CN113975701A - 一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂及其制备方法，所述微胶囊灭火剂包括囊壁及囊芯，所述囊壁为聚氨酯/聚脲复合材料，所述囊芯为液体灭火剂，所述聚氨酯/聚脲复合材料为多异氰酸酯与多元醇及多元胺在低于40℃温度下界面聚合而成，聚合温度低于囊芯液体灭火剂的沸点，保证囊芯以液态形式包覆在微胶囊囊壁中，提高包覆率。当微胶囊遇火焰发生破裂时，灭火剂释放出来并快速气化，起到火灾初期主动灭火的作用。本发明提供的微胶囊灭火剂可以单独使用，也可添加到环氧涂料、聚氨酯涂料或丙烯酸树脂涂料等其他涂料中。
Description
技术领域
本发明涉及灭火剂技术领域，具体涉及一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂及其制备方法。
背景技术
火灾是现代社会重大灾害之一，严重威胁着人们的生命财产安全。对于绝大多数火灾来说，着火初期未能被发现并扑灭，是造成重大损失的主要原因。为此，开发主动灭火材料刻不容缓。
微胶囊技术是采用成膜材料将一些易挥发、具有一定活性的液体或固体包覆起来并在适当的刺激下释放出来的技术，目前已经应用在食品、生物医药、涂料等领域。近年来，在消防安全和灭火领域对微胶囊技术也进行了研究。其中，专利CN110025916A公开了一种微胶囊灭火材料及其制备方法，该微胶囊由多元酰氯与多元醇或多元胺合成，包覆的灭火剂为十二氟-2-甲基-3-戊酮，但未公开具体灭火效果，且酰氯作为原料容易吸水变成相应的羧酸，从而失去反应活性，不适合大规模工业生产；专利CN109420281A公开了一种微胶囊自动灭火剂，以三聚氰胺和/或脲醛与甲醛进行反应制备微胶囊包覆灭火剂，其反应温度为70℃，高于常见灭火剂的沸点，反应时灭火剂处于气态，灭火剂包覆量很有限。通过上述方法所制备的微胶囊灭火材料还存在不足，需要进一步改进，以提高微胶囊灭火剂的包覆率，并研究适用于大规模生产的微胶囊灭火剂制备方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明了提供了一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂及其制备方法，制备的微胶囊具有扑灭初期火灾的优异性能。
本发明为了实现上述目的，采用的技术解决方案是：
一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂，所述微胶囊灭火剂包括囊壁及囊芯，所述囊壁为聚氨酯/聚脲复合材料，所述囊芯为液体灭火剂，所述囊壁与囊芯的质量比为1:0.8-1.2，所述聚氨酯/聚脲复合材料为多异氰酸酯与多元醇及多元胺在低于40℃温度下界面聚合而成。
通过上述技术方案，本发明采用多异氰酸酯与多元醇反应形成聚氨酯材料，多异氰酸酯与多元胺反应形成聚脲材料，微胶囊囊壁采用聚氨酯与聚脲复合材料，可以通过选用不同的多异氰酸酯、多元醇和多元胺及其配比，调节囊壁的热转变温度，实现不同温度下囊芯灭火剂的有效释放，且在低温下就可以发生聚合，确保对囊芯材料液体灭火剂的有效包覆，保证了微胶囊的灭火效果。
进一步地，所述液体灭火剂采用氟溴烃、氟代烃、全氟己酮或四氟二溴乙烷中的至少一种。
进一步地，所述多异氰酸酯为TDI、MDI、IPDI中的至少一种。
进一步地，所述多元醇为PEG400、PEG800、PPG400、PPG2000、丙三醇、乙二醇中的至少一种。
进一步地，所述多元胺为乙二胺、己二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺中的至少一种。
本发明的另一目的是提供一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将液体灭火剂与多异氰酸酯溶于有机溶剂中制成油相，将乳化剂溶于水中制成水相，并分别将多元醇及多元胺溶于水中备用；
(2)将水相高速剪切乳化，并缓慢加入油相，继续高速剪切乳化3～25min，然后转入烧瓶中；
(3)在低于40℃温度及机械搅拌条件下，向步骤(2)烧瓶中缓慢滴加多元醇或多元胺的水溶液，并滴加完毕后继续反应2～4h；
(4)在低于40℃温度及机械搅拌条件下，向步骤(3)烧瓶中缓慢滴加多元胺或多元醇的水溶液，并滴加完毕后继续反应2～4h；
(5)将步骤(4)得到的混合体系升温至38～40℃，反应1～3h，反应完成后静置，然后进行抽滤、水洗，最后真空烘干得到粉末状微胶囊灭火剂。
通过上述技术方案，本发明在制备聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂时，在40℃下进行反应，制备温度低，确保将囊芯灭火剂在液态下进行包覆，提高了微胶囊的包覆率。
进一步地，所述步骤(1)中油相与水相的质量比1:6～8，所述液体灭火剂、多异氰酸酯、乳化剂、多元醇及多元胺的质量比为1:0.6～1.5:0.05～0.1:0.15～2:0.05～0.3，所述水相中乳化剂水溶液的浓度为0.002～0.02g/mL。
进一步地，所述步骤(1)中有机溶剂为石油醚、乙酸乙酯、环己烷、正己烷中的至少一种。
进一步地，所述步骤(1)中乳化剂为阿拉伯胶、聚乙烯醇、苯乙烯马来酸酐共聚物或苯乙烯马来酸酐共聚物钠盐中的至少一种。
进一步地，所述步骤(2)中高速剪切乳化的速度为3000-5000r/min。
本发明的有益效果为：
(1)本发明在低于40℃温度下制备微胶囊灭火剂，确保将囊芯灭火试剂在液态下进行包覆，提高了微胶囊的包覆率，包覆率可达到80％以上，进而提高发生火灾时的灭火效果；
(2)本发明的微胶囊遇到火焰受热时发生破裂，囊芯液体灭火剂释放出来并快速气化，起到火灾初期主动灭火的作用，响应快速且清洁高效；
(3)本发明的聚氨酯/聚脲复合微胶囊囊壁由多异氰酸酯与多元醇、多元胺通过界面聚合而成，可通过调节原料的种类、化学结构及配比来调节囊壁的热转变温度，实现不同温度下囊芯灭火剂的有效释放；
(4)本发明的微胶囊外观为粉末状，易于长期储存，可以单独使用，也可以添加到其他高分子材料(如涂料)中使用，可与涂料混合涂覆在设备表面，保护设备的安全运行。
附图说明
为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1得到的微胶囊的扫描电镜图片；
图2是将微胶囊破碎后的扫描电镜图片。
具体实施方式
本发明提供了一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明进行详细说明：
实施例1
本实施例提供的一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)原料配制：将8g全氟己酮和7.2gTDI溶于20mL乙酸乙酯，搅拌均匀，作为油相；将0.8g聚乙烯醇1788溶于200mL蒸馏水，恒温40℃加热并搅拌均匀，然后冷却至室温，作为水相；并分别将8gPEG400溶于20mL蒸馏水、将1.38g二乙烯三胺溶于10mL蒸馏水，搅拌均匀备用；
(2)将水相在4000r/min转速下剪切乳化并缓慢加入油相，继续高速剪切乳化10min，然后转入到四口烧瓶中；
(3)在室温和机械搅拌(300r/min)条件下，向四口烧瓶混合体系中缓慢滴加PEG400的水溶液，滴加速度为每一秒一滴，滴加完毕后继续反应3h；
(4)在室温和机械搅拌(300r/min)条件下，向四口烧瓶混合体系中缓慢滴加二乙烯三胺的水溶液，滴加速度为每三秒一滴，滴加完毕后继续反应2h；
(5)将步骤(4)得到的混合体系升温至40℃，反应3h，反应完成后静置、抽滤、水洗，然后55℃下真空烘干24h，得到粉末状微胶囊灭火剂。
实施例2
本实施例提供的一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)原料配制：将8g四氟二溴乙烷和3.6gTDI、4.6gIPDI溶于20mL乙酸乙酯，搅拌均匀，作为油相；将0.56g阿拉伯树胶溶于200mL蒸馏水，恒温60℃加热并搅拌均匀，然后冷却至室温，作为水相；并分别将1.2g乙二胺溶于10mL蒸馏水、15gPEG800溶于30mL蒸馏水，搅拌均匀备用；
(2)将水相在3000r/min转速下剪切乳化并缓慢加入油相，继续高速剪切乳化10min，然后转入到四口烧瓶中；
(3)在室温和机械搅拌(400r/min)条件下，向四口烧瓶混合体系中缓慢滴加乙二胺的水溶液，滴加速度为每三秒一滴，滴加完毕后继续反应1.5h；
(4)在室温和机械搅拌(400r/min)条件下，向四口烧瓶混合体系中缓慢滴加PEG400的水溶液，滴加速度为每一秒一滴，滴加完毕后继续反应3h；
(5)将步骤(4)得到的混合体系升温至40℃，反应2h，反应完成后静置、抽滤、水洗，然后50℃下真空烘干24h，得到粉末状微胶囊灭火剂。
实施例3
本实施例提供的一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)原料配制：将5g四氟二溴乙烷、3g全氟己酮和7.2gTDI溶于20mL乙酸乙酯，搅拌均匀，作为油相；将0.6g苯乙烯马来酸酐共聚物(SMA)溶于200mL蒸馏水，恒温50℃加热并搅拌均匀，然后冷却至室温，作为水相；并分别将1.38g二乙烯三胺溶于10mL蒸馏水、8gPEG400溶于20mL蒸馏水，搅拌均匀备用；
(2)将水相在3500r/min转速下剪切乳化并缓慢加入油相，继续高速剪切乳化15min，然后转入到四口烧瓶中；
(3)在室温和机械搅拌(300r/min)条件下，向四口烧瓶混合体系中缓慢滴加二乙烯三胺的水溶液，滴加速度为每三秒一滴，滴加完毕后继续反应2h；
(4)在室温和机械搅拌(300r/min)条件下，向四口烧瓶混合体系中缓慢滴加PEG400的水溶液，滴加速度为每一秒一滴，滴加完毕后继续反应3h；
(5)将步骤(4)得到的混合体系升温至40℃，反应2h，反应完成后静置、抽滤、水洗，然后50℃下真空烘干24h，得到粉末状微胶囊灭火剂。
实施例4
本实施例提供的一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)原料配制：将6g四氟二溴乙烷和3.6gTDI、5.2gMDI溶于20mL乙酸乙酯，搅拌均匀，作为油相；将0.56g阿拉伯树胶溶于200mL蒸馏水，恒温50℃加热并搅拌均匀，然后冷却至室温，作为水相；并将4gPEG400和7.5gPPG800溶于20mL蒸馏水，将1.38g二乙烯三胺溶于10mL蒸馏水，搅拌均匀备用；
(2)将水相在3500r/min转速下剪切乳化并缓慢加入油相，继续高速剪切乳化10min，然后转入到四口烧瓶中；
(3)在室温和机械搅拌(350r/min)条件下，向四口烧瓶混合体系中缓慢滴加PEG400和PPG800的水溶液，滴加速度为每一秒一滴，滴加完毕后继续反应3h；
(4)在室温和机械搅拌(350r/min)条件下，向四口烧瓶混合体系中缓慢滴加二乙烯三胺的水溶液，滴加速度为每三秒一滴，滴加完毕后继续反应2h；
(5)将步骤(4)得到的混合体系升温至40℃，反应2h，反应完成后静置、抽滤、水洗，然后55℃下真空烘干24h，得到粉末状微胶囊灭火剂。
对实施例1-4所得到的微胶囊灭火剂进行观察，均为白色粉末状，粉末均匀细腻；对实施例1得到的微胶囊灭火剂进行扫描电镜检测，如图1所示，微胶囊灭火剂的尺寸在5～100μm之间，并将微胶囊破碎，其微胶囊囊壁厚度为0.15～1.2μm，如图2所示。另外，微胶囊表面粗糙度适中，尺寸细小，便于与涂料相结合，可将其加入到涂料中。
对实施例1-4所得到的微胶囊灭火剂及添加微胶囊灭火剂的涂料进行灭火实验，如下表1所示，微胶囊单独使用或将微胶囊添加到涂料中时，灭火时间均少于20s，可实现快速灭火，且灭火剂释放响应时间短，起到火灾初期主动灭火的作用。
表1不同微胶囊灭火剂的灭火性能
需要说明的是，本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂，其特征在于，所述微胶囊灭火剂包括囊壁及囊芯，所述囊壁为聚氨酯/聚脲复合材料，所述囊芯为液体灭火剂，所述囊壁与囊芯的质量比为1:0.8-1.2，所述聚氨酯/聚脲复合材料为多异氰酸酯与多元醇及多元胺在低于40℃温度下界面聚合而成。
2.根据权利要求1所述的一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂，其特征在于，所述液体灭火剂采用氟溴烃、氟代烃、全氟己酮或四氟二溴乙烷中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂，其特征在于，所述多异氰酸酯为TDI、MDI、IPDI中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂，其特征在于，所述多元醇为PEG400、PEG800、PPG400、PPG2000、丙三醇、乙二醇中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂，其特征在于，所述多元胺为乙二胺、己二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺中的至少一种。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将液体灭火剂与多异氰酸酯溶于有机溶剂中制成油相，将乳化剂溶于水中制成水相，并分别将多元醇及多元胺溶于水中备用；
(2)将水相高速剪切乳化，并缓慢加入油相，继续高速剪切乳化3～25min，然后转入烧瓶中；
(3)在低于40℃温度及机械搅拌条件下，向步骤(2)烧瓶中缓慢滴加多元醇或多元胺的水溶液，并滴加完毕后继续反应2～4h；
(4)在低于40℃温度及机械搅拌条件下，向步骤(3)烧瓶中缓慢滴加多元胺或多元醇的水溶液，并滴加完毕后继续反应2～4h；
(5)将步骤(4)得到的混合体系升温至38～40℃，反应1～3h，反应完成后静置，然后进行抽滤、水洗，最后真空烘干得到粉末状微胶囊灭火剂。
7.根据权利要求6所述的一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中油相与水相的质量比1:6～8，所述液体灭火剂、多异氰酸酯、乳化剂、多元醇及多元胺的质量比为1:0.6～1.5:0.05～0.1:0.15～2:0.05～0.3，所述水相中乳化剂水溶液的浓度为0.002～0.02g/mL。
8.根据权利要求6所述的一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中有机溶剂为石油醚、乙酸乙酯、环己烷、正己烷中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中乳化剂为阿拉伯胶、聚乙烯醇、苯乙烯马来酸酐共聚物或苯乙烯马来酸酐共聚物钠盐中的至少一种。
10.根据权利要求6所述的一种聚氨酯/聚脲复合微胶囊灭火剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中高速剪切乳化的速度为3000-5000r/min。
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