一種低密度高阻燃性復合多孔材料及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于多孔材料及其制備和應用技術領域，具體為一種低密度高阻燃性復合 多孔材料及其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002] 目前，我國能源消耗過大，進行節能減耗會是緩解能源消耗的重要舉措之一。據 悉，在我國現有的建筑中，95%以上是高能耗建筑，而我國目前的建筑能耗已經達到了社會 總能耗的三成以上（邵勇；張軼.最新建筑保溫材料探尋.建筑發展導向，2011，2:11)。這 些建筑物不僅保溫隔熱性能普遍很差，單位面積采暖能耗約為發達國家的2-4倍。而且阻 燃性也并不十分優異，近年來，因建筑保溫材料引起的火災事故頻發，如2009年2月的央視 大樓新址火災、2010年11月的上海高層公寓大火等。上述巨大的能源損耗和一例例血的教 訓已經讓人們意識到推廣應用具有高阻燃性的建筑保溫材料的必要性和緊迫性。
[0003] 而現在，常用的建筑保溫材料分為有機保溫材料和無機保溫材料。其中有機保溫 材料，如可發性聚苯乙烯泡沫（EPS)、擠塑聚苯乙烯泡沫（XPS)、聚氨酯泡沫等，這些材料雖 然質輕且保溫性能優越，但是這些材料絕大部分源自于石油化工產業，在全球能源緊張，石 油價格飛漲的大環境下，大量使用這些材料無異于加大國家能源的消耗。并且，這些材料的 阻燃問題沒有得到妥善的解決，很難達到GTB8624-2012標準規定中氧指數必須多30%要 求。而無機保溫材料，如巖棉、玻璃棉、泡沫玻璃等保溫材料，這些材料雖然防火阻燃安全性 好，但是卻存在密度大、加工難度大、節能效率低等缺點。因此，目前市場急需一種密度小， 且能滿足阻燃性能和節能標準的"新型"建筑保溫材料。
[0004] 被稱為"凍結的煙霧"的氣凝膠材料，由于其本身的納米多孔結構，孔隙率可達到 90%以上。極高的孔隙率賦予了該材料很多不同于普通玻璃態材料的特點，如極低的密度 和極低的導熱系數。這些特性使得氣凝膠材料有了成為高阻燃性，低能耗率的"新型"建筑 保溫材料的可能性。然而，傳統的無機氣凝膠，由于其本身力學性能的缺陷，以及超臨界干 燥工藝成本的限制，無法大規模的運用在建筑保溫領域。
[0005] 有研宄表明：將水溶性聚合物與無機粒子混合，采用冷凍干燥法制備的聚合物/ 粘土氣凝膠，即可消除無機粒子本身的脆性，又能控制成本，具有潛在的保溫、阻燃、隔熱領 域的性能。如Chen，H.B等報道了通過冷凍干燥法制備的聚乙烯醇/粘土復合氣凝膠，并 且擁有一定的阻燃性能。但是，沒有給出該材料極限氧指數（LOI)的具體數據，據本發明人 實驗考證，其氧指數無法達到30%以上，也即達不到GTB8624-2012所述標準（Chen,H.B.; Wang,Y.Z. ；Schiraldi,D.A.PreparationandFlammabilityofPoly(vinylalcohol) CompositeAerogels.ACSAppl.Mater.Interfaces2014,6 (9)，6790 - 6796.)〇
[0006] 美國專利US20070208124公開了將粘土、聚合物、粘結劑復合，用冷凍干燥法制備 了各種孔徑的氣凝膠材料。但是由于聚合物或粘結劑添加比例較高，據此推測，這些材料的 阻燃性能也不高，達不到建筑保溫材料對阻燃性能的要求。
[0007] 申請號為2013310043651. 4專利申請公開了一種無機微納米粒子/聚合物氣凝膠 建筑保溫氣凝膠材料及制備方法。該法是以無機納米粒子為主體，加入了少量水溶性聚合 物，交聯聚合物以及纖維增強材料，采用冷凍干燥法制備了氣凝膠復合材料。該材料雖有 導熱系數低，燃燒熱值高等特點及具有應用于建筑保溫材料的潛質，但是，該材料的阻燃性 主要是靠高添加量的無機微納米粒子實現，而無機微納米粒子本身對聚合物的阻燃效率較 低，低的添加量難以使該材料極限氧指數（LOI)達30%以上。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的是針對現有技術的不足，首先提供一種低密度高阻燃性復合多孔材 料。
[0009] 本發明的另一目的是提供一種上述的低密度高阻燃性復合多孔材料的制備方法。
[0010] 本發明的再一目的是提供上述的低密度高阻燃性復合多孔材料的應用。
[0011] 為達到以上目的，本發明提供的低密度高阻燃性復合多孔材料是由以下組分復合 而成：
[0012] 無機粒子 0.1?8份， 聚乙烯醇 0.5?10份， 阻燃性可交聯聚合物 0?5汾， 阻燃劑 0.1?2份，
[0013] 各物料的份數均為重量份，該材料的密度為12?145Kg/m3,極限氧指數為34. 5? 47. 5%，垂直燃燒均為V-0級，峰值熱釋放速率為50.5?135.8kW/m2,總熱釋放為5.6? 13. 3MJ/m2〇
[0014] 以上低密度高阻燃性復合多孔材料的組分優選以下配比：
[0015] 無機粒子 0.5?5份， 聚乙烯醇 5?10份， 阻燃性可交聯聚合物 0.1?5份， 阻燃劑 0.1?2份，
[0016] 該材料的密度為65?132Kg/m3,極限氧指數為34. 5?46. 0%，垂直燃燒均為V-0 級，峰值熱釋放速率為50.5?135.8kW/m2,總熱釋放為5.6?13. 3MJ/m2。
[0017] 以上多孔材料中所述的無機粒子為納米二氧化硅、海泡石、鎂鋁水滑石、鋅鋁水滑 石、鈣鋁水滑石、氫氧化鎂、氫氧化鋁、蒙脫土、粉煤灰或膨脹石墨中的任一種，優選蒙脫土、 鎂鋁水滑石；所述的阻燃性可交聯聚合物為三聚氰胺甲醛樹脂或脲醛樹脂；所述的阻燃劑 為聚磷酸銨及其改性物和三聚氰胺及其衍生物中的至少一種。
[0018] 進一步，以上多孔材料中所述的阻燃劑為聚磷酸銨、哌嗪改性聚磷酸銨、乙醇胺改 性聚磷酸銨、乙二胺改性聚磷酸銨、三聚氰胺聚磷酸鹽和三聚氰胺焦磷酸鹽中的至少一種。
[0019] 再進一步，以上多孔材料中所述的阻燃劑為哌嗪改性聚磷酸銨、乙醇胺改性聚磷 酸銨和乙二胺改性聚磷酸銨中的至少一種。
[0020] 又進一步，以上多孔材料中所述的哌嗪改性聚磷酸銨包括哌嗪改性量為0. 1? 20%的各種哌嗪改性聚磷酸銨阻燃劑；乙醇胺改性聚磷酸銨包括乙醇胺改性量為0. 1? 20%的各種乙醇胺改性聚磷酸銨阻燃劑；乙二胺改性聚磷酸銨包括乙二胺改性為0. 1? 20%的各種乙二胺改性聚磷酸銨阻燃劑。
[0021] 更進一步，優選哌嗪改性聚磷酸銨包括哌嗪改性量為1?18 %的各種哌嗪改性聚 磷酸銨阻燃劑；優選乙醇胺改性聚磷酸銨包括乙醇胺改性量為1?18%的各種乙醇胺改性 聚磷酸銨阻燃劑；優選乙二胺改性聚磷酸銨包括乙二胺改性為1?18%的各種乙二胺改性 聚磷酸銨阻燃劑。
[0022] 本發明提供的上述低密度高阻燃性復合多孔材料的制備方法，該方法的工藝步驟 和條件如下：
[0023] (1)將0. 1?8份無機粒子與0. 1?2份阻燃劑加入50份水中，攪拌使之形成分 散均勻的懸浮液；
[0024] (2)將0. 5?10份聚乙烯醇、0?5份阻燃性可交聯聚合物加入到50份水中，攪 拌使之充分溶解；
[0025] (3)將所得懸浮液與所得溶液攪拌混合直至均勻；
[0026] (4)先將所得混合分散液在-40?-196 °C下冷凍至固體，然后將所得固體 于-50?-20°C下干燥24?192小時，再將所得產品在真空條件下，升溫至40?60°C固化 2?24小時即可，
[0027] 所用物料的份數均為重量份，當所用阻燃性可交聯物為0份時，無需升溫固化。
[0028] 本發明提供的上述低密度高阻燃性復合多孔材料的制備方法，該方法優選的工藝 步驟和條件如下：
[0029] (1)將0. 5?5份無機粒子與0. 1?2份阻燃劑加入50份水中，攪拌使之形成分 散均勻的懸浮液；
[0030] (2)將5?10份聚乙烯醇、0. 1?5份阻燃性可交聯聚合物加入到50份水中，攪 拌使之充分溶解；
[0031] (3)將所得懸浮液與所得溶液攪拌混合直至均勻；
[0032] (4)先將所得混合分散液在-80?-196 °C下冷凍至固體，然后將所得固體 于-50?-25°C下干燥72?192小時，再將所得產品在真空條件下，升溫至40?60°C固化 2?24小時即可。
[0033] 以上制備方法中所用的無機粒子為納米二氧化硅、海泡石、鎂鋁水滑石、鋅鋁水滑 石、鈣鋁水滑石、氫氧化鎂、氫氧化鋁、蒙脫土、粉煤灰或膨脹石墨中的任一種，優選蒙脫土、 鎂鋁水滑石；所用的阻燃性可交聯聚合物為三聚氰胺甲醛樹脂或脲醛樹脂；所述的阻燃劑 為聚磷酸銨及其改性物和三聚氰胺及其衍生物中的至少一種。