本發(fā)明涉及一種一體化梯度聚氨酯泡沫材料及其制備方法，屬于泡沫材料。

背景技術(shù)：

1、聚氨酯泡沫(puf)是一種微孔發(fā)泡材料，均勻細(xì)膩的泡孔結(jié)構(gòu)賦予了其強度高、韌性好、應(yīng)力傳遞平穩(wěn)等特質(zhì)，因而被廣泛應(yīng)用于制鞋、緩沖、防爆材料方面。puf可通過基體以及泡孔結(jié)構(gòu)的可復(fù)性變形耗散能量，尤其在減震方面。大量研究表明，泡沫的機械性能與其相對密度和泡孔形態(tài)密切相關(guān)。而均質(zhì)泡沫通體特性扁平化，要提高能量吸收性能往往意味著泡沫密度隨之增加、材料成本上升。因此具有泡孔分級結(jié)構(gòu)的梯度泡沫逐漸成為研究重點。

2、梯度泡沫材料，是成分和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)梯度變化的一種新型多孔復(fù)合材料，可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)來滿足其整體功能和性能的設(shè)計性要求。聚合物梯度泡沫材料現(xiàn)有的制備方法有：

3、(1)粘合法(cn110696440a、文獻(xiàn)“梯度密度聚氨酯泡沫塑料的制備及性能研究”)將不同性質(zhì)的單層材料粘接在一起構(gòu)建梯度泡沫，上述方法簡單，但存在無法忽視的界面問題，不屬于一體化制備，且由于存在密度突變的粘合層，應(yīng)力難以跨越強界面繼續(xù)傳遞，導(dǎo)致應(yīng)力首先在界面內(nèi)聚并在該處產(chǎn)生橫向剪切撕裂作用導(dǎo)致壓潰失效。

4、(2)超臨界發(fā)泡法(cn110204778a、cn108795052a、cn108164831a、cn106336522a)需要在高溫高壓的條件下完成對熱塑性材料的氣體飽和吸附，而后經(jīng)兩段吸附或兩段泄壓過程形成梯度泡孔，該方法能耗高且對設(shè)備要求嚴(yán)格。

5、(3)3d打印法(cn109376497a、cn107200583a)通過沿預(yù)定路徑打印熔融線材來制備梯度泡沫，該方法路徑控制比較復(fù)雜、且泡孔可變性不高、受打印速度限制產(chǎn)能不高。

6、(4)冷凍法(cn109180992a)采用定向冷凍法制備梯度氣凝膠材料，該方法需要冷熱處理，能耗高、產(chǎn)能低。

7、(5)熔融共擠出法(cn108164814a)通過基料與不同比例的成核劑共混擠出片材后，將片材熔融疊合，因成核劑有利于泡孔形成，所以泡孔分布與成核劑濃度正相關(guān)，利用這一特性經(jīng)發(fā)泡后獲得梯度多孔材料，該方法工藝繁瑣且能耗較高。

8、(6)微波法(cn117820714a)與熔融共擠出類似，利用含有不同濃度微波吸收劑的基材片熔融疊合，再經(jīng)預(yù)發(fā)泡與微波二次發(fā)泡后獲得梯度泡沫材料，因微波吸收劑濃度差異可以形成梯度溫度場，對發(fā)泡程度產(chǎn)生影響，形成梯度泡沫；該方法工藝更加繁瑣、所需設(shè)備條件更加嚴(yán)格且能耗高。

9、以上方法雖然都可以構(gòu)建梯度泡沫材料，但都存在一些限制，導(dǎo)致梯度泡沫材料發(fā)展的不足。

10、因此，開發(fā)一種一體化制備梯度聚氨酯泡沫材料的方法，減少對設(shè)備的依賴、進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本具有極高的實用價值與經(jīng)濟(jì)價值。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本發(fā)明利用壓力輔助發(fā)泡技術(shù)一步法化學(xué)發(fā)泡制備一體化梯度泡沫。本發(fā)明采用的技術(shù)方法簡單易復(fù)現(xiàn)，可以達(dá)到降低能耗、減少成本或提升效率等目的。本發(fā)明的制備得到的梯度泡沫材料實現(xiàn)了密度與泡孔尺寸的連續(xù)過渡，避免了界面問題造成的內(nèi)部破壞。

2、本發(fā)明的第一個目的是提供一種制備一體化梯度聚氨酯泡沫的方法，所述方法包括：

3、(1)將聚醚多元醇、發(fā)泡劑、擴鏈劑、交聯(lián)劑、勻泡劑和催化劑混勻，得到預(yù)制料；將預(yù)制料和異氰酸酯混合，混勻，得到發(fā)泡料；

4、(2)將發(fā)泡料澆筑至模具中，以發(fā)泡料起升方向的表面為作用面，施加載荷作用；施加載荷作用后，進(jìn)行自由發(fā)泡；待發(fā)泡結(jié)束，取出泡沫試樣，熟化，得到一體化梯度聚氨酯泡沫；

5、其中，載荷作用中載荷強度為8～12bar，恒定載重2～10s，自由發(fā)泡0～8s(恒定載荷法)；

6、或，

7、載荷作用中載荷強度從0bar開始，按照0.8～4.0bar/s的載荷強度變化速率，梯度載重2～10s，自由發(fā)泡0～8s(階梯載荷法)。

8、在一種實施方式中，發(fā)泡劑為水；優(yōu)選地，發(fā)泡劑為工業(yè)級去離子水。

9、在一種實施方式中，擴鏈劑為乙二醇、1,4-丁二醇中的一種或兩種。

10、在一中實施方式中，交聯(lián)劑為二乙醇胺。

11、在一種實施方式中，勻泡劑為硅油。

12、在一種實施方式中，催化劑為三乙烯二胺、tegoamin?dmea、a33中的一種或幾種。

13、在一種實施方式中，從發(fā)泡料澆筑至模具開始，至發(fā)泡料凝膠前的這段時間稱為加工窗口期；加工窗口期的時長與基材(發(fā)泡料)性質(zhì)密切相關(guān)，且受投料比影響；本發(fā)明中，加工窗口期為發(fā)泡料載重的時長與自由發(fā)泡時長的總和，即操作時間，時長為5～20s；

14、優(yōu)選地，加工窗口期為10s。

15、在一種實施方式中，步驟(1)中，聚醚多元醇、發(fā)泡劑、擴鏈劑、交聯(lián)劑、勻泡劑和催化劑的質(zhì)量份數(shù)比例為90～110:0.65～0.85:4～6:2～4:0.3～0.7:1.5～2。

16、在一種實施方式中，其特征在于，步驟(1)中，預(yù)制料和異氰酸酯的質(zhì)量份數(shù)比例為98.45～123.55:75:86.5。

17、在一種實施方式中，步驟(2)中，熟化是將泡沫試樣置于40～70℃下48～72h。

18、本發(fā)明的第二個目的是提供任一上述的方法制備得到的一體化梯度聚氨酯泡沫。

19、本發(fā)明的第三個目的是提供任一上述的方法或上述的一體化梯度聚氨酯泡沫在材料領(lǐng)域中的應(yīng)用。

20、在一種實施方式中，所述材料領(lǐng)域中的應(yīng)用包括：制備建筑材料、家具、包裝材料、防護(hù)用具、醫(yī)療器械、運動器材。

21、本發(fā)明的第四個目的是提供一種用于沖擊防護(hù)的襯墊，所述襯墊含有上述的一體化梯度聚氨酯泡沫。

22、本發(fā)明的第五個目的是提供一種建筑材料，所述建筑材料含有上述的一體化梯度聚氨酯泡沫。

23、本發(fā)明的第六個目的是一種提高聚氨酯泡沫材料的抗壓強度、比能量吸收性能與抗沖擊性能的方法，所述方法包括：

24、(1)將聚醚多元醇、發(fā)泡劑、擴鏈劑、交聯(lián)劑、勻泡劑和催化劑混勻，得到預(yù)制料；將預(yù)制料和異氰酸酯混合，混勻，得到發(fā)泡料；

25、(2)將發(fā)泡料澆筑至模具中，以發(fā)泡料起升方向的表面為作用面，施加載荷作用；施加載荷作用后，進(jìn)行自由發(fā)泡；待發(fā)泡結(jié)束，取出泡沫試樣，熟化，得到一體化梯度聚氨酯泡沫；

26、其中，載荷作用中載荷強度為8～12bar，恒定載重2～10s，自由發(fā)泡0～8s；

27、或，

28、載荷作用中載荷強度從0bar開始，按照0.8～4.0bar/s的載荷強度變化速率，梯度載重時長為2～10s，自由發(fā)泡0～8s。

29、在一種實施方式中，步驟(1)中，聚醚多元醇、發(fā)泡劑、擴鏈劑、交聯(lián)劑、勻泡劑和催化劑的質(zhì)量份數(shù)比例為90～110:0.65～0.85:4～6:2～4:0.3～0.7:1.5～2。

30、在一種實施方式中，其特征在于，步驟(1)中，預(yù)制料和異氰酸酯的質(zhì)量份數(shù)比例為98.45～123.55:75～86.5。

31、在一種實施方式中，步驟(2)中，熟化是將泡沫試樣置于40～70℃下48～72h。

32、本發(fā)明的有益效果：

33、本發(fā)明利用壓力輔助發(fā)泡技術(shù)一步法化學(xué)發(fā)泡制備一體化梯度泡沫，本發(fā)明的制備方法簡單環(huán)保、低成本高效率，制備得到的一體化梯度泡沫性能好、強度高；

34、具體地：

35、(1)本發(fā)明通過恒定載重制備得到的一體化梯度泡沫抗壓強度達(dá)到524kpa以上；比能量吸收達(dá)到25kj/m3·g以上，最高可達(dá)124kj/m3·g；能量吸收效率達(dá)到97.77％以上；

36、(2)本發(fā)明通過梯度載荷制備得到的一體化梯度泡沫抗壓強度達(dá)到227kpa以上；比能量吸收達(dá)到12kj/m3·g以上，最高可達(dá)103kj/m3·g；能量吸收效率達(dá)到98.13％以上。