[发明专利]一种石墨烯/水性聚氨酯复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种石墨烯/水性聚氨酯复合材料及其制备方法和应用。所述石墨烯/水性聚氨酯复合材料的制备原料包括如下重量份数的组分：聚醚二醇30～40份、聚碳酸酯二醇8～12份、二异氰酸酯10～20份、扩链剂10～20份、三乙胺6～10份、有机磷阻燃剂1～5份、石墨烯1～5份和还原剂10～20份；聚醚二醇包括聚四氢呋喃醚二醇和四氢呋喃‑氧化丙烯共聚二醇。首先制备得到氧化石墨烯分散液；然后制备水性聚氨酯乳液；最后将氧化石墨烯分散液、水性聚氨酯乳液和还原剂反应后，与有机磷阻燃剂混合均匀，即可得到石墨烯/水性聚氨酯复合材料。本发明提供的石墨烯/水性聚氨酯复合材料具有较好的力学性能和较好的阻燃性能。

技术领域

本发明属于聚氨酯材料技术领域，具体涉及一种石墨烯/水性聚氨酯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

聚氨酯具有耐磨损、耐化学品、硬度高、附着力强、可室温固化等诸多优点，因而被广泛应用于涂料、胶黏剂、皮革等领域。但是传统的溶剂型聚氨酯在制备过程中需用到大量有机溶剂，导致挥发性有机化合物(VOC)的排放量较大，对环境和人体健康非常不利。并且随着人们环保意识的增强，普通聚氨酯材料已不能满足人们日益增长的需求，因此，水性聚氨酯(WPU)应运而生。水性聚氨酯以水为分散介质，不仅无毒、无污染、成本低而且制备方便、易于清理，是一种绿色环保材料，在建筑装饰、皮革涂层、塑料化工、纺织整理和汽车涂料等众多领域广泛应用。然而水性聚氨酯的使用领域都存在易燃的风险，如果不对水性聚氨酯进行阻燃处理，将会存在引发火灾的隐患，从而对人身和财产安全造成威胁。因此，对聚氨酯进行阻燃化处理已成为目前亟待解决的技术问题。

目前阻燃WPU多为添加型，但是这些添加剂通常添加量很大才能获得较好的阻燃性能，而且共混加入的阻燃成分极易造成聚氨酯乳液的不稳定导致破乳或在WPU中产生沉淀。目前水性聚氨酯阻燃存在的关键性问题是：阻燃剂难以均匀稳定的分散于聚氨酯基体中，而且阻燃效果不明显，其原因在于：(1)WPU本身的特点使得共混加入的阻燃成分极易造成聚氨酯乳液的不稳定导致破乳，甚至阻燃剂难于稳定分散而在WPU中产生沉淀，导致乳液具有成膜性差等缺点；(2)阻燃剂通常添加量很大才能获得较好的阻燃性能。

CN109161322A公开了一种用于建筑家具涂层的水性聚氨酯阻燃涂料及制备方法。该方法通过制备微孔内网络谷朊粉、三聚氰胺的二氧化硅气凝胶作为成碳阻燃剂，进一步与云母粉、高岭土粉、钛酸酯偶联剂、水性聚氨酯、增稠剂、消泡剂、抗菌剂及适量水混合均匀，制得水性聚氨酯阻燃涂料。所述水性聚氨酯阻燃涂料中，成碳阻燃剂4～8重量份、云母粉4～8重量份、高岭土粉7～10重量份、钛酸酯偶联剂1～2重量份、水性聚氨酯48～68重量份、增稠剂2～4重量份、消泡剂1～2重量份、抗菌剂1～3重量份、水40～60重量份，该技术方案中成碳阻燃剂及无机填料的用量较多，制备得到的水性聚氨酯阻燃涂料的稳定性较差。

而石墨烯作为一种新型的纳米填料，已经在许多方面显示了其优异的性能，包括在聚合物中的阻燃改性中，仅极少量的添加就可以得到出色的阻燃效果。这源于其独特的层状结构，属于凝聚相阻燃，即在石墨烯复合材料燃烧过程中，可在聚合物表面生成多孔保护炭层，这层炭层起到了屏障作用，隔氧、隔热并抑制烟气的释放以及阻止可燃性气体进入燃烧气相等作用，从而起到阻燃作用，但是石墨烯在聚氨酯中的分散性较差，因此，如何使石墨烯均匀分散于聚氨酯中，并制备得到具有较好阻燃性能的水性聚氨酯已成为目前研究的重点。

CN104277198A公开了一种石墨烯基导电阻燃型水性聚氨酯涂料和胶黏剂的制备方法。所述制备方法的具体步骤为：首先对石墨烯纳米片材进行酸化处理，在其表面上修饰一定比例的羧基基团，然后通过与丙烯酰胺缩合反应，制备酰胺化石墨烯中间体，最后利用原位聚合法将酰胺化的石墨烯与异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)聚合，提高石墨烯在聚氨酯乳液中的分散性和增强与聚氨酯基体间的界面结合力，最终制备出一种新型石墨烯基导电阻燃型水性聚氨酯涂料乳液。CN106366896A公开了石墨烯改性阻燃、耐光性水性聚氨酯涂料的制备方法。该制备方法公开了使用羧基化石墨烯片材制备得到水性聚氨酯涂料的技术方案。