠體均勻涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面，厚度為5mm，然后在_78°C (液氮浴）下快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空干燥至完全凍干得到聚氨酯硬質泡 沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料。
[0049] 實施例6:
[0050] -種聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，包括以下步驟：
[0051 ] 步驟一、將5g瓜爾膠溶于IOOmL去離子水中，然后加入IOg水滑石LDH，以1500r/min 攪拌得到膠體；
[0052]步驟二、將所得膠體均勻涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面，厚度為1mm，然后在-78°C下 快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空干燥至完全凍干得到聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復 合阻燃保溫材料。
[0053] 實施例7:
[0054] -種聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，包括以下步驟：
[0055] 步驟一、將2g藻酸鹽溶于IOOmL去離子水中，然后加入IOg海泡石，以1400r/min攪 拌得到膠體；
[0056]步驟二、將所得膠體均勻涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面，厚度為10mm，然后在_56°C 下快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空干燥至完全凍干得到聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠 復合阻燃保溫材料。
[0057] 實施例8:
[0058] -種聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，包括以下步驟：
[0059] 步驟一、將IOg藻酸鹽溶于IOOmL去離子水中，然后加入5g硅藻土，以1200r/min攪 拌得到膠體；
[0060]步驟二、將所得膠體均勻涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面，厚度為5mm，然后在-78°c下 快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空干燥至完全凍干得到聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復 合阻燃保溫材料。
[0061 ] 實施例9:
[0062] -種聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，包括以下步驟：
[0063] 步驟一、將IOg天然橡膠和8g凹凸棒加入IOOmL去離子水中，以1200r/min攪拌得到 膠體；
[0064] 步驟二、將所得膠體均勻涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面，厚度為10_，然后在-196Γ (液氮浴）下快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空干燥至完全凍干得到聚氨酯硬質泡 沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料;其中氣凝膠為天然橡膠-凹凸棒氣凝膠。
[0065] 實施例10:
[0066] -種聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，包括以下步驟：
[0067] 步驟一、將6kg果膠和IOkg羥基磷灰石加入100L去離子水中，以1500r/min攪拌得 到膠體；
[0068] 步驟二、將所得膠體均勻涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面，厚度為10_，然后在-196Γ (液氮浴）下快速冷凍至冰晶生長完全，在室溫下真空干燥至完全凍干得到聚氨酯硬質泡 沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料;其中氣凝膠為果膠-羥基磷灰石氣凝膠。
[0069] 實施例11:
[0070] -種聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，包括以下步驟：
[0071] 步驟一、將8kg果膠和12kg黏土加入100L去離子水中，以1200r/min攪拌得到膠體； 所述黏土為1:2:1:2的蒙脫土、凹凸棒、合成云母和羥基磷灰石；
[0072] 步驟二、將所得膠體注入帶不銹鋼噴頭的噴射容器內，然后用高壓電源將電壓施 加在不銹鋼噴頭上，并利用與噴射容器連接的推進栗將噴射容器內的膠體通過不銹鋼噴頭 噴射至聚氨酯硬質泡沫表面，厚度為5_;然后在-196Γ(液氮浴)下快速冷凍至冰晶生長完 全，在室溫下真空干燥至完全凍干得到聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料；電噴方 法采用的噴射條件為:環境溫度為20°C，聚氨酯硬質泡沫表面與不銹鋼噴頭的距離為5cm， 膠體噴射流量為10mL/h，電壓為8kV，不銹鋼噴頭的內徑為0.5mm。
[0073] 實施例12:
[0074] -種聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，包括以下步驟：
[0075] 步驟一、將5kg聚合物和12kg埃洛石加入100L去離子水中，以1200r/min攪拌得到 膠體;所述聚合物為重量比為1:2:1的聚乙烯醇、果膠和天然橡膠；
[0076] 步驟二、將所得膠體注入帶不銹鋼噴頭的噴射容器內，然后用高壓電源將電壓施 加在不銹鋼噴頭上，并利用與噴射容器連接的推進栗將噴射容器內的膠體通過不銹鋼噴頭 噴射至聚氨酯硬質泡沫表面，厚度為8_;然后在-196Γ(液氮浴)下快速冷凍至冰晶生長完 全，在室溫下真空干燥至完全凍干得到聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料；電噴方 法采用的噴射條件為:環境溫度為30°C，聚氨酯硬質泡沫表面與不銹鋼噴頭的距離為8cm， 膠體噴射流量為15mL/h，電壓為12kV，不銹鋼噴頭的內徑為1.2mm。
[0077] 實施例13:
[0078] -種聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，包括以下步驟：
[0079] 步驟一、將8kg聚合物和IOkg黏土加入100L去離子水中，以1400r/min攪拌得到膠 體;所述聚合物為重量比為1:2:1的聚乙烯醇、果膠和天然橡膠;所述黏土為1:2:1:2的蒙脫 土、凹凸棒、合成云母和羥基磷灰石；
[0080] 步驟二、將所得膠體注入帶不銹鋼噴頭的噴射容器內，然后用高壓電源將電壓施 加在不銹鋼噴頭上，并利用與噴射容器連接的推進栗將噴射容器內的膠體通過不銹鋼噴頭 噴射至聚氨酯硬質泡沫表面，厚度為8_;然后在-196Γ(液氮浴)下快速冷凍至冰晶生長完 全，在室溫下真空干燥至完全凍干得到聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料；電噴方 法采用的噴射條件為:環境溫度為40°C，聚氨酯硬質泡沫表面與不銹鋼噴頭的距離為10cm， 膠體噴射流量為20mL/h，電壓為15kV，不銹鋼噴頭的內徑為1mm。
[0081] 表1示出了聚氨酯硬質泡沫和實施例1~13制得的聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻 燃保溫材料的性能數據。
[0082]值得說明的是，壓縮模量由Instron5565萬能材料試驗機測試，導熱系數按照GB/ T10801.1-2002測得，氧指數按照IS04589-1984測得，峰值熱釋放速率由FTT錐形量熱儀測 得(熱輻射功率50kW/m 2)。
[0083] 從表1可以看出，采用本發明的方法制備的聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫 材料的氧指數均高于聚氨酯硬質泡沫，峰值熱釋放速率均低于聚氨酯硬質泡沫，說明本發 明制備的材料具有較好的阻燃性能。
[0084] 表 1
[0086]盡管本發明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列 運用，它完全可以被適用于各種適合本發明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地 實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發明并不限 于特定的細節和這里示出與描述的實例。
【主權項】
1. 一種聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，其特征在于，包括以下 步驟： 步驟一、將聚合物和黏土加入水中，攪拌得到膠體； 步驟二、將所得膠體均勻涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面，然后冷凍，真空干燥得到聚氨酯 硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料。2. 如權利要求1所述的聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，其特征 在于，所述聚合物為聚乙烯醇、聚氧化乙烯、天然橡膠、果膠、藻酸鹽、瓜爾膠、聚酰亞胺前驅 體中的一種或幾種的組合。3. 如權利要求1所述的聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，其特征 在于，所述黏土為蒙脫土、累脫石、合成鋰皂石、合成云母、高嶺土、蛭石、海泡石、凹凸棒、埃 洛石、水滑石、硅藻土、硅灰石、羥基磷灰石中的一種或幾種的組合。4. 如權利要求1所述的聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，其特征 在于，所述聚合物為重量比為1:2:1的聚乙烯醇、果膠和天然橡膠。5. 如權利要求1所述的聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，其特征 在于，所述黏土為1:2:1:2的蒙脫土、凹凸棒、合成云母和羥基磷灰石。6. 如權利要求1所述的聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，其特征 在于，所述步驟一中，水為去離子水;聚合物的加入量占去離子水重量的1~10%，黏土的加 入量占去離子水重量的1~15%;攪拌的速度為800~1500r/min。7. 如權利要求1所述的聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，其特征 在于，所述步驟二中，膠體涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面的厚度為1~l〇mm。8. 如權利要求1所述的聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，其特征 在于，所述步驟二中，冷凍的溫度為-56 °C~-196Γ，且冷凍至冰晶生長完全;所述真空干燥 的溫度為室溫。9. 如權利要求1所述的聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合阻燃保溫材料的制備方法，其特征 在于，所述步驟二中，采用電噴方法將膠體涂覆至聚氨酯硬質泡沫表面;所述電噴方法為： 將膠體注入帶不銹鋼噴頭的噴射容器內，然后用高壓電源將電壓施加在不銹鋼噴頭上，并 利用與噴射容器連接的推進栗將噴射容器內的膠體通過不銹鋼噴頭噴射至聚氨酯硬質泡 沫表面；電噴方法采用的噴射條件為:環境溫度為20~40°C，聚氨酯硬質泡沫表面與不銹鋼 噴頭的距離為5~10cm，膠體噴射流量為10~20mL/h，電壓為8~15kV，不銹鋼噴頭的內徑為 0.5~1.2mm〇10. -種如權利要求1~9任一項所述的制備方法制備的聚氨酯硬質泡沫-氣凝膠復合 阻燃保溫材料。
【文檔編號】C08K3/26GK105860127SQ201610285012
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月3日
【發明人】陳洪兵, 沈鵬, 黃瑋, 敖銀勇, 劉波, 王浦澄
【申請人】中國工程物理研究院核物理與化學研究所