一种低含量石墨烯改性有机硅阻燃泡沫复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及有机硅技术领域，具体涉及一种低含量石墨烯改性有机硅绿色阻燃泡沫复合材料的制备方法。

背景技术：

目前，泡沫材料由于具有质轻、隔热、吸音、减震、防静电等一系列突出的优点，因此广泛应用于包装、床垫、建筑、交通运输、航空航天等领域。近年来，泡沫材料生产工业发展迅速，产量和种类与日俱增。常见的泡沫材料有聚氨酯海绵（pu）、聚乙烯泡沫（pe）、聚苯乙烯泡沫（eps）等，它们都有泡沫材料本身所具有的共通特点。一方面，它们都具有较低的密度，良好的弹性等优点，但是另一方面，它们又存在易燃烧、易热分解进而产生有毒物质危害人体健康以及破坏生态环境的问题。例如，属于易燃材料的聚氨酯海绵，燃烧后会产生大量的气体，这些气体中包括一氧化碳、氮氧化物以及氰化氢等有毒气体，人一旦吸入体内不仅会危害身体健康，严重地甚至会导致死亡。所以当发生火灾时，这些泡沫材料由于不完全燃烧以及遇热分解会产生大量的烟气，而多数的火灾遇害者正是因为吸入了这些有毒的烟气而导致死亡。

有机硅聚合物是一种由“硅-氧-硅”骨架的硅氧烷结构构成的，并通过硅与有机基团形成侧链。由于这种特殊的结构，所以使它一方面具有有机材料的一些优异性能，同时另一方面也具有无机材料的一些优异性能。例如，优良的耐高低温性能，良好的抗老化性能、突出的抗紫外线性能以及难燃性能。而有机硅泡沫将有机硅聚合物和泡沫材料的特点结合，同时具备有机硅聚合物和泡沫材料的优良性能。因此，相较于聚氨酯海绵等泡沫材料，有机硅泡沫的难燃性使其在阻燃方面具有潜在的应用前景。

当前主要是通过向有机硅泡沫中添加阻燃剂从而达到阻燃的目的。传统的阻燃剂一般有氢氧化铝、氢氧化镁等金属氧化物，但是需要添加很高的含量才能达到阻燃的效果。除此以外，卤素也是一种常用的阻燃剂，但是存在危害人体健康以及污染环境的问题。所以急需研究一种绿色环保且在低含量时能达到阻燃效果的阻燃剂。

技术实现要素：

为解决目前有机硅泡沫中需要添加很高含量的阻燃剂才能达到阻燃的效果，及有些阻燃剂存在危害人体健康以及污染环境的问题，本发明提供一种低含量石墨烯改性有机硅绿色阻燃泡沫复合材料及其制备方法，该材料不仅具有优良的阻燃自熄性能，同时也具有良好的弹性性能、压缩性能和疏水性能。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种低含量石墨烯改性有机硅阻燃泡沫复合材料由各原料制备而成，各原料的重量份为：

有机硅油40-98，

发泡剂0.2-10，

阻燃剂0.01-10，

催化剂0.0002-0.02，(按照pt含量计算)，

抑制剂0.1-5.0。

作为优选，各原料的重量份为：

有机硅油60-98，

发泡剂0.5-5.0，

阻燃剂0.02-1.0，

催化剂0.0002-0.01，(按照pt含量计算)，

抑制剂0.5-2.0。

所述有机硅油包括羟基硅油、含氢硅油、乙烯基硅油，所述有机硅油包括羟基硅油、含氢硅油、乙烯基硅油，其中羟基硅油占有机硅油总质量百分比为20-85%；含氢硅油占有机硅油总质量百分比为5-30%；乙烯基硅油占有机硅油总质量百分比为10-50%。

所述的羟基硅油选自具有不同侧链和分子量的羟基硅油中的一种或几种，优选为羟基封端聚甲基苯基硅油、羟基封端聚二甲基硅油中的一种或几种，粘度为在25℃下2000-200000mpa·s。

所述含氢硅油选自具有不同含氢量和分子量的含氢硅油中的一种或几种，其中，含氢硅油活性氢质量分数为0.1-1.65%，粘度为10-50mpa.s。

所述乙烯基硅油选自具有不同侧链和分子量的乙烯基硅油中的一种或几种。优选为甲基乙烯基硅油、苯基乙烯基硅油中的一种或几种，粘度为在25℃下100-200000mpa·s。

所述发泡剂选自ac发泡剂、水/亲水溶剂、聚乙二醇等中的一种或几种。

所述阻燃剂选自石墨烯及其衍生物中的一种或几种，优选为kh550功能化石墨烯、kh560功能化石墨烯、kh570功能化石墨烯、十八烷基三乙氧基硅烷偶联剂改性氧化石墨烯、含氢氯硅烷改性氧化石墨烯中的一种或几种。

所述催化剂选自铂系催化剂中的一种或多种，优选为氯铂酸-异丙醇溶液、卡斯特铂系催化剂中的一种或几种。

所述的抑制剂选自3-甲基丁炔醇-3、3,5-二甲基-1-己炔-3-醇、氨基硅油、马来酸二烯丙酯、富马酸二乙酯中的一种或多种。

本发明在有机硅油中加入阻燃剂、催化剂、发泡剂和抑制剂后，通过简单的机械共混即可制得轻质、泡孔均匀的有机硅改性泡沫复合材料。

一种低含量石墨烯改性有机硅阻燃泡沫复合材料的制备方法包括以下步骤：

（1）首先将含氢硅油、羟基硅油与阻燃剂、抑制剂、发泡剂混合后制得a组份，同时将乙烯基硅油与催化剂充分混合均匀制得b组份；

（2）然后将a、b组份按照质量比1:1，通过机械搅拌混合，在10-180℃的温度下固化10-30分钟制备出有机硅阻燃泡沫复合材料。

本发明采用简单的机械共混的这种方法，利用有机硅泡沫自身优良的难燃性、耐高温性制备了有机硅阻燃泡沫复合材料，制备过程简单易操作，同时所使用的原料绿色无污染。该泡沫密度低、泡孔结构均匀，具有优异阻燃自熄的效果和良好的力学回弹性。

本发以有机硅油为基体，结合了新型的、绿色的阻燃剂－石墨烯及其衍生物，在催化剂、发泡剂、抑制剂的共同作用下制备了绿色无污染的有机硅阻燃改性泡沫复合材料。因有机硅泡沫自身良好的难燃性、无毒性，和阻燃剂共同作用可达到低含量、无危害、绿色环保同时有效阻燃的目的。该材料制备过程简单易操作，属于绿色环保型的轻质阻燃泡沫复合材料，在航空航天、建筑等领域有广阔的应用前景。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）该材料密度低、泡孔结构均匀，具有优异阻燃自熄的效果（达到ul-94v0级）和良好的力学回弹性；

（2）该材料制备过程简单易操作，属于绿色环保型的轻质阻燃泡沫复合材料。

附图说明

图1为石墨烯改性有机硅阻燃泡沫复合材料的扫描电镜图；

图2为未添加阻燃剂（图a）有机硅泡沫和添加1wt%石墨烯（图b）有机硅泡沫燃烧对比实验。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，实施例中所用原料均可市购或采用常规方法制备。

实施例1

取粘度25mpa.s、含氢量0.3%的含氢硅油以及粘度10pa.s的羟基硅油共100g向其中加入1gkh550功能化石墨烯、2g3,5-二甲基-1-己炔-3-醇和5gac发泡剂，通过机械搅拌充分混合均匀后制备得到a组份；同时，取粘度为5pa.s的乙烯基硅油30g，加入含有1500ppm的氯铂酸-异丙醇溶液0.30g，通过机械搅拌充分混合均匀后制备得到b组份。

然后以1:1的质量比将a、b组份通过机械搅拌30s混合均匀，再在80℃温度下固化5分钟后高温180℃处理15分钟制得有机硅阻燃泡沫复合材料样条1。

目测样条1泡孔均匀，扫描电镜图如图1所示，通过垂直燃烧测试后，对比燃烧的结果表明添加kh550功能化石墨烯的有机硅泡沫不易燃烧同时具有自熄性。根据ul94垂直燃烧测试标准，该轻质有机硅泡沫复合材料达到了ul-94v0级。

实施例2：

取粘度30mpa.s、含氢量0.2%的含氢硅油以及粘度5pa.s的羟基硅油共40g，向其中加入0.5g石墨烯粉体、1.5g3,5-二甲基-1-己炔-3-醇和1.6g水，通过机械搅拌充分混合均匀后制备得到a组份；同时，取粘度为5pa.s的乙烯基硅油20g，加入含有1500ppm的氯铂酸-异丙醇溶液0.25g，通过机械搅拌充分混合均匀后制备得到b组份。

然后以1:1的质量比将a、b组份通过机械搅拌30s混合均匀，再在40℃温度下固化10分钟后高温180℃处理20分钟制得有机硅阻燃泡沫复合材料样条2。

如图2所示，通过垂直燃烧测试后，对比燃烧的结果，可得知：未添加阻燃剂的有机硅泡沫样条迅速燃烧，燃烧10s后移开酒精喷灯，未添加阻燃剂的有机硅泡沫样条继续持续燃烧。相较于未添加阻燃剂的有机硅泡沫，添加了石墨烯粉体的有机硅泡沫样条经过酒精喷灯燃烧10s后移开火源可自熄，且燃烧过程无有毒气体释放。

实施例3：

取粘度25mpa.s、含氢量0.5%的含氢硅油以及粘度12pa.s的羟基硅油共30g向其中加入0.4gkh560功能化石墨烯、0.45g3-甲基丁炔醇-3和1.4g聚乙二醇，通过机械搅拌充分混合均匀后制备得到a组份；同时，取粘度为10pa.s的乙烯基硅油60g，加入含有2000ppm的卡斯特铂金催化剂0.25g，通过机械搅拌充分混合均匀后制备得到b组份。

然后以1:1的质量比将a、b组份通过机械搅拌30s混合均匀，再在90℃温度下固化5分钟后高温150℃处理20分钟制得有机硅阻燃泡沫复合材料样条3。

通过垂直燃烧测试后，对比燃烧的结果表明添加kh560功能化石墨烯的有机硅泡沫不易燃烧同时具有自熄性。根据ul94垂直燃烧测试标准，该轻质有机硅泡沫复合材料达到了ul-94v0级。

实施例4：

取含氢量0.8%、粘度30mpa.s的含氢硅油以及粘度5pa.s的羟基硅油共80g向其中加入1gkh570功能化石墨烯、0.96g3-甲基丁炔醇-3和8g水，通过机械搅拌充分混合均匀后制备得到a组份；同时，取粘度为10pa.s的乙烯基硅油20g，加入含有2000ppm的卡斯特铂金催化剂0.22g，通过机械搅拌充分混合均匀后制备得到b组份。

然后以1:1的质量比将a、b组份通过机械搅拌30s混合均匀，再在50℃温度下固化15分钟后高温120℃处理20分钟制得有机硅阻燃泡沫复合材料样条4。

通过垂直燃烧测试后，对比燃烧的结果表明添加kh570功能化石墨烯的有机硅泡沫不易燃烧同时具有自熄性。根据ul94垂直燃烧测试标准，该轻质有机硅泡沫复合材料达到了ul-94v0级。

实施例5：

取含氢量1.2%、粘度25mpa.s的含氢硅油以及粘度5pa.s的羟基硅油共100g向其中加入1.6g十八烷基三乙氧基硅烷偶联剂改性氧化石墨烯、4g氨基硅油和8g聚乙二醇，通过机械搅拌充分混合均匀后制备得到a组份；同时，取粘度为10pa.s的乙烯基硅油100g，加入含有3000ppm的氯铂酸-异丙醇溶液0.32g，通过机械搅拌充分混合均匀后制备得到b组份。

然后以1:1的质量比将a、b组份通过机械搅拌30s混合均匀，再在50℃温度下固化15分钟后高温120℃处理30分钟制得有机硅阻燃泡沫复合材料样条5。

通过垂直燃烧测试后，对比燃烧的结果表明添加十八烷基三乙氧基硅烷偶联剂改性氧化石墨烯的有机硅泡沫不易燃烧同时具有自熄性。根据ul94垂直燃烧测试标准，该轻质有机硅泡沫复合材料达到了ul-94v0级。

实施例6：

取含氢量1.5%、粘度30mpa.s的含氢硅油以及粘度5pa.s的羟基硅油共80g向其中加入1.2g含氢氯硅烷改性氧化石墨烯、1.2g氨基硅油和7.2gac发泡剂，通过机械搅拌充分混合均匀后制备得到a组份；同时，取粘度为10pa.s的乙烯基硅油150g，加入含有4000ppm的卡斯特铂金催化剂0.6g，通过机械搅拌充分混合均匀后制备得到b组份。

然后以1:1的质量比将a、b组份通过机械搅拌30s混合均匀，再在50℃温度下固化15分钟后高温100℃处理30分钟制得有机硅阻燃泡沫复合材料样条6。

通过垂直燃烧测试后，对比燃烧的结果表明添加含氢氯硅烷改性氧化石墨烯的有机硅泡沫不易燃烧同时具有自熄性。根据ul94垂直燃烧测试标准，该轻质有机硅泡沫复合材料达到了ul-94v0级。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于上述实施例，还可以许多的操作组合。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有情形，均应当认为是本发明的保护范围。