聚氨酯/聚磷酸铵复合泡沫阻燃性能的优化方法综述

2022-07-07 04:00胡佳乐孙亚鹏耿铁夏欢王心超
科技研究·理论版 2022年11期
关键词:力学性能

胡佳乐 孙亚鹏 耿铁 夏欢 王心超

摘要: 聚磷酸铵具有良好的阻燃性能,常常被作为添加型阻燃剂而引入聚合物中,以赋予或提高材料耐熱阻燃的性能。本文阐述聚磷酸铵阻燃特点,针对聚氨酯泡沫塑料中存在的问题和不足,提出聚氨酯/聚磷酸铵复合泡沫阻燃性能优化方法。最后,展望燃性能的优化方法在未来的应用前景和发展趋势。

关键词:聚氨酯泡沫;聚磷酸铵;阻燃机理;协同阻燃;力学性能;

前言:聚氨酯泡沫塑料(RPUF)具有质量轻、保温隔热、耐磨性能好、耐腐蚀性强、可大量制备且易切割等众多优点于一身[1][2],因此被广泛应用于建筑、交通运输、电线电缆、航空航天、医疗技术和军事科技等领域[3][4]。然而,RPUF耐高温、耐热性能较差极大地限制了RPUF的使用范围。聚磷酸铵(APP)是膨胀阻燃剂(IFR)的主要成分之一,具有绿色无毒、热稳定性好和耐水解性能优异等优点[5]5-[6],成为目前研究开发及应用的热点。因此,通常利用APP与其他阻燃剂协同阻燃或对APP进行表面改性处理来改善其耐火性能。

1、聚磷酸铵阻燃机理

APP通过形成膨胀炭层和催化增加成炭来实现高效阻燃。APP遇热发生分解反应,分解生成聚磷酸等酸性物质,聚磷酸在铵气作为催化剂的条件下发生酯化反应,在酯化过程中,体系便开始进入熔融状态,由于APP中含有P、O、H和N元素,受热分解时可释放出氨气、水蒸气和氮气等不燃性气体,这些气体一部分使熔融体系膨胀发泡,另一部分传递至空气中以稀释空气中的氧浓度,从而阻断了氧气的供应[7]。此外,聚磷酸是较强的脱水剂,可促使高分子聚合物表层脱水炭化,加速成炭反应的进行。

2、阻燃性能的优化方法

阻燃效果不明显和添加量过大是添加单一APP阻燃剂的缺陷。想要实现高效的阻燃效果,必须对其改性优化。所谓改性,就是通过物理、化学、机械等手段改善材料原有性能、赋予材料自身不具备的性能[8]。采用协效剂协同阻燃和微胶囊化处理是目前常对APP阻燃改性的两种方法,且其研究方法和技术手段也已相当成熟。

王佳楠等[9]以聚醚多元醇和聚合异氰酸酯为发泡主要原料,将精制碱木质素与APP按不同比例复配组成IFR,并采用一步发泡法制备出RPUF/IFR。实验组结果对比显示,当质量比满足碱木质素:APP=1:6,且在两者添加量占总组分的30%时(即RPUF/30%IFR),LOI达最大值26.3%。热重分析(TGA)表明,RPUF/30%IFR的残炭率(700℃)显著提高,可由0(纯RPUF)增加至33.8%。通过电子扫描显微镜(SEM)观察到,纯RPUF燃烧后表层存在较多大小不一的孔穴,这些孔穴是材料在燃烧期间,体系外氧气和热量向体系内部传输的通道,而RPUF/30%IFR材料燃烧后的炭层致密连续,孔穴数量较纯RPUF大幅减少。张琪等[10]选取高岭土(KL)和APP为阻燃剂,采用聚酰亚胺(PI)预聚法,制备出一系列不同组分配比的高性能KL/APP阻燃硬质聚氨酯-酰亚胺(PUI)泡沫塑料。LOI实验结果发现,KL的单独加入对材料的LOI值影响极小,这是因为KL受热分解生成水蒸气,吸收燃烧体系的热量较少。对比之下, APP的添加可以显著提高复合材料的LOI值,尤其RPUF/APP40(APP的质量分数为40wt%)的LOI值可达31.4%,这是因为APP受热分解生成聚磷酸和氨气,反应吸收了体系中大量的热,且释放出的氨气传递到外界,稀释了空气中的氧气。此外,SEM图像显示,KL能够增强APP形成的膨胀炭层,原因是KL分解生成的Al2O3/SiO2可以填补炭层中细小的孔洞,使其变得致密无孔,从而提高了炭层的屏蔽隔绝能力。R. Yurtseven[11]将总量为10%的APP和三聚氰胺(MEL)按3:1、2:1和1:1的配比(依次标记为10%IFR 1、10%IFR 2和10%IFR 3)合成了阻燃RPUF。垂直燃烧实验数据表明,10%IFR 1表现出最佳阻燃性能,其残炭量最高,可达28.6%。与此同时,10%IFR 1分解最快速度对应的温度为341.7℃,较纯RPUF低13℃。然而,力学性能结果显示,两阻燃剂的加入导致了材料的压缩性能降低,尤其当APP:MEL=1:1时,材料的压缩强度为125.8kPa,较纯RPUF下降了16%。

APP作为添加型阻燃机的研究进展

3、总结与展望

高聚合度APP虽具有良好的阻燃性能和热稳定性,但仅仅添加APP单一阻燃剂并不能满足人们对阻燃材料的要求,因此,对APP的改性成为了研究焦点。改性不仅不会使得APP发生质的变化,而且能够提高其阻燃效能及力学性能。协同阻燃和微胶囊化处理是目前已经纯熟的改性技术手段,但还有一些利用表面活性剂改性APP和超细化APP等处理技术正如雨后春笋一般,这为阻燃技术的发展带来的新方向和新动力。参考文献

参考文献:

[1] B S H A , C X Z A , A F C , et al. Flame-retardant system for rigid polyurethane foams based on diethyl bis(2-hydroxyethyl)aminomethylphos phonate and in-situ exfoliated clay[J]. Polymer Degradation and Stability, 177.

[2] 李聪,马文娟,巴智晨,谷一正,刘志明.羟甲基木质素磺酸钠/膨胀石墨/次磷酸铝阻燃聚氨酯泡沫的研究[J].生物质化学工程,2020,54(02):1-5.

[3] 牛力,李旭,王佳楠,刘志明.AHP/碱木质素聚氨酯泡沫的阻燃性能[J].塑料,2020,49(01):19-22.

[4] 张璟晨,邬素华,倪凯,康诗懿.阻燃聚醚多元醇的制备及对聚氨酯泡沫阻燃性能的影响[J].塑料科技,2019,47(10):142-147.

[5] Czonka S , Strkowska A , Kairyt A , et al. Nutmeg filler as a natural compound for the production of polyurethane composite foams with antibacterial and anti-aging properties[J]. Polymer Testing, 2020:106479.

[6] Zhao Q , Chen C , Fan R , et al. Halogen-free flame-retardant rigid polyurethane foam with a nitrogen–phosphorus flame retardant[J]. Journal of Fire Sciences, 2017, 35(2):99-117.

猜你喜欢
力学性能
废弃塑料制品改性沥青混凝土力学性能研究
Mg元素对A356合金力学性能影响
Mg元素对A356合金力学性能影响
再生骨料混凝土破坏机理与改性研究综述
纤维混凝土的力学性能及其在路面工程中的应用研究
混杂纤维混凝土的力学性能及应用分析
热成形钢烘烤硬化性能研究
基于短纤维增强的复合气压砂轮基体性能研究
新型复合材料点阵结构的研究进展
水力锚力学性能分析