本发明属于床垫材料技术领域，具体涉及一种高强度床垫材料及其制备方法。
背景技术：
泡沫床垫也叫海绵床垫，就是主材用泡沫做成的床垫。泡沫床垫能符合身体的曲线，在提供支撑的同时，不失柔软和弹性，同时能缓冲身体的动作，即使一个人频繁翻身，也不会影响到伴侣，翻身的时候没有噪音。因此，泡沫床垫得到了广大消费者的青睐和喜爱。
现有的泡沫床垫主要分成三种：聚氨酯泡沫床垫、高弹泡沫床垫和记忆泡沫床垫。其中，聚氨酯泡沫床垫指的就是市场上常见的记忆棉床垫，也叫太空记忆棉床垫，慢回弹床垫，它最早是给美国太空宇航员返航缓冲时用的，最明显的特点就是回弹慢，能够随着压力的变化改变形状，因此看起来就好像是记得这个部位的压力，保持该有的形状，很好的贴合身体曲线，减少床垫对身体的压力。聚氨酯记忆泡沫材料是在形状记忆聚氨酯树脂的研究基础上，制得的具有形状记忆功能的泡沫结构材料。泡沫材料大大提高了形状记忆聚氨酯树脂的比模量及记忆性能，无论从形状恢复程度、形状恢复速率和形状恢复力上，形状记忆泡沫材料都表现出了比普通形状记忆树脂更好的性能。自日本率先研制出第一款形状记忆聚氨酯泡沫材料之后的数十年中，形状记忆聚氨酯泡沫材料普遍采用异氰酸酯、多元醇、催化剂、水和泡沫稳定剂混合发泡的方式合成制得。现有技术中，记忆聚氨酯泡沫材料制成的床垫存在如下问题：(1)产品的折弯性能和承压性能较差；(2)产品合格率较低。
中国专利文献“一种床垫用聚氨酯记忆泡沫材料及其制备方法(专利号：zl201711276012.7)”公开了一种床垫用聚氨酯记忆泡沫材料及其制备方法，所述聚氨酯记忆泡沫材料包括如下质量份数的原料组分：40-60份二异氰酸酯、90-110份聚多元醇、10-15份扩链剂、20-30份碳纤维、1.5-3份发泡剂、1-2份匀泡剂、0.5-1份开孔剂和0.3-1份催化剂；所述聚多元醇包括数均分子量分别为800-1500的低分子量聚多元醇、3000-5000的中分子量聚多元醇和8000-12000的高分子量聚多元醇。该发明具有交强的形变恢复能力，但存在着压缩强度和撕裂强度较低的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种高强度床垫材料及其制备方法，以解决在中国专利文献“一种床垫用聚氨酯记忆泡沫材料及其制备方法(专利号：zl201711276012.7)”公开的基础上如何优化组份、用量、工艺等，提高床垫材料的压缩强度和撕裂强度等问题。
为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种高强度床垫材料，包括以下原料：甲苯二异氰酸酯、聚烯烃、扩链剂、碳纤维、发泡剂、匀泡剂、催化剂、表面活性剂、三乙烯二胺、接枝聚醚、二氧化硅气凝胶、石墨烯、碳酸氢钠；
所述的接枝聚醚、二氧化硅气凝胶、石墨烯得用量比为(4-6)：(2-4)：(1-3)。
优选地，所述的接枝聚醚、二氧化硅气凝胶、石墨烯得用量比为5:3:2。
优选地，所述的高强度床垫材料以重量份为单位包括以下原料：甲苯二异氰酸酯20-30份、聚烯烃60-80份、扩链剂6-9份、碳纤维12-18份、发泡剂1-2份、匀泡剂2.2-2.5份、催化剂0.2-0.6份、表面活性剂0.8-1.5份、三乙烯二胺1.2-1.6份、接枝聚醚4-6份、二氧化硅气凝胶2-4份、石墨烯1-3份、碳酸氢钠0.5-1.5份。
优选地，所述的匀泡剂为聚二甲基硅氧烷，所述的发泡剂为水。
优选地，所述的催化剂为n,n-二甲基环己胺或四甲基亚烷基二胺中的一种。
优选地，所述的扩链剂为甘油、三羟甲基丙烷、二甘醇、山梨醇中的一种或两种以上组合物。
优选地，所述的表面活性剂为硅油。
本发明还提供一种高强度床垫材料的制备方法，包括以下步骤：
s1：按重量比将聚烯烃、碳纤维、扩链剂、发泡剂、匀泡剂、催化剂搅拌混合，搅拌的速率为500-600r/min，时间为30-60min；
s2：向步骤s1得到的混合液中加入甲苯二异氰酸酯，搅拌混合，静置反应发泡，形成聚氨酯泡沫；
s3：将接枝聚醚、三乙烯二胺和表面活性剂高速混合，搅拌速度为800-1000r/min，时间为20-30min，然后加入聚氨酯泡沫混合均匀，得聚氨酯混合物；
s4：石墨烯置于去离子水中超声分散后得到均匀分散的石墨烯水溶液，将二氧化硅气凝胶倒入石墨烯水溶液中，在80-100℃下机械搅拌至浆状，喷雾干燥将石墨烯分散于二氧化硅气凝胶微孔中形成石墨烯微孔材料；
s5：向石墨烯微孔材料中加入聚氨酯混合物，在搅拌过程中加入碳酸氢钠ph值为8-9，室温反应1-2h，然后放入密闭室内进行烘烤，烘烤温度为80-85℃，时间5-10h，取出于室温内静置12-24h，即可得到高强度的床垫材料。
本发明具有以下有益效果：
(1)由实施例1-3和对比例5的数据可见，实施例1-3床垫材料的拉伸强度和压缩强度明显高于对比例5的床垫材料的拉伸强度和压缩强度，实施例1-3床垫材料的密度明显低于对比例5的床垫材料的密度；同时由实施例1-3的数据可见，实施例1为最优实施例。
(2)由实施例1和对比例1-4的数据可见，床垫材料中接枝聚醚、二氧化硅气凝胶、石墨烯在床垫材料中起到了协同作用，协同提高了床垫材料的拉伸强度和压缩强度同时降低了密度，这是：
接枝聚醚是一种多元醇，由于接枝聚醚多元醇分子链上的丙烯腈会与其他分子链缠绕而产生假性交联，增加分子链，使分子链增强增韧，从而提高聚氨酯泡沫材料的压缩强度和拉伸强度，又由于发泡过程中，气泡壁上存在的乙烯基聚合微粒使气泡在泡沫膨胀后易于开孔，因而改善聚氨酯床垫材料的性能。石墨烯具有优异的力学性能，本发明利用石墨烯的增强特性，将石墨烯分散于微孔材料二氧化硅气凝胶的微孔内，然后在一定条件下形成石墨烯微孔材料，再与聚氨酯混合物微交联，石墨烯对聚氨酯混合物缠绕，增加分子链，使分子链增强增韧，形成聚氨酯微孔弹性材料，改善了聚氨酯泡沫团聚的问题，使得该材料具有稳定的结构，降低了材料密度，提高了力学性能。
(3)由对比例6-8的数据可见，接枝聚醚、二氧化硅气凝胶、石墨烯的重量比不在(4-6)：(2-4)：(1-3)范围内时，制得的床垫材料的拉伸强度和压缩强度和密度数值与实施例1-3的数值相差甚大，与现有技术(对比例5)的数值相当。本发明接枝聚醚、二氧化硅气凝胶、石墨烯作为补强体系，实施例1-3通过控制制备床垫材料时添加接枝聚醚、二氧化硅气凝胶、石墨烯的重量比为(4-6)：(2-4)：(1-3)，实现在补强体系中利用接枝聚醚分子链上的丙烯腈会与其他分子链缠绕而产生假性交联，石墨烯分散于微孔材料二氧化硅气凝胶的微孔内形成石墨烯微孔材料等特点，使得接枝聚醚、二氧化硅气凝胶、石墨烯构成的补强体系在本发明的床垫材料中，提高床垫材料的拉伸强度和压缩强度，并降低其密度。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的内容，现通过以下实施例加以说明，以下实施例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。
以下实施例中，所述的高强度床垫材料以重量份为单位包括以下原料：甲苯二异氰酸酯20-30份、聚烯烃60-80份、扩链剂6-9份、碳纤维12-18份、发泡剂1-2份、匀泡剂2.2-2.5份、催化剂0.2-0.6份、表面活性剂0.8-1.5份、三乙烯二胺1.2-1.6份、接枝聚醚4-6份、二氧化硅气凝胶2-4份、石墨烯1-3份、碳酸氢钠0.5-1.5份。
所述的匀泡剂为聚二甲基硅氧烷，所述的发泡剂为水。
所述的催化剂为n,n-二甲基环己胺或四甲基亚烷基二胺中的一种。
所述的扩链剂为甘油、三羟甲基丙烷、二甘醇、山梨醇中的一种或两种以上组合物。
所述的表面活性剂为硅油。
所述的高强度床垫材料的制备方法，包括以下步骤：
s1：按重量比将聚烯烃、碳纤维、扩链剂、发泡剂、匀泡剂、催化剂搅拌混合，搅拌的速率为500-600r/min，时间为30-60min；
s2：向步骤s1得到的混合液中加入甲苯二异氰酸酯，搅拌混合，静置反应发泡，形成聚氨酯泡沫；
s3：将接枝聚醚、三乙烯二胺和表面活性剂高速混合，搅拌速度为800-1000r/min，时间为20-30min，然后加入聚氨酯泡沫混合均匀，得聚氨酯混合物；
s4：石墨烯置于去离子水中超声分散后得到均匀分散的石墨烯水溶液，将二氧化硅气凝胶倒入石墨烯水溶液中，在80-100℃下机械搅拌至浆状，喷雾干燥将石墨烯分散于二氧化硅气凝胶微孔中形成石墨烯微孔材料；
s5：向石墨烯微孔材料中加入聚氨酯混合物，在搅拌过程中加入碳酸氢钠ph值为8-9，室温反应1-2h，然后放入密闭室内进行烘烤，烘烤温度为80-85℃，时间5-10h，取出于室温内静置12-24h，即可得到高强度的床垫材料。
实施例1
所述的高强度床垫材料以重量份为单位包括以下原料：甲苯二异氰酸酯20份、聚烯烃70份、甘油3份、三羟甲基丙烷3份、碳纤维18份、水2份、聚二甲基硅氧烷2.4份、n,n-二甲基环己胺0.2份、硅油1.2份、三乙烯二胺1.6份、接枝聚醚5份、二氧化硅气凝胶6份、石墨烯2份、碳酸氢钠0.5份。
所述的高强度床垫材料的制备方法，包括以下步骤：
s1：按重量比将聚烯烃、碳纤维、扩链剂、发泡剂、匀泡剂、催化剂搅拌混合，搅拌的速率为500r/min，时间为60min；
s2：向步骤s1得到的混合液中加入甲苯二异氰酸酯，搅拌混合，静置反应发泡，形成聚氨酯泡沫；
s3：将接枝聚醚、三乙烯二胺和表面活性剂高速混合，搅拌速度为900r/min，时间为20min，然后加入聚氨酯泡沫混合均匀，得聚氨酯混合物；
s4：石墨烯置于去离子水中超声分散后得到均匀分散的石墨烯水溶液，将二氧化硅气凝胶倒入石墨烯水溶液中，在100℃下机械搅拌至浆状，喷雾干燥将石墨烯分散于二氧化硅气凝胶微孔中形成石墨烯微孔材料；
s5：向石墨烯微孔材料中加入聚氨酯混合物，在搅拌过程中加入碳酸氢钠ph值为8，室温反应1.5h，然后放入密闭室内进行烘烤，烘烤温度为85℃，时间5h，取出于室温内静置24h，即可得到高强度的床垫材料。
实施例2
所述的高强度床垫材料以重量份为单位包括以下原料：甲苯二异氰酸酯30份、聚烯烃60份、山梨醇9份、碳纤维15份、水1.5份、聚二甲基硅氧烷2.2份、四甲基亚烷基二胺0.6份、硅油0.8份、三乙烯二胺1.4份、接枝聚醚4份、二氧化硅气凝胶2份、石墨烯1份、碳酸氢钠1.5份。
所述的高强度床垫材料的制备方法，包括以下步骤：
s1：按重量比将聚烯烃、碳纤维、扩链剂、发泡剂、匀泡剂、催化剂搅拌混合，搅拌的速率为600r/min，时间为40min；
s2：向步骤s1得到的混合液中加入甲苯二异氰酸酯，搅拌混合，静置反应发泡，形成聚氨酯泡沫；
s3：将接枝聚醚、三乙烯二胺和表面活性剂高速混合，搅拌速度为800r/min，时间为30min，然后加入聚氨酯泡沫混合均匀，得聚氨酯混合物；
s4：石墨烯置于去离子水中超声分散后得到均匀分散的石墨烯水溶液，将二氧化硅气凝胶倒入石墨烯水溶液中，在90℃下机械搅拌至浆状，喷雾干燥将石墨烯分散于二氧化硅气凝胶微孔中形成石墨烯微孔材料；
s5：向石墨烯微孔材料中加入聚氨酯混合物，在搅拌过程中加入碳酸氢钠ph值为9，室温反应1h，然后放入密闭室内进行烘烤，烘烤温度为83℃，时间10h，取出于室温内静置16h，即可得到高强度的床垫材料。
实施例3
所述的高强度床垫材料以重量份为单位包括以下原料：甲苯二异氰酸酯25份、聚烯烃80份、三羟甲基丙烷2份、二甘醇3份、山梨醇3份、碳纤维12份、水1份、聚二甲基硅氧烷2.5份、n,n-二甲基环己胺0.4份、硅油1.5份、三乙烯二胺1.2份、接枝聚醚6份、二氧化硅气凝胶4份、石墨烯3份、碳酸氢钠1.2份。
所述的高强度床垫材料的制备方法，包括以下步骤：
s1：按重量比将聚烯烃、碳纤维、扩链剂、发泡剂、匀泡剂、催化剂搅拌混合，搅拌的速率为550r/min，时间为30min；
s2：向步骤s1得到的混合液中加入甲苯二异氰酸酯，搅拌混合，静置反应发泡，形成聚氨酯泡沫；
s3：将接枝聚醚、三乙烯二胺和表面活性剂高速混合，搅拌速度为1000r/min，时间为25min，然后加入聚氨酯泡沫混合均匀，得聚氨酯混合物；
s4：石墨烯置于去离子水中超声分散后得到均匀分散的石墨烯水溶液，将二氧化硅气凝胶倒入石墨烯水溶液中，在80℃下机械搅拌至浆状，喷雾干燥将石墨烯分散于二氧化硅气凝胶微孔中形成石墨烯微孔材料；
s5：向石墨烯微孔材料中加入聚氨酯混合物，在搅拌过程中加入碳酸氢钠ph值为8，室温反应2h，然后放入密闭室内进行烘烤，烘烤温度为80℃，时间8h，取出于室温内静置12h，即可得到高强度的床垫材料。
对比例1
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于制备床垫材料的原料中缺少接枝聚醚、二氧化硅气凝胶、石墨烯。
对比例2
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于制备床垫材料的原料中缺少接枝聚醚。
对比例3
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于制备床垫材料的原料中缺少二氧化硅气凝胶。
对比例4
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于制备床垫材料的原料中缺少石墨烯。
对比例5
按照中国专利文献“一种床垫用聚氨酯记忆泡沫材料及其制备方法(专利号：zl201711276012.7)”中实施例1的方法制备床垫材料。
对比例6
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于制备床垫材料的原料中接枝聚醚用量为1份、二氧化硅气凝胶用量为8份、石墨烯用量为6份。
对比例7
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于制备床垫材料的原料中接枝聚醚用量为10份、二氧化硅气凝胶用量为0.5份、石墨烯用量为6份。
对比例8
制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于制备床垫材料的原料中接枝聚醚用量为2份、二氧化硅气凝胶用量为8份、石墨烯用量为0.3份。
按照实施例1-3和对比例1-8所述的方法制备床垫用材料，并检测各组材料的性能，结果见下表所示。
由上表可知：(1)由实施例1-3和对比例5的数据可见，实施例1-3床垫材料的拉伸强度和压缩强度明显高于对比例5的床垫材料的拉伸强度和压缩强度，实施例1-3床垫材料的密度明显低于对比例5的床垫材料的密度；同时由实施例1-3的数据可见，实施例1为最优实施例。
(2)由实施例1和对比例1-4的数据可见，床垫材料中接枝聚醚、二氧化硅气凝胶、石墨烯在床垫材料中起到了协同作用，协同提高了床垫材料的拉伸强度和压缩强度同时降低了密度，这是：
接枝聚醚是一种多元醇，由于接枝聚醚多元醇分子链上的丙烯腈会与其他分子链缠绕而产生假性交联，增加分子链，使分子链增强增韧，从而提高聚氨酯泡沫材料的压缩强度和拉伸强度，又由于发泡过程中，气泡壁上存在的乙烯基聚合微粒使气泡在泡沫膨胀后易于开孔，因而改善聚氨酯床垫材料的性能。石墨烯具有优异的力学性能，本发明利用石墨烯的增强特性，将石墨烯分散于微孔材料二氧化硅气凝胶的微孔内，然后在一定条件下形成石墨烯微孔材料，再与聚氨酯混合物微交联，石墨烯对聚氨酯混合物缠绕，增加分子链，使分子链增强增韧，形成聚氨酯微孔弹性材料，改善了聚氨酯泡沫团聚的问题，使得该材料具有稳定的结构，降低了材料密度，提高了力学性能。
(3)由对比例6-8的数据可见，接枝聚醚、二氧化硅气凝胶、石墨烯的重量比不在(4-6)：(2-4)：(1-3)范围内时，制得的床垫材料的拉伸强度和压缩强度和密度数值与实施例1-3的数值相差甚大，与现有技术(对比例5)的数值相当。本发明接枝聚醚、二氧化硅气凝胶、石墨烯作为补强体系，实施例1-3通过控制制备床垫材料时添加接枝聚醚、二氧化硅气凝胶、石墨烯的重量比为(4-6)：(2-4)：(1-3)，实现在补强体系中利用接枝聚醚分子链上的丙烯腈会与其他分子链缠绕而产生假性交联，石墨烯分散于微孔材料二氧化硅气凝胶的微孔内形成石墨烯微孔材料等特点，使得接枝聚醚、二氧化硅气凝胶、石墨烯构成的补强体系在本发明的床垫材料中，提高床垫材料的拉伸强度和压缩强度，并降低其密度。
以上内容不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。