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APP/EG复配阻燃硬质聚氨酯泡沫的制备及性能研究

时间:2017/11/17 14:24:56来源:中国知网作者:ChinaPU

 制备了聚磷酸铵(APP)/可膨胀石墨(EG)复配阻燃的硬质聚氨酯泡沫塑料,并分析了复配阻燃剂对其氧指数、烟密度、炭层形貌以及力学性能的影响?结果表明:APP∶EG1∶3,各添加量下的氧指数均达到最高,最高可达35.5%;APP的加入可明显改善EG烟密度大的缺点,APP生成的紧密炭层将EG生成的蠕虫状炭层固定在材料内部;随着复配阻燃剂的加入泡沫压缩性能提高,冲击性能下降。

关键词 聚磷酸铵,可膨胀石墨,硬质聚氨酯泡沫,复配阻燃 

硬质聚氨酯泡沫塑料(RPUF)是一种新型的高性能、多用途高分子聚合物材料。以其独特的三维网状泡孔结构而具有优异的保温、吸声、耐化学腐蚀、承载和抗冲击等性能RPUF的密度及分子链上的软硬段结构均可通过配方中原料的种类和用量来调节和改变,因此RPUF在墙体外保温、冷藏、运输、航天、文体等领域都得到了广泛应用。然而未经阻燃的RPUF的极限氧指数只有18%,极易燃烧,且燃烧时放出COHCN等有毒气体,危害人民的生命财产安全,要作为结构材料来使用还需要进行改性,以进一步提高其阻燃性、力学性能及其他性能。

随着无卤阻燃技术的广泛应用,各种各样的无卤阻燃剂被开发利用,聚磷酸铵(APP)和可膨胀石墨(EG)作为膨胀型阻燃剂的典型,已被广泛应用于聚氨酯硬泡和软泡及其他聚合物的阻燃?但是由于可膨胀石墨在聚合物燃烧时自身膨胀成蠕虫状的炭层,且其与燃烧后的材料表面没有物理化学结合,极易产生飞灰效应,虽然阻燃效果明显但却使烟密度增大。而APP在聚合物燃烧时会与聚合物基体产生物理化学反应,生成较为坚硬致密的炭层,鉴于此本研究将APPEG按一定比例复配组成复配阻燃剂,并将其以物理添加的方式加入到RPUF,研究其对泡沫各性能的影响。

1  实验部分

1.1  主要原料

多异腈酸酯(PAPI,PM-200),山东万华聚氨酯有限公司;聚醚多元醇聚醚[4110,羟值(430±30)],南京拓翰商贸实业有限公司;三乙醇胺(分析纯),天津市北方天医化学试剂厂;丙三醇(分析纯),天津市天力化学试剂有限公司;二甲基硅油(分析纯),天津市大茂化学试剂厂;辛酸亚锡(分析纯),国药集团化学试剂有限公司;蒸馏水,实验室自制;多聚磷酸铵(APP,聚合度>1000),深圳市金隆化工科技有限公司;可膨胀石墨(EG,80),青岛岩海碳材料有限公司。

1.2  试样制备

APP/EG复配阻燃RPUF的制备:首先将水、辛酸亚锡、三乙醇胺、二甲基硅油、丙三醇、正戊烷和1EG[0%(wt,质量分数,下同)20%、30%]APP按一定比例加入到10g聚醚多元醇中,搅拌均匀,然后与22.5g多异腈酸酯(PAPI)混合,经快速搅拌倒入模具之中,60℃下熟化24h,开模取出泡体制得RPUF

1.3  测试与表征

冲击性能采用简支梁组合冲击试验机,GJB 1585A—2004标准进行测试,实验跨度为60mm,样品尺寸为80mm×15mm×10mm,摆锤速率为2.9m/s;压缩性能在电子万能拉伸试验机(AGS-X)上进行测定,压缩试样尺寸为50mm×50mm×50mm,压缩速率为5mm/min,测试标准为GB/T 8813—2008;极限氧指数采用氧指数测定仪(JF-3)参照GB 8624—1997标准测定;烟密度采用建材烟密度测试仪(JCY-2)参照GB 8624—1997标准测定;燃烧后表面的炭层结构采用场发射扫描电子显微镜观察。

2  结论与讨论

2.1  APP/EG复配阻燃剂对泡沫氧指数的影响

1APP/EG不同比例和添加量时RPUF的极限氧指数?由图可知,随着APP/EG复配阻燃剂添加量的增加氧指数总体增加;而氧指数却随着复配阻燃剂中EG比例的增加先增加后减小,且均在APP∶EG1∶3时达到最大,最高可达35.5%,而未经阻燃的RPUF的氧指数只有18.5%。这是因为APP在材料燃烧时受热分解生成的氨气和水蒸气不但可以降低泡沫表面的温度而且还能稀释氧气,同时生成的聚磷酸使泡沫迅速炭化,起到阻燃作用;然而EG是通过自身分解产生CO2SO2H2O等不可燃气体来起到阻燃作用。

 

1  APP/EG不同比例和添加量时RPUF的极限氧指数

2.2  APP/EG复配阻燃剂对泡沫烟密度的影响

2APP/EG不同比例和添加量时RPUF的烟密度。由图可以看出,随着APP/EG复配阻燃剂添加量的增加烟密度明显增加;同时烟密度还随着复配阻燃剂中EG比例的增加而增加,且在只添加EG(APP∶EG0∶1)时达到最大,最高可达55.3%,而未经阻燃的RPUF的烟密度只有24%左右;由图还可知,当只添加APP(APP∶EG1∶0)时烟密度只有略微的增加,这说明EG的加入导致了泡沫烟密度的增加,这是因为EG受热分解生成的蠕虫状极易被气体吹起,产生飞灰效应,使烟密度增加,APP的加入可以改善这一缺点。

 

2  APP/EG不同比例和添加量时RPUF的烟密度

2.3  APP/EG复配阻燃剂对泡沫炭层形貌的影响

3是添加不同阻燃剂时RPUF烟密度测试后的炭层形貌。如图3(a)所示,未经阻燃的硬RPUF燃烧后表面坍塌变形,且有大量的大孔洞出现,这样的炭层无法阻止外界热量和氧气进入材料内部,进而极易燃烧;而单独添加APP,如图3(b)所示,泡沫燃烧后生成了致密的球状炭层,这是由APP分解生成的磷酸使泡沫迅速炭化而生成的,这样的炭层便可以阻止外界热量和氧气进入材料内部,同时又使材料内部产生的细小固体颗粒无法释放到外界,故而可大大提高氧指数,且烟密度没有明显增加;单独添加EG,如图3(c)所示,生成了独特的蠕虫状炭层,但是这些炭层只是简单的堆积在材料表面,容易被吹起而产生飞灰效应,所以此时烟密度迅速增加;APP的加入可以改善这一缺点,如图3(d)所示,APP生成的球状炭层将EG生成的蠕虫状炭层固定在材料表面,所以在两者复配时既可以增加泡沫的氧指数又可以使烟密度没有明显增加,进而提高泡沫阻燃性。

 

3  添加不同阻燃剂时RPUF燃烧后的炭层形貌

[(a)RPUF;(b)单独添加APP;(c)单独添加EG;(d)APP/EG复配添加时]

2.4  APP/EG复配阻燃剂对泡沫力学性能的影响

未经阻燃的泡沫的压缩强度和冲击强度分别是0.105MPa0.08kJ/m2。而添加APP/EG复配阻燃剂时泡沫力学性能如图4所示。由图可知,RPUF的压缩强度和冲击强度随着复配阻燃剂添加量的增加均下降,但是压缩强度均明显高于未添加时的0.105MPa,且只与添加量有关与比例没有明显关系,这是无机粒子的加入使泡沫的基体变硬变脆的必然结果;而冲击强度却随着复配阻燃剂中EG比例的增加而增加,这说明EG对泡沫冲击性能的影响要小于APP

 

4  APP/EG复配阻燃剂对泡沫力学性能的影响

[(a)对压缩强度的影响;(b)对冲击强度的影响]

3  结论

复配阻燃剂的加入可大大提高泡沫的氧指数和烟密度,分别最高可达35.5%55.3%;且复配的最佳比例是1∶3(APP∶EG)。添加不同阻燃剂时泡沫燃烧后产生了不同类型的炭层,单独添加APP时生成了致密的球状炭层,单独添加EG时生成了独特的蠕虫状炭层,两者复配时APP生成的球状炭层将EG生成的蠕虫状炭层固定在材料表面。随着复配阻燃剂的加入泡沫压缩性能明显提高,冲击性能下降。

 

 

 

 

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