本發(fā)明涉及海綿材料領(lǐng)域，具體涉及一種阻燃海綿材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、阻燃海綿材料在現(xiàn)代工業(yè)與消費領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，尤其是在家具制造、建筑裝飾、交通運輸（如汽車內(nèi)飾、航空座椅）以及電子設(shè)備等需要兼顧舒適性和安全性的場景中，阻燃性能成為材料選擇的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)海綿材料因其高分子結(jié)構(gòu)的易燃特性，在火災(zāi)發(fā)生時可能快速燃燒并釋放大量有毒煙霧，嚴(yán)重威脅人身和財產(chǎn)安全。因此，開發(fā)具有優(yōu)異阻燃性能的海綿材料成為行業(yè)關(guān)注的重點。在實際應(yīng)用中，阻燃海綿材料不僅需要具備良好的阻燃性能，如降低燃燒速率、減少煙霧釋放并延緩火勢蔓延，還需在力學(xué)性能方面表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性、抗壓縮性和耐久性，以滿足長時間使用的要求。此外，這類材料還需在復(fù)雜環(huán)境下保持穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)多種溫濕度條件以及機械應(yīng)力作用，同時具備環(huán)保性和低毒性以符合現(xiàn)代綠色發(fā)展的要求。滿足這些性能需求對于提升阻燃海綿材料的應(yīng)用價值、提高相關(guān)產(chǎn)品的安全性以及推動行業(yè)的技術(shù)進步具有重要意義，不僅能顯著延長材料的使用壽命，還能拓寬其在高端市場中的應(yīng)用范圍，從而促進阻燃材料領(lǐng)域的創(chuàng)新與發(fā)展。

2、目前，阻燃海綿材料的研究和開發(fā)雖然取得了一定的進展，但仍存在力學(xué)性能與阻燃性能難以兼顧的問題。如公開號為cn105860392a的中國專利公開了一種聚乙烯醇基海綿材料的制備方法，雖然顯著提高了材料的阻燃等級，但由于無機阻燃劑與海綿基體的相容性較差，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能顯著下降，表現(xiàn)為抗壓縮性和回彈性的不足。此外，公開號為cn108034035a的中國專利公開了一種協(xié)同型阻燃海綿，盡管改性有效降低了材料的燃燒速率，但由于磷酸酯與鹵素混合阻燃劑的存在，不僅可能釋放有毒煙霧，還對環(huán)境造成潛在威脅。這些不足的主要原因在于現(xiàn)有技術(shù)中阻燃添加劑的分散性、界面相容性以及對材料整體結(jié)構(gòu)性能的破壞難以同時優(yōu)化，導(dǎo)致材料在力學(xué)性能、環(huán)保性和阻燃性能之間存在顯著的矛盾。因此，亟需開發(fā)一種能夠平衡力學(xué)性能與阻燃性能的新型阻燃海綿材料，通過優(yōu)化阻燃劑的設(shè)計和分布，提升材料的整體性能，同時滿足安全性、環(huán)保性和使用壽命的多重需求，從而為阻燃材料領(lǐng)域提供更加優(yōu)質(zhì)的解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、?(1)解決的技術(shù)問題

2、本發(fā)明的目的是提供一種阻燃海綿材料及其制備方法與應(yīng)用，解決目前海綿在力學(xué)性能和阻燃性能不足的問題。

3、?(2)技術(shù)方案

4、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下的技術(shù)方案：

5、一種阻燃海綿材料，以重量份數(shù)計，包括以下組成成分：磷基阻燃劑改性氧化羽毛狀碳納米管3.0~6.5份，含磷二醇改性二氧化硅氣凝膠4.0~6.5份；聚氨酯90~110份，氫氧化鋁20~30份，甲苯二異氰酸酯1.0~3.0份，去離子水1.0~1.5份，環(huán)戊烷0.5~1.5份，三乙醇胺0.5~1.5份，二月桂酸二丁基錫?0.2~0.5份，環(huán)氧大豆油5~10份，滑石粉5~10份，抗氧劑0.5~1.5份，光穩(wěn)定劑0.5~1.5份，顏料0.1~0.5份,三氧化二銻3.0~5.0份，膨脹石墨5~8份，硅油表面活性劑0.1~0.5份，異噻唑啉酮類抗菌劑0.1~0.3份。

6、所述的磷基阻燃劑改性氧化羽毛狀碳納米管為氧化羽毛狀碳納米管經(jīng)甲基膦酸二甲酯改性獲得；

7、所述的氧化羽毛狀碳納米管為碳納米管經(jīng)過濕法氧化獲得；

8、所述的含磷二醇改性二氧化硅氣凝膠為通過含磷二醇在溶膠-凝膠法中對二氧化硅氣凝膠進行化學(xué)改性獲得；

9、所述的含磷二醇由亞磷酸二乙酯、二乙醇胺和多聚甲醛通過縮合反應(yīng)制得。

10、進一步，所述的磷基阻燃劑改性氧化羽毛狀碳納米管的制備方法如下：以重量份數(shù)計，將40~60份氧化羽毛狀碳納米管、100~140份甲基膦酸二甲酯和3.0~6.0份單丁基氧化錫加入三孔培養(yǎng)瓶中，在160~170℃下攪拌24~36h，攪拌完成后升溫至180~185℃下繼續(xù)攪拌30~45min蒸發(fā)出未反應(yīng)的甲基膦酸二甲酯，蒸發(fā)完成后冷卻到室溫后獲得磷基阻燃劑改性羽毛狀碳納米管。

11、進一步，所述的氧化羽毛狀碳納米管的制備方法如下：以重量份數(shù)計，將從10~20份碳納米管、4.0~8.0份硝酸鈉和200份98wt.%的硫酸在冰浴中混合，然后以200~300rpm的攪拌速度攪拌20~30min，在攪拌的同時將25~30份高錳酸鉀緩慢加入混合液中，攪拌完成后將混合液在30~40℃的水浴中攪拌90~120min，攪拌完成后緩慢加入1000~1200份去離子水，然后在60~80℃下繼續(xù)攪拌25~35min得到懸浮液，再接著將30wt.%的雙氧水緩慢滴加進懸浮液，滴加過程中以200~300rpm的攪拌速度持續(xù)攪拌，直至懸浮液變?yōu)榱咙S色，接著離心收集沉淀物，并用10wt.%鹽酸溶液洗滌3次沉淀物，最后將洗滌后的沉淀物在室溫真空干燥箱中干燥20~24h獲得氧化羽毛狀碳納米管。

12、本發(fā)明采用磷基阻燃劑改性氧化羽毛狀碳納米管的設(shè)計主要用于增強阻燃海綿材料的阻燃性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過在氧化羽毛狀碳納米管表面引入磷基阻燃劑，賦予碳納米管優(yōu)異的阻燃性能，同時增強其與聚氨酯基體的相容性，進一步提升材料的整體阻燃效果和力學(xué)性能。在制備過程中，首先通過濕法氧化對碳納米管進行處理，使其表面形成豐富的羥基和羧基官能團，這些官能團不僅增加了碳納米管的化學(xué)活性，還為后續(xù)的磷基改性提供了結(jié)合位點。隨后，通過甲基膦酸二甲酯與氧化羽毛狀碳納米管的反應(yīng)，在其表面均勻引入磷基結(jié)構(gòu)，這種改性既提升了碳納米管的阻燃性能，也增強了其分散性和與其他組分的界面結(jié)合能力。在阻燃海綿材料中，磷基阻燃劑改性氧化羽毛狀碳納米管能與聚氨酯基體形成良好的物理和化學(xué)結(jié)合，從而在高溫環(huán)境下有效抑制火焰的傳播和材料的熱分解。此外，這一設(shè)計與其他組分具有良好的協(xié)同性，例如，與氫氧化鋁和三聚磷酸銨共同作用時，可以形成穩(wěn)定的炭化層，進一步提高材料的阻燃效率；同時，與含磷二醇改性二氧化硅氣凝膠協(xié)同，能夠在材料表面形成致密的隔熱屏障，從而有效阻擋熱量和氧氣的滲入，延緩材料的進一步燃燒。這種設(shè)計不僅充分利用了碳納米管的高比表面積和優(yōu)異的力學(xué)性能，也通過磷基改性顯著提升了其阻燃特性，最終實現(xiàn)了阻燃、力學(xué)性能和材料穩(wěn)定性的協(xié)同優(yōu)化。

13、在本發(fā)明中氧化羽毛狀碳納米管結(jié)合了碳納米管和石墨烯的特點，其羽軸部分類似碳納米管，提供優(yōu)異的力學(xué)強度和高比表面積，而羽片部分類似石墨烯，具有出色的二維片層效應(yīng)和較大的表面活性區(qū)域。在本發(fā)明的阻燃海綿材料中，氧化羽毛狀碳納米管通過濕法氧化處理，在其羽軸和羽片表面引入了大量的含氧官能團（如羥基和羧基），顯著提升了其在聚氨酯基體中的分散性，同時增強了與其他阻燃組分和基體之間的界面結(jié)合能力。羽軸部分的碳納米管結(jié)構(gòu)在材料中起到力學(xué)增強作用，提高了海綿的強度和韌性；羽片部分的石墨烯結(jié)構(gòu)則提供了優(yōu)異的阻燃性能，通過二維片層形成物理屏障，有效阻隔熱量和氧氣的擴散。此外，氧化羽毛狀碳納米管與磷基阻燃劑的協(xié)同作用進一步提升了材料的阻燃效果，在高溫下能夠促進炭化層的形成，抑制燃燒過程中的熱分解和火焰?zhèn)鞑?。通過這一設(shè)計，本發(fā)明實現(xiàn)了阻燃性能、力學(xué)性能和材料穩(wěn)定性的高度協(xié)同，使得海綿材料在建筑、家居和交通等領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用價值。

14、進一步，所述的含磷二醇改性二氧化硅氣凝膠的制備方法如下：以重量份數(shù)計，將18~25份正硅酸乙酯、45~55份無水乙醇和10份去離子水混合后磁力攪拌20~30min，然后加入35~42份含磷二醇繼續(xù)攪拌30~45min獲得a溶液備用；另取10~20份聚磷酸銨和150份無水乙醇混合后超聲45~60min獲得b溶液，然后將b溶液加入a溶液混的混合溶液，接著用氨水調(diào)節(jié)混合溶液ph為7.5~8.0，然后將調(diào)節(jié)ph后的混合溶液在45~50℃下靜置300~360min獲得凝膠，接著將凝膠放入200~250份體積比為1:1的正硅酸乙酯和無水乙醇的混合溶液中老化處理36~48h，處理完成后將凝膠取出放入200份正己烷中靜置30~42h，最后將處理完后的凝膠依次分別在50~55℃，70~75℃和110~120℃下烘干2h，最后得到含磷二醇改性二氧化硅氣凝膠。

15、進一步，所述的含磷二醇的制備方法如下：以重量份數(shù)計，將20~30份亞磷酸二乙酯、18~22份二乙醇胺、4.0~10.0份多聚甲醛和200份氯仿依次加入裝有冷凝回流裝置和磁力攪拌裝置的三口燒瓶中，然后在50~60℃下攪拌10~15h，攪拌過程中合成含磷二醇并去除溶劑，攪拌完成后冷卻到室溫，獲得含磷二醇。

16、本發(fā)明采用含磷二醇改性二氧化硅氣凝膠的設(shè)計主要用于增強阻燃海綿材料的阻燃性能和隔熱性能。通過制備含磷二醇并將其引入二氧化硅氣凝膠的骨架結(jié)構(gòu)中，顯著提升了材料的阻燃效果和熱穩(wěn)定性。在技術(shù)方案中，含磷二醇通過亞磷酸二乙酯、二乙醇胺和多聚甲醛縮合反應(yīng)制得，其分子中含有豐富的磷元素和羥基結(jié)構(gòu)，能夠在高溫下釋放磷氧化物，形成穩(wěn)定的保護層，抑制燃燒過程中的熱分解和火焰?zhèn)鞑?。將含磷二醇進一步引入到二氧化硅氣凝膠中，通過溶膠-凝膠法調(diào)控其微觀結(jié)構(gòu)，使改性后的氣凝膠兼具高比表面積和優(yōu)異的熱隔離性能，同時具有良好的阻燃特性。二氧化硅氣凝膠本身具有優(yōu)異的隔熱和低密度特性，而含磷二醇的引入不僅增強了其炭化能力，還通過磷元素的揮發(fā)性阻燃機制進一步提高了材料的抗火焰蔓延能力。在海綿材料的復(fù)合體系中，含磷二醇改性二氧化硅氣凝膠與其他阻燃組分協(xié)同作用，例如與磷基阻燃劑改性氧化羽毛狀碳納米管共同提升了炭化層的形成效率，與聚磷酸銨協(xié)同加速了熱解過程中氣體的稀釋效應(yīng)，最終實現(xiàn)了阻燃性能與隔熱性能的高度協(xié)同。這一設(shè)計通過優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，在賦予材料優(yōu)異阻燃性的同時，確保了其輕質(zhì)、隔熱和環(huán)境友好等特性，使其在建筑、家居和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

17、進一步，所述的光穩(wěn)定劑為光穩(wěn)定劑tinuvin770或光穩(wěn)定劑chimassorb944。

18、進一步，所述的顏料為鈦白粉或氧化鐵紅或碳黑中的一種或多種混合。

19、進一步，所述的硅油表面活性劑為dc-193水溶硅油或l-580硅油。

20、進一步，所述的異噻唑啉酮類抗菌劑為甲基異噻唑啉酮。

21、本發(fā)明采用阻燃組分協(xié)同復(fù)配的設(shè)計主要用于增強海綿材料的阻燃性能、力學(xué)性能和綜合穩(wěn)定性。通過將磷基阻燃劑改性氧化羽毛狀碳納米管與含磷二醇改性二氧化硅氣凝膠結(jié)合，并與聚氨酯基體及多種助劑復(fù)配，實現(xiàn)了材料的多重性能優(yōu)化。磷基阻燃劑改性氧化羽毛狀碳納米管提供了力學(xué)增強和阻燃屏障作用，含磷二醇改性二氧化硅氣凝膠則在高溫下協(xié)同促進炭化層的致密化，進一步提高了材料的抗火焰蔓延能力。此外，氫氧化鋁和膨脹石墨在材料中作為無機阻燃組分，與含磷阻燃劑產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，既能通過釋放不燃性氣體稀釋火焰周圍可燃?xì)怏w，又能在高溫下形成隔熱炭化層，進一步增強阻燃效果。三氧化二銻作為協(xié)效阻燃劑，與磷基阻燃劑共同作用，通過氣相阻燃和凝聚相阻燃的雙重機制，顯著提升了材料的抗燃燒性能。聚氨酯作為基體材料，與環(huán)氧大豆油、滑石粉和硅油表面活性劑共同作用，確保了海綿材料的力學(xué)性能、柔韌性和成型工藝的穩(wěn)定性?？寡鮿┖凸夥€(wěn)定劑的加入增強了材料在長期使用過程中的抗老化性能，而異噻唑啉酮類抗菌劑則賦予材料優(yōu)異的抗菌特性，拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明各組分之間通過協(xié)同作用實現(xiàn)了阻燃、力學(xué)、熱穩(wěn)定性和抗菌性能的全面提升，最終制備的阻燃海綿材料具有廣泛的應(yīng)用價值，適用于建筑、家居和交通等多種領(lǐng)域。

22、本發(fā)明還提供一種阻燃海綿材料的制備方法，包括以下步驟：

23、s1.原料混合：將聚氨酯、氫氧化鋁、甲苯二異氰酸酯、去離子水、環(huán)戊烷、三乙醇胺、二月桂酸二丁基錫、環(huán)氧大豆油、滑石粉、抗氧劑、光穩(wěn)定劑、顏料、三氧化二銻、膨脹石墨、硅油表面活性劑、二氧化硅氣凝膠和異噻唑啉酮類抗菌劑按照重量份數(shù)加入反應(yīng)釜中，然后以300~350rpm攪拌5~10min，接著繼續(xù)加入磷基阻燃劑改性氧化羽毛狀碳納米管和含磷二醇改性二氧化硅氣凝膠繼續(xù)攪拌10~20min獲得均勻分散混合溶液。

24、s2.發(fā)泡處理：將步驟s1獲得的均勻分散混合溶液，加熱至40~60℃發(fā)泡處理30~45min，發(fā)泡處理完再靜置30~45min，形成初步固化的海綿材料。

25、s3.固化處理：將s2初步固化的海綿材料依次在50~70℃、100~120℃和150~180℃條件下烘干4h完成固化，固化完成冷卻到室溫后獲得一種阻燃海綿材料。

26、本發(fā)明還提供一種阻燃海綿材料在建筑領(lǐng)域、家居領(lǐng)域和交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用。

27、本發(fā)明采用多組分協(xié)同復(fù)配的設(shè)計主要用于增強阻燃海綿材料的阻燃性能、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，同時保證其輕質(zhì)、環(huán)保和多功能特性。通過優(yōu)化配方和制備工藝，各組分在材料中的協(xié)同作用得以充分發(fā)揮，實現(xiàn)了性能的全面平衡與提升。在制備方法中，首先將各原料按比例加入反應(yīng)釜并進行攪拌混合，其中聚氨酯作為基體材料，具有優(yōu)異的柔韌性和加工性，為阻燃材料提供了基本的力學(xué)支撐和成型能力；在制備過程中，發(fā)泡處理步驟通過加熱和攪拌使材料形成均勻的泡孔結(jié)構(gòu)，既降低了密度又增強了隔熱性；多階段固化處理進一步優(yōu)化了材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，使其兼具優(yōu)異的阻燃效果和尺寸穩(wěn)定性。本發(fā)明制備的阻燃海綿材料在建筑領(lǐng)域、家居領(lǐng)域和交通運輸領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值，能夠滿足阻燃性、隔熱性、機械性能和環(huán)保要求兼具的多種需求，為這些領(lǐng)域提供了一種高性能的阻燃材料解決方案。

28、(3)有益的技術(shù)效果

29、1.?本發(fā)明通過磷基阻燃劑改性氧化羽毛狀碳納米管與含磷二醇改性二氧化硅氣凝膠的協(xié)同作用，顯著提升了阻燃海綿材料的阻燃性能、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，相較于現(xiàn)有技術(shù)，解決了阻燃劑分散性差、界面結(jié)合弱及阻燃效率低等痛點。在高溫下，各組分通過形成致密隔熱炭化層和阻隔氧氣的屏障，抑制火焰?zhèn)鞑ゲ⒀泳彑岱纸猓瑫r優(yōu)化的組分配比和工藝確保了材料的力學(xué)增強和阻燃效率的協(xié)同性。此發(fā)明為環(huán)保型高性能阻燃材料的開發(fā)提供了新思路，在建筑、家居和交通領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

30、2.?本發(fā)明通過氧化羽毛狀碳納米管與磷基阻燃劑的協(xié)同作用，顯著提升了阻燃海綿的阻燃性能、力學(xué)性能和材料穩(wěn)定性，相較于現(xiàn)有技術(shù)，解決了阻燃劑分散性差、界面結(jié)合弱及阻燃效率低等問題。氧化羽毛狀碳納米管結(jié)合碳納米管的力學(xué)增強效應(yīng)與石墨烯的二維屏障效應(yīng)，在高溫下形成致密炭化層，有效阻隔熱量和氧氣擴散；同時，其表面官能團與基體和其他組分緊密結(jié)合，確保性能協(xié)同性。本發(fā)明在建筑、家居和交通領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用價值，為高性能阻燃材料開發(fā)提供了新方向。

31、3.?本發(fā)明通過磷基阻燃劑改性氧化羽毛狀碳納米管與含磷二醇改性二氧化硅氣凝膠的協(xié)同作用，結(jié)合氫氧化鋁、膨脹石墨和三氧化二銻等無機阻燃組分，顯著提升了阻燃海綿的抗燃燒性能、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，與現(xiàn)有技術(shù)相比，解決了阻燃效率低、耐久性差和環(huán)境友好性不足等難題。各組分通過優(yōu)化配比在高溫下協(xié)同形成致密隔熱炭化層，既抑制火焰?zhèn)鞑?，又延緩熱分解，同時聚氨酯基體與助劑的結(jié)合確保了材料的柔韌性、抗老化性能和抗菌特性，適用于建筑、家居和交通領(lǐng)域，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。