一种复合阻燃建筑材料及其制备方法与流程

1.本发明属于阻燃建筑材料技术领域，具体地，涉及一种复合阻燃建筑材料及其制备方法。


背景技术：

2.建筑材料可分为结构材料、装饰材料和某些专用材料。结构材料包括木材、竹材、石材、水泥、混凝土、金属、砖瓦、陶瓷、玻璃、工程塑料、复合材料等；装饰材料包括各种涂料、油漆、镀层、贴面、各色瓷砖、具有特殊效果的玻璃等；专用材料指用于防水、防潮、防腐、防火、阻燃、隔音、隔热、保温、密封等。其中，具有阻燃性能的建筑材料由于其在发生火灾时，有效降低火灾对建筑的损害，阻挡火灾灾情的进一步恶化，近些年发展迅速。
3.如中国专利cn104961431b公开了一种复合阻燃建筑材料及其制备方法，所述的建筑材料包括磷酸铝17
‑
22份、硼酸铝5
‑
10份、二氧化锆4
‑
9份、三氧化二锑5
‑
11份、硅藻土6
‑
12份、氯化镁12
‑
15份、碳化硼10
‑
12份、异戊橡胶13
‑
17份、氯磺化聚乙烯5
‑
10份，制备方法包括以下步骤：(1)取磷酸铝、硼酸铝、二氧化锆、三氧化二锑、硅藻土、氯化镁、碳化硼进行机械粉碎；(2)按重量取上述的各材料，搅拌均匀；(3)将步骤(2)的混合材料压制成型，冷却，制备得到复合阻燃建筑材料。该发明得到的建筑材料具备了良好的抗压强度、抗折强度和阻燃效果。但是，该复合阻燃建筑材料质量重，限制其应用范围，且该复合材料由无机材料和有机材料混合制造而成，其阻燃性能、抗折强度和抗压强度由碳化硼提供和异戊橡胶的引入增强，存在以下缺点：一是碳化硼的分散均一性无法得到保证，从而影响复合材料的阻燃性能；二是异戊橡胶为高分子材料，其阻燃性能低，从而影响复合材料的阻燃性能。
4.因此，本发明提供了一种复合阻燃建筑材料及其制备方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种复合阻燃建筑材料及其制备方法。
6.本发明要解决的技术问题：如何提供质量轻、阻燃性能高的复合阻燃建筑材料。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
8.一种复合阻燃建筑材料，包括以下重量份原料：硅酸盐水泥15
‑
30份、石英砂4
‑
12份、膨润土3
‑
6份、硅藻土3
‑
6份、改性聚氨酯6
‑
22份、碳纤维4
‑
7份、复合阻燃剂2.5
‑
8份。
9.该种复合阻燃建筑材料的制备方法，包括以下步骤：
10.步骤一、将膨润土和硅藻土粉碎、研磨、过筛后，与硅酸盐水泥、石英砂、有机硅改性聚氨酯、碳纤维、复合阻燃剂混合均匀，再加入与硅酸盐水泥的重量份相同的水，在30
‑
50℃、200
‑
300r/min下，搅拌2h，得混料；
11.步骤二、将混料浇注成型，浇注温度为90
‑
110℃，浇注的振动频率为30
‑
50hz，静养12h后，以3
‑
5℃/min降至5
‑
9℃，防止淬冷，避免材料内出现应力裂纹，再通入5
‑
9℃蒸汽30
‑
60min，脱模，得初始复合阻燃建筑材料；
12.步骤三、将初始复合阻燃建筑材料表面用草编遮盖并喷水，以3
‑
5℃/min升温至80
℃，保温60
‑
100min，以保证初级复合阻燃建筑材料的内部完全适应高温，再掀开草编，以3
‑
5℃/min降至50
‑
60℃，再通入50
‑
60℃蒸汽60
‑
100min，然后停止通入蒸汽，向初始复合阻燃建筑材料表面喷洒养护剂，喷涂至初始复合阻燃建筑材料表面全覆盖即可，50
‑
60℃保温60
‑
100min，自然冷却，得复合阻燃建筑材料。
13.进一步地，步骤三中养护剂为泡花碱。
14.进一步地，所述改性聚氨酯通过以下步骤制成：
15.首先将二元醇、二异氰酸酯、二月桂酸二辛基锡和甲苯混合后，在76℃下搅拌反应8h后，停止反应，旋蒸除去溶剂，获得聚氨酯低聚物；将聚氨酯低聚物溶解在甲苯中，加入羟基封端的聚二甲基硅氧烷和二月桂酸二辛基锡，在81℃下搅拌反应12h，得改性聚氨酯，其中，二元醇与二异氰酸酯的摩尔比为1：2.2
‑
2.5，二月桂酸二辛基锡的加入质量为二元醇加入质量的3
‑
5％，控制二异氰酸的物质的量是二元醇的两倍多，以便形成异氰酸酯基封端的聚氨酯低聚物，方便该低聚物和羟基封端的聚二甲基硅氧烷的反应，羟基封端的聚二甲基硅氧烷、聚氨酯低聚物的摩尔比为1.2
‑
1.4：1，二月桂酸二辛基锡的加入质量为羟基封端的聚二甲基硅氧烷加入质量的1
‑
3％。
16.进一步地，所述二元醇为聚醚二元醇，且聚醚二元醇的数均分子质量为2000
‑
3500。
17.进一步地，所述二异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯中的一种。
18.进一步地，羟基封端的聚二甲基硅氧烷的数均分子质量为2000
‑
3500。
19.进一步地，所述复合阻燃剂通过以下步骤制成：
20.s1、将异丙醇加入装有冷凝管和磁力搅拌的烧瓶中，搅拌下依次加入苯基三甲氧基硅烷、去离子水和片状氢氧化钠，搅拌均匀后，用油浴锅将反应体系加热至72℃，在氮气氛围下反应6h后，常温下，搅拌反应18h，所得混合溶液经过旋转蒸发除去异丙醇，65℃下真空干燥12h，得八苯基poss钠盐，异丙醇、苯基三甲氧基硅烷、去离子水、片状氢氧化钠的用量比为120
‑
200ml：0.13
‑
0.14mol：2
‑
4mg：0.1mol；将八苯基poss钠盐加入三口烧瓶中，氮气保护下，加入无水四氢呋喃，搅拌均匀后，加入三乙胺，0℃冰浴反应1h，用恒压漏斗缓慢滴加甲基二氯硅烷的四氢呋喃溶液，滴加速度为2
‑
4滴/秒，反应4h，然后升高温度至室温反应16h，反应结束后过滤，旋干滤液后过柱分离(二氯甲烷：石油醚的体积比为1：2)，真空干燥至恒重，得含氢poss，其中，八苯基poss、三乙胺、二甲基氯硅烷的摩尔比为1：2
‑
2.5：2.3
‑
3；将含氢poss、乙烯基三甲氧基硅氧烷和无水四氢呋喃混合后，加入氯铂酸，70℃反应24h，旋蒸，真空干燥至恒重，得双硅氧烷封端poss，利用烯烃的硅氢加成反应，其中，含氢poss、乙烯基三甲氧基硅氧烷的摩尔比为1：4.1
‑
4.5，氯铂酸的质量为含氢poss质量的7
‑
12％；
21.双硅氧烷封端poss的结构式如下所示：
22.23.在步骤一的反应过程中，首先利用了苯基三甲氧基硅烷在去离子水和氢氧化钠的条件下水解形成八苯基poss钠盐，再利用八苯基poss钠盐和甲基二氯硅烷的水解获得含氢poss，最后利用含氢poss和乙烯基三甲氧基硅氧烷在氯铂酸的催化下的加成反应，获得双硅氧烷封端poss；
24.s2、首先将双硅氧烷封端poss溶解到乙醇溶液中，并用盐酸调节溶液的ph值在5
‑
6之间，在150
‑
300r/min下，升温至77℃保持1h，得溶液a；将聚磷酸铵粉体分散在无水乙醇中，以150
‑
300r/min速度搅拌20min使其均匀分散，得溶液b；在150
‑
300r/min下，将溶液b加入溶液a中，保持温度在55℃，反应2
‑
4h，得复合阻燃剂，其中，双硅氧烷封端poss和聚磷酸铵的质量比为12
‑
23：60
‑
70。
25.本发明的有益效果：
26.本发明以二元醇和二异氰酸酯合成了的具有异氰酸酯基封端的聚氨酯低聚物，再利用羟基封端的聚二甲基硅氧烷和该低聚物反应，形成外层具有硅氧链的改性聚氨酯，这种硅氧链使改性聚氨酯与硅酸盐水泥、石英砂、膨润土、硅藻土、碳纤维混合得更好，使复合材料体系更加均一，且改性聚氨酯材料的加入可减轻复合材料的质量；
27.本发明利用双硅氧烷封端poss中的硅氧烷水解后生成的si
‑
oh基与聚磷酸铵粉体表面的p
‑
oh基反应形成p
‑
o
‑
si键，使聚磷酸铵粉体表面修饰有poss，进而减小聚磷酸铵粉体的水溶性，增加其与改性聚氨酯的相容性，且poss的结构为无机的si
‑
o
‑
si链节组成的封闭的笼状结构，且分子中以si
‑
o键为主，键能高，于典型纳米尺寸材料，将其修饰聚磷酸铵粉，提高了聚磷酸铵粉体的阻燃性能，且这种si
‑
o键的结构与硅酸盐水泥结构存在相似性，相容性更好，使表面修饰有poss的聚磷酸铵粉体均匀填充在硅酸盐水泥和改性聚氨酯复合材料中，从而提高复合材料的阻燃性能；
28.综上所述，本发明提供的复合阻燃建筑材料，具有优异的阻燃性能。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施例1：
31.改性聚氨酯通过以下步骤制成：
32.首先将0.1mol二元醇、0.22mol二异氰酸酯、加入质量为二元醇加入质量的3％的二月桂酸二辛基锡和100ml甲苯混合后，在76℃下搅拌反应8h后，停止反应，旋蒸除去溶剂，获得聚氨酯低聚物；将0.1mol聚氨酯低聚物溶解在100ml甲苯中，加入0.12mol羟基封端的聚二甲基硅氧烷和加入质量为羟基封端的聚二甲基硅氧烷加入质量的1％二月桂酸二辛基锡，在81℃下搅拌反应12h，得改性聚氨酯，其中，所述二元醇为聚醚二元醇，且其数均分子质量为2000，所述二异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯，羟基封端的聚二甲基硅氧烷的数均分子质量为2000。
33.实施例2：
34.改性聚氨酯通过以下步骤制成：
35.首先将0.1mol二元醇、0.25mol二异氰酸酯、加入质量为二元醇加入质量的5％的二月桂酸二辛基锡和100ml甲苯混合后，在76℃下搅拌反应8h后，停止反应，旋蒸除去溶剂，获得聚氨酯低聚物；将0.1mol聚氨酯低聚物溶解在100ml甲苯中，加入0.14mol羟基封端的聚二甲基硅氧烷和加入质量为羟基封端的聚二甲基硅氧烷加入质量的3％二月桂酸二辛基锡，在81℃下搅拌反应12h，得改性聚氨酯，其中，所述二元醇为聚醚二元醇，且其数均分子质量为3500，所述二异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯，羟基封端的聚二甲基硅氧烷的数均分子质量为3500。
36.实施例3：
37.改性聚氨酯通过以下步骤制成：
38.首先将0.1mol二元醇、0.23mol二异氰酸酯、加入质量为二元醇加入质量的3％的二月桂酸二辛基锡和100ml甲苯混合后，在76℃下搅拌反应8h后，停止反应，旋蒸除去溶剂，获得聚氨酯低聚物；将0.1mol聚氨酯低聚物溶解在100ml甲苯中，加入0.13mol羟基封端的聚二甲基硅氧烷和加入质量为羟基封端的聚二甲基硅氧烷加入质量的2％二月桂酸二辛基锡，在81℃下搅拌反应12h，得改性聚氨酯，其中，所述二元醇为聚醚二元醇，且其数均分子质量为3000，所述二异氰酸酯为二环己基甲烷二异氰酸酯，羟基封端的聚二甲基硅氧烷的数均分子质量为3000。
39.实施例4：
40.复合阻燃剂通过以下步骤制成：
41.s1、将120ml异丙醇加入装有冷凝管和磁力搅拌的烧瓶中，搅拌下依次加入0.13mol苯基三甲氧基硅烷、2mg去离子水和0.1mol片状氢氧化钠，搅拌均匀后，用油浴锅将反应体系加热至72℃，在氮气氛围下反应6h后，常温下，搅拌反应18h，所得混合溶液经过旋转蒸发除去异丙醇，65℃下真空干燥12h，得八苯基poss钠盐；将0.1mol八苯基poss钠盐加入三口烧瓶中，氮气保护下，加入100ml无水四氢呋喃，搅拌均匀后，加入0.2mol三乙胺，0℃冰浴反应1h，用恒压漏斗缓慢滴加含有0.23mol甲基二氯硅烷的四氢呋喃溶液50ml，滴加速度为2滴/秒，反应4h，然后升高温度至室温反应16h，反应结束后过滤，旋干滤液后过柱分离(二氯甲烷：石油醚的体积比为1：2)，真空干燥至恒重，得含氢poss；将0.1mol含氢poss、0.41mol乙烯基三甲氧基硅氧烷和100ml无水四氢呋喃混合后，加入质量为含氢poss质量的7％的氯铂酸，70℃反应24h，旋蒸，真空干燥至恒重，得双硅氧烷封端poss；
42.s2、首先将1.2g双硅氧烷封端poss溶解到30ml乙醇溶液(水和乙醇的体积比为1：2)中，并用0.1m盐酸调节溶液的ph值在5
‑
6之间，在150r/min下，升温至77℃保持1h，得溶液a；将6g聚磷酸铵粉体分散在50ml无水乙醇中，以150r/min速度搅拌20min使其均匀分散，得溶液b；在150r/min下，将溶液b加入溶液a中，保持温度在55℃，反应2h，得复合阻燃剂。
43.实施例5：
44.复合阻燃剂通过以下步骤制成：
45.s1、将200ml异丙醇加入装有冷凝管和磁力搅拌的烧瓶中，搅拌下依次加入0.14mol苯基三甲氧基硅烷、4mg去离子水和0.1mol片状氢氧化钠，搅拌均匀后，用油浴锅将反应体系加热至72℃，在氮气氛围下反应6h后，常温下，搅拌反应18h，所得混合溶液经过旋转蒸发除去异丙醇，65℃下真空干燥12h，得八苯基poss钠盐；将0.1mol八苯基poss钠盐加入三口烧瓶中，氮气保护下，加入100ml无水四氢呋喃，搅拌均匀后，加入0.25mol三乙胺，0
℃冰浴反应1h，用恒压漏斗缓慢滴加含有0.3mol甲基二氯硅烷的四氢呋喃溶液50ml，滴加速度为4滴/秒，反应4h，然后升高温度至室温反应16h，反应结束后过滤，旋干滤液后过柱分离(二氯甲烷：石油醚的体积比为1：2)，真空干燥至恒重，得含氢poss；将0.1mol含氢poss、0.45mol乙烯基三甲氧基硅氧烷和100ml无水四氢呋喃混合后，加入质量为含氢poss质量的12％的氯铂酸，70℃反应24h，旋蒸，真空干燥至恒重，得双硅氧烷封端poss；
46.s2、首先将2.3g双硅氧烷封端poss溶解到30ml乙醇溶液(水和乙醇的体积比为1：2)中，并用0.1m盐酸调节溶液的ph值在5
‑
6之间，在300r/min下，升温至77℃保持1h，得溶液a；将6
‑
7g聚磷酸铵粉体分散在50ml无水乙醇中，以300r/min速度搅拌20min使其均匀分散，得溶液b；在300r/min下，将溶液b加入溶液a中，保持温度在55℃，反应4h，得复合阻燃剂。
47.实施例6：
48.一种复合阻燃建筑材料，包括以下重量份原料：硅酸盐水泥15份、石英砂4份、膨润土3份、硅藻土3份、实施例1制备的改性聚氨酯6份、碳纤维4份、实施例4制备的复合阻燃剂2.5份。
49.该种复合阻燃建筑材料的制备方法，包括以下步骤：
50.步骤一、将膨润土和硅藻土粉碎、研磨、过筛后，与硅酸盐水泥、石英砂、有机硅改性聚氨酯、碳纤维、复合阻燃剂混合均匀，再加入与硅酸盐水泥的重量份相同的水，在30℃、200r/min下，搅拌2h，得混料；
51.步骤二、将混料浇注成型，浇注温度为90℃，浇注的振动频率为30hz，静养12h后，以3℃/min降至5℃，再通入5℃蒸汽30min，脱模，得初始复合阻燃建筑材料；
52.步骤三、将初始复合阻燃建筑材料表面用草编遮盖并喷水，以3℃/min升温至80℃，保温60min，再掀开草编，以3
‑
5℃/min降至50
‑
60℃，再通入50℃蒸汽60min，然后停止通入蒸汽，向初始复合阻燃建筑材料表面喷洒泡花碱，喷涂至初始复合阻燃建筑材料表面全覆盖即可，50℃保温60min，自然冷却，得复合阻燃建筑材料。
53.实施例7：
54.一种复合阻燃建筑材料，包括以下重量份原料：硅酸盐水泥20份、石英砂8份、膨润土4份、硅藻土4份、实施例2制备的改性聚氨酯13份、碳纤维5份、实施例5制备的复合阻燃剂5份。
55.该种复合阻燃建筑材料的制备方法，包括以下步骤：
56.步骤一、将膨润土和硅藻土粉碎、研磨、过筛后，与硅酸盐水泥、石英砂、有机硅改性聚氨酯、碳纤维、复合阻燃剂混合均匀，再加入与硅酸盐水泥的重量份相同的水，在50℃、300r/min下，搅拌2h，得混料；
57.步骤二、将混料浇注成型，浇注温度为110℃，浇注的振动频率为40hz，静养12h后，以4℃/min降至9℃，防止淬冷，避免材料内出现应力裂纹，再通入7℃蒸汽40min，脱模，得初始复合阻燃建筑材料；
58.步骤三、将初始复合阻燃建筑材料表面用草编遮盖并喷水，以4℃/min升温至80℃，保温90min，以保证初级复合阻燃建筑材料的内部完全适应高温，再掀开草编，以4℃/min降至55℃，再通入55℃蒸汽90min，然后停止通入蒸汽，向初始复合阻燃建筑材料表面喷洒泡花碱，喷涂至初始复合阻燃建筑材料表面全覆盖即可，55℃保温80min，自然冷却，得复合阻燃建筑材料。
59.实施例8：
60.一种复合阻燃建筑材料，包括以下重量份原料：硅酸盐水泥30份、石英砂12份、膨润土6份、硅藻土6份、实施例3制备的改性聚氨酯22份、碳纤维7份、实施例4制备的复合阻燃剂8份。
61.该种复合阻燃建筑材料的制备方法，包括以下步骤：
62.步骤一、将膨润土和硅藻土粉碎、研磨、过筛后，与硅酸盐水泥、石英砂、有机硅改性聚氨酯、碳纤维、复合阻燃剂混合均匀，再加入与硅酸盐水泥的重量份相同的水，在50℃、300r/min下，搅拌2h，得混料；
63.步骤二、将混料浇注成型，浇注温度为100℃，浇注的振动频率为50hz，静养12h后，以5℃/min降至9℃，防止淬冷，避免材料内出现应力裂纹，再通入9℃蒸汽60min，脱模，得初始复合阻燃建筑材料；
64.步骤三、将初始复合阻燃建筑材料表面用草编遮盖并喷水，以5℃/min升温至80℃，保温100min，以保证初级复合阻燃建筑材料的内部完全适应高温，再掀开草编，以5℃/min降至60℃，再通入60℃蒸汽100min，然后停止通入蒸汽，向初始复合阻燃建筑材料表面喷洒泡花碱，喷涂至初始复合阻燃建筑材料表面全覆盖即可，60℃保温100min，自然冷却，得复合阻燃建筑材料。
65.对比例1：
66.聚氨酯低聚物：为实施例1中制备的聚氨酯低聚物。
67.对比例2：
68.阻燃剂通过以下步骤制成：
69.s1、将120ml异丙醇加入装有冷凝管和磁力搅拌的烧瓶中，搅拌下依次加入0.13mol苯基三甲氧基硅烷、2mg去离子水和0.1mol片状氢氧化钠，搅拌均匀后，用油浴锅将反应体系加热至72℃，在氮气氛围下反应6h后，常温下，搅拌反应18h，所得混合溶液经过旋转蒸发除去异丙醇，65℃下真空干燥12h，得八苯基poss钠盐；
70.s2、首先将1.2g八苯基poss钠盐溶解到30ml乙醇溶液(水和乙醇的体积比为1：2)中，并用0.1m盐酸调节溶液的ph值在5
‑
6之间，在150r/min下，升温至77℃保持1h，得溶液a；将6g聚磷酸铵粉体分散在50ml无水乙醇中，以150r/min速度搅拌20min使其均匀分散，得溶液b；在150r/min下，将溶液b加入溶液a中，保持温度在55℃，反应2h，得复合阻燃剂。
71.对比例3：
72.一种复合阻燃建筑材料，包括以下重量份原料：硅酸盐水泥15份、石英砂4份、膨润土3份、硅藻土3份、对比例1制备的聚氨酯低聚物6份、碳纤维4份、实施例4制备的复合阻燃剂2.5份。
73.该种复合阻燃建筑材料的制备方法，包括以下步骤：参照实施例6中的制备步骤。
74.对比例4：
75.一种复合阻燃建筑材料，包括以下重量份原料：硅酸盐水泥20份、石英砂8份、膨润土4份、硅藻土4份、实施例2制备的改性聚氨酯13份、碳纤维5份、对比例2制备的复合阻燃剂5份。
76.该种复合阻燃建筑材料的制备方法，包括以下步骤：参照实施例7中的制备步骤。
77.对比例5：
78.一种复合阻燃建筑材料，包括以下重量份原料：硅酸盐水泥30份、石英砂12份、膨润土6份、硅藻土6份、实施例3制备的改性聚氨酯22份、碳纤维7份。
79.该种复合阻燃建筑材料的制备方法，包括以下步骤：参照实施例8中的各步骤。
80.对比例6：
81.一种复合阻燃建筑材料，包括以下重量份原料：硅酸盐水泥15份、石英砂4份、膨润土3份、硅藻土3份、碳纤维4份、实施例4制备的复合阻燃剂2.5份。
82.该种复合阻燃建筑材料的制备方法，包括以下步骤：参照实施例6中的制备步骤。
83.实施例9：
84.将实施例3
‑
5和对比例3
‑
6获得的建筑材料进行以下性能测试：
85.抗压强度及抗折强度：按照gb/t 50081
‑
2019标准测试；
86.阻燃等级：按照gb/t 16172标准进行测试；
87.所得数据如下所示。
[0088] 抗折强度抗压强度阻燃等级实施例311.9mpa18.5mpaa1实施例412.3mpa18.7mpaa1实施例513.5mpa17.8mpaa1对比例310.2mpa16.1mpab1对比例410.9mpa16.0mpab2对比例510.5mpa15.9mpab2对比例610.3mpa17.6mpaa1
[0089]
从上述数据可以看出，实施例3
‑
5的建筑材料测试得的抗折强度、抗压强度均高于对比例3
‑
6的相关测试数据，说明实施例3
‑
5的建筑材料的力学性能要优于对比例3
‑
6的建筑材料，且实施例3
‑
5的建筑材料的阻燃性能均达到a1等级。
[0090]
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0091]
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。