CN112225941A - 一种阻燃抗菌聚氨酯海绵及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阻燃抗菌聚氨酯海绵及其制备方法。本发明的聚氨酯海绵表面覆有由植酸和木质素磺酸钠形成的复合涂层，其制备方法是配制植酸溶液；配制木质素磺酸钠溶液；配制植酸和木质素磺酸钠的混合溶液；将聚氨酯海绵在植酸和木质素磺酸钠的混合溶液中充分浸泡，取出，烘干，重复若干次，得到阻燃抗菌聚氨酯海绵。本发明的聚氨酯海绵具有优异的阻燃性能和抗菌性能，可以保持海绵的压缩回弹性能，制备方法简便，在沙发内衬、床垫、建筑外墙保温和运输包装等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种阻燃抗菌聚氨酯海绵及其制备方法
技术领域
本发明涉及海绵，尤其是一种具有阻燃和抗菌功能的聚氨酯海绵及其制备方法。
背景技术
聚氨酯海绵具有优异的缓冲、隔热和隔音等性能，在家具内饰、缓冲包装和建筑外墙等领域有着广泛的用途。然而，聚氨酯海绵是高度易燃的，其燃烧时容易熔融、塌陷和滴落且火焰传播速度快，往往造成巨大的生命和财产损失。已有研究表明，卤系和非卤系（包括磷系、氮系和磷氮膨胀型阻燃体系等）经过熔融共混、化学改性和表面涂敷等技术可以解决聚氨酯海绵阻燃性能不高的问题。卤系阻燃剂价格便宜、用量少且阻燃效果好，但是其在燃烧时会释放有毒有害的气体，从而受到应用上的限制。因此，研究开发非卤系阻燃体系受到了广泛关注，且取得了许多非常有价值的研究成果。
但是，目前仍然存在两个未解决的问题。首先，许多阻燃体系，尤其是高分子阻燃体系容易破坏聚氨酯海绵内在的压缩回弹能力。其次，聚氨酯海绵的多孔状结构易于滋生细菌，与人体接触时会对健康带来不利的影响，而这一实际问题还没有引起阻燃领域研究的重视。
因此，在不破坏聚氨酯海绵内在弹性和韧性的前提下，同时提高其阻燃性能和抗菌性能，依然是目前面临的困难。此问题的有效解决，对于聚氨酯海绵的工业化应用是有价值的。
发明内容
为克服上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种阻燃抗菌聚氨酯海绵及其制备方法。
为达到上述目的，本发明解决其技术问题采用的一种技术方案是：一种阻燃抗菌聚氨酯海绵，所述聚氨酯海绵表面覆有由植酸和木质素磺酸钠形成的复合涂层。
进一步地，所述复合涂层中植酸的质量分数更优选为20~80wt%。
更进一步地，所述复合涂层中植酸的质量分数更优选为40~70wt%。
再进一步地，所述复合涂层中植酸和木质素磺酸钠的质量比为1：0.5。
复合涂层中植酸和木质素磺酸钠的质量比为1：0.5，这里的植酸和木质素磺酸钠都是干燥后的，当所用植酸为浓度为50wt%的水溶液，水分在烘干之后可挥发。所以，无论是用植酸固体粉末，还是浓度为50wt%的植酸水溶液，复合涂层中植酸和木质素磺酸钠的质量比都为1：0.5。
本发明采用的另一种技术方案是：一种阻燃抗菌聚氨酯海绵的制备方法，其包括以下步骤：
1）将植酸溶解在去离子水中，得到植酸溶液；
2）将木质素磺酸钠溶解在去离子水中，得到木质素磺酸钠溶液；
3）将步骤1）中得到的植酸溶液与步骤2）中得到的木质素磺酸钠溶液混合均匀，得到植酸和木质素磺酸钠的混合溶液；
4）将聚氨酯海绵在步骤3）中得到的植酸和木质素磺酸钠的混合溶液中充分浸泡，取出聚氨酯海绵，烘干；
5）重复步骤4）若干次，得到所述的阻燃抗菌聚氨酯海绵。
进一步地，所述步骤1）中植酸溶液的浓度为0.2~2wt%。
进一步地，所述步骤2）中木质素磺酸钠溶液的浓度为0.2~2wt%。
进一步地，所述步骤3）中的混合溶液溶质中，植酸与木质素磺酸钠的质量比为1：0.5。
进一步地，所述步骤4）中的充分浸泡是指将聚氨酯海绵浸泡至饱和状态。
进一步地，所述步骤4）中的烘干温度为60~100℃，烘干是指烘干至恒重状态。
阻燃作用过程中，植酸分解释放出的磷酸类物质可以作为脱水剂，起到促进成炭的作用。木质素磺酸钠分子结构含有丰富的苯环结构，可以作为炭源，有利于植酸的作用发挥，形成致密的炭保护层。同时，木质素磺酸钠还可以分解释放不燃的气体比如硫氧化物气体，在燃烧过程中降低氧气浓度，同时作为气源促进膨胀。
在抗菌过程中，植酸可以破坏细胞间的粘附并引起细胞膜功能障碍。木质素磺酸钠虽然没有显著的抗菌作用，但是不会影响复合涂层中植酸抗菌作用的发挥。
本发明具有的有益效果如下：
本发明所用原料植酸和木质素磺酸钠均为环保型材料，可以在保持聚氨酯海绵内在弹性和韧性的前提下，同时提高其阻燃性能和抗菌性能，且制备方法简便，在沙发内衬、床垫、建筑外墙保温和运输包装等领域具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的实施例中，植酸（浓度为50wt%的水溶液）和木质素磺酸钠为市购材料。
阻燃性能测试方法：采用FTT锥形量热仪测试，热通量为35kW/m2。
抗菌性能测试方法：以金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）作为细菌代表，将植酸和木质素磺酸钠的混合溶液（3mL）与细菌工作液（3mL，1.0-2.0×106CFU/mL）混合并摇匀，分别稀释10倍、100倍和1000倍。通过菌落数计算细菌灭杀率，算法为：细菌灭杀率（%）=(U-C)/U×100%，其中U和C分别为空白样、植酸和木质素磺酸钠的混合溶液所对应的菌落数CFU/mL。
压缩回弹性能测试方法：采用Instron 5943万能试验机测试循环压缩性能，循环压缩500次，25℃和50%RH环境下进行。
实施例1
（1）将8g浓度为50wt%的植酸水溶液溶解在192g去离子水中，得到浓度为2wt%的植酸溶液；
（2）将4g木质素磺酸钠固体粉末溶解在196g去离子水中，得到浓度为2wt%的木质素磺酸钠溶液；
（3）将步骤（1）中得到的植酸溶液与步骤（2）中得到的木质素磺酸钠溶液按照体积比为1：0.5的比例混合均匀，得到植酸和木质素磺酸钠的混合溶液；
（4）将1g聚氨酯海绵在步骤（3）中得到的植酸和木质素磺酸钠的混合溶液中充分浸泡，取出聚氨酯海绵，烘干，得到所述的阻燃抗菌聚氨酯海绵。
阻燃性能测试结果：空白聚氨酯海绵的热释放速率峰值为229kW/m2，本实施例所得阻燃抗菌聚氨酯海绵的热释放速率峰值为155kW/m2。
抗菌性能测试结果：测试本实施例步骤（3）中配置的植酸和木质素磺酸钠的混合溶液的抗菌性能，并以去离子水作为空白样。空白样几乎没有抗菌性能，本实施例步骤（3）中配置的植酸和木质素磺酸钠的混合溶液的细菌灭杀率平均值为99%。
压缩回弹性能测试结果：空白聚氨酯海绵循环压缩500次之后的残留应变为5-10%，本实施例所得阻燃抗菌聚氨酯海绵循环压缩500次之后的残留应变为5-10%。
实施例2
（1）将12g浓度为50wt%的植酸水溶液溶解在288g去离子水中，得到浓度为2wt%的植酸溶液；
（2）将1g聚氨酯海绵在步骤（1）中得到的植酸溶液中充分浸泡，取出聚氨酯海绵，烘干，得到所述的阻燃抗菌聚氨酯海绵。
阻燃性能测试结果：空白聚氨酯海绵的热释放速率峰值为229kW/m2，本实施例所得阻燃抗菌聚氨酯海绵的热释放速率峰值为171kW/m2。
抗菌性能测试结果：测试本实施例步骤（1）中配置的植酸溶液的抗菌性能，并以去离子水作为空白样。空白样几乎没有抗菌性能，本实施例步骤（1）中配置的植酸溶液的细菌灭杀率平均值为99%。
压缩回弹性能测试结果：空白聚氨酯海绵循环压缩500次之后的残留应变为5-10%，本实施例所得阻燃抗菌聚氨酯海绵循环压缩500次之后的残留应变为5-10%。
实施例3
（1）将12g木质素磺酸钠固体粉末溶解在288g去离子水中，得到浓度为2wt%的木质素磺酸钠溶液；
（2）将1g聚氨酯海绵在步骤（1）中得到的木质素磺酸钠溶液中充分浸泡，取出聚氨酯海绵，烘干，得到所述的阻燃抗菌聚氨酯海绵。
阻燃性能测试结果：空白聚氨酯海绵的热释放速率峰值为229kW/m2，本实施例所得阻燃抗菌聚氨酯海绵的热释放速率峰值为204kW/m2。
抗菌性能测试结果：测试本实施例步骤（1）中配置的木质素磺酸钠溶液的抗菌性能，并以去离子水作为空白样。空白样几乎没有抗菌性能，本实施例步骤（1）中配置的木质素磺酸钠溶液的细菌灭杀率平均值为22%。
压缩回弹性能测试结果：空白聚氨酯海绵循环压缩500次之后的残留应变为5-10%，本实施例所得阻燃抗菌聚氨酯海绵循环压缩500次之后的残留应变为5-10%。
实施例4
（1）将0.8g浓度为50wt%的植酸水溶液溶解在199.2g去离子水中，得到浓度为0.2wt%的植酸溶液；
（2）将0.4g木质素磺酸钠固体粉末溶解在199.6g去离子水中，得到浓度为0.2wt%的木质素磺酸钠溶液；
（3）将步骤（1）中得到的植酸溶液与步骤（2）中得到的木质素磺酸钠溶液按照体积比为1：0.5的比例混合均匀，得到植酸和木质素磺酸钠的混合溶液；
（4）将1g聚氨酯海绵在步骤（3）中得到的植酸和木质素磺酸钠的混合溶液中充分浸泡，取出聚氨酯海绵，烘干；
（5）重复步骤（4）10次，得到所述的阻燃抗菌聚氨酯海绵。
阻燃性能测试结果：空白聚氨酯海绵的热释放速率峰值为229 kW/m2，本实施例所得阻燃抗菌聚氨酯海绵的热释放速率峰值为158 kW/m2。
抗菌性能测试结果：参照本实施例步骤（5）中所得阻燃抗菌聚氨酯海绵中植酸和木质素磺酸钠复合涂层的质量含量，依据本实施例步骤（3）中植酸和木质素磺酸钠混合溶液的配比。依据此复合涂层的质量含量和混合溶液的配比，配置模拟液，取出3mL，测试抗菌性能。空白样几乎没有抗菌性能，模拟液的细菌灭杀率平均值为98%。
压缩回弹性能测试结果：空白聚氨酯海绵循环压缩500次之后的残留应变为5-10%，本实施例所得阻燃抗菌聚氨酯海绵循环压缩500次之后的残留应变为5-10%。
实施例5
（1）将4g浓度为50wt%的植酸水溶液溶解在196g去离子水中，得到浓度为1wt%的植酸溶液；
（2）将2g木质素磺酸钠固体粉末溶解在198g去离子水中，得到浓度为1wt%的木质素磺酸钠溶液；
（3）将步骤（1）中得到的植酸溶液与步骤（2）中得到的木质素磺酸钠溶液按照体积比为1：0.5的比例混合均匀，得到植酸和木质素磺酸钠的混合溶液；
（4）将1g聚氨酯海绵在步骤（3）中得到的植酸和木质素磺酸钠的混合溶液中充分浸泡，取出聚氨酯海绵，烘干；
（5）重复步骤（4）若2次，得到所述的阻燃抗菌聚氨酯海绵。
阻燃性能测试结果：空白聚氨酯海绵的热释放速率峰值为229kW/m2，本实施例所得阻燃抗菌聚氨酯海绵的热释放速率峰值为153kW/m2。
抗菌性能测试结果：参照本实施例步骤（5）中所得阻燃抗菌聚氨酯海绵中植酸和木质素磺酸钠复合涂层的质量含量，依据本实施例步骤（3）中植酸和木质素磺酸钠混合溶液的配比。依据此复合涂层的质量含量和混合溶液的配比，配置模拟液，取出3mL，测试抗菌性能。空白样几乎没有抗菌性能，模拟液的细菌灭杀率平均值为99%。
压缩回弹性能测试结果：空白聚氨酯海绵循环压缩500次之后的残留应变为5-10%，本实施例所得阻燃抗菌聚氨酯海绵循环压缩500次之后的残留应变为5-10%。
上述实施例的测试结果表明，植酸可以明显提高聚氨酯海绵的阻燃性能，相比之下，木质素磺酸钠对聚氨酯海绵的阻燃效果低于植酸的阻燃效果。然而，植酸和木质素磺酸钠的配比为1：0.5时，其对聚氨酯海绵的阻燃效果明显高于单独植酸的和单独木质素磺酸钠的阻燃效果。另一方面，木质素磺酸钠的抗菌性能较低，明显低于植酸的抗菌性能。当植酸和木质素磺酸钠的配比为1：0.5时，抗菌性能与单独植酸的抗菌性能相当，木质素磺酸钠没有对植酸的抗菌性能产生不利的影响。此外，本发明制备的阻燃抗菌聚氨酯海绵的压缩回弹性能跟空白聚氨酯海绵的压缩回弹性能相当，没有破坏聚氨酯海绵内在的弹性和韧性。
上述实施例仅用来解释本发明，而不是限制本发明的保护范围。在本发明的精神实质和权利要求保护范围内做出的任何等效变化或修饰，都视为在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种阻燃抗菌聚氨酯海绵，其特征在于：所述聚氨酯海绵表面覆有由植酸和木质素磺酸钠形成的复合涂层。
2.根据权利要求1所述的一种阻燃抗菌聚氨酯海绵，其特征在于：所述复合涂层中植酸的质量分数为10~80wt%。
3.根据权利要求2所述的一种阻燃抗菌聚氨酯海绵，其特征在于：所述复合涂层中植酸的质量分数为40~70wt%。
4.根据权利要求2所述的一种阻燃抗菌聚氨酯海绵，其特征在于：所述复合涂层中植酸和木质素磺酸钠的质量比为1：0.5。
5.一种阻燃抗菌聚氨酯海绵的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将植酸溶解在去离子水中，得到植酸溶液；
2）将木质素磺酸钠溶解在去离子水中，得到木质素磺酸钠溶液；
3）将步骤1）中得到的植酸溶液与步骤2）中得到的木质素磺酸钠溶液混合均匀，得到植酸和木质素磺酸钠的混合溶液；
4）将聚氨酯海绵在步骤3）中得到的植酸和木质素磺酸钠的混合溶液中充分浸泡，取出聚氨酯海绵，烘干；
5）重复步骤4）若干次，得到所述的阻燃抗菌聚氨酯海绵。
6.根据权利要求5所述的一种阻燃抗菌聚氨酯海绵的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中植酸溶液的浓度为0.2~2wt%。
7.根据权利要求3所述的一种阻燃抗菌聚氨酯海绵的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中木质素磺酸钠溶液的浓度为0.2~2wt%。
8.根据权利要求3所述的一种阻燃抗菌聚氨酯海绵的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中的混合溶液溶质中，植酸与木质素磺酸钠的质量比为1：0.5。
9.根据权利要求3所述的一种阻燃抗菌聚氨酯海绵的制备方法，其特征在于：所述步骤4）中的充分浸泡是指将聚氨酯海绵浸泡至饱和状态。
10.根据权利要求3所述的一种阻燃抗菌聚氨酯海绵的制备方法，其特征在于：所述步骤4）中的烘干温度为60~100℃，烘干是指烘干至恒重状态。
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