聚氨酯硬泡塑料的制備與阻燃性能研究

梁克瑞（吉林工業(yè)職業(yè)技術學院，吉林 吉林132013）

聚氨酯（PU）泡沫塑料是現(xiàn)代重要的高分子合成材料之一。具有較高的壓縮強度和較好的尺寸穩(wěn)定性，在建筑材料、床墊、家具、保溫材料、汽車座墊及內飾材料等許多領域得到廣泛應用。但由于這種材料含可燃的碳氫鏈段，遇火會燃燒并分解，產(chǎn)生大量的煙塵和劇毒氣體。所以促使該材料應用發(fā)展的先決條件是增加泡沫塑料的阻燃性，最常用的方法是在聚氨酯泡沫塑料中加入阻燃劑，以提高泡沫阻燃性能，起到阻止泡沫繼續(xù)燃燒的作用。聚磷酸銨(APP)、氫氧化鋁(ATH)是常用的無鹵阻燃劑。APP無毒無味，不產(chǎn)生腐蝕氣體，吸濕性小，熱穩(wěn)定性高，是一種性能良好的無機阻燃劑，與有機阻燃劑相比具有價廉、毒性低、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可單獨或與其它阻燃劑復配使用[1～2]；ATH本身具有阻燃、消煙、填充三個功能，因其不揮發(fā)、無毒，又可與多種阻燃劑產(chǎn)生協(xié)同阻燃作用，被譽為無公害無機阻燃劑[3]，能在火源和泡沫間形成不燃性的屏障，從而起到阻燃作用。

本實驗采用APP、ATH和APP/ATH復配阻燃劑制備聚氨酯泡沫塑料，研究APP、ATH、APP/ATH用量及復配方式對聚氨酯泡沫塑料力學性能和阻燃性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚醚多元醇（400mgKOH/g）,南京杰拉華貿易有限公司；聚芳基聚異氰酸酯（PAPI），南京杰拉華貿易有限公司；N,N-二甲基環(huán)己胺，南京杰拉華貿易有限公司；三聚氰胺,天津光復精細化工研究所；聚磷酸銨(APP)，德國Clariant公司；氫氧化鋁,淄博博湖工貿有限公司；硅油(Y-10366),南京杰拉華貿易有限公司；正戊烷，淄博市臨淄天德精細化工研究所。

1.2 主要設備

電動攪拌器,JJ—l，江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司；萬能材料實驗機，CMT4503,深圳新三思計量技術有限公司；氧指數(shù)測定儀，JF-3,南京市江寧區(qū)分析儀器廠；建材煙密度測試儀，JCY-2,南京市江寧區(qū)分析儀器廠；平板法導熱儀，DZDR-P,南京永研電子有限責任公司。

1.3 聚氨酯硬質泡沫的制備

采用一步法制備硬質聚氨酯泡沫塑料，實驗步驟如下：

將聚醚多元醇、泡沫穩(wěn)定劑、催化劑、表面活性劑、阻燃劑和發(fā)泡劑等加入500ml燒杯中，室溫下用高速攪拌機混合均勻；快速加入異氰酸酯,攪拌30min,轉速為2000r/min；當有氣泡發(fā)出、泡體發(fā)白時，立即注入模具中發(fā)泡成型；將所制得泡沫，置于80℃烘箱中放置6h，熟化一定時間后，從烘箱中取出脫模，冷卻至室溫制備樣條。

1.4 聚氨酯泡沫塑料性能測試

按GB/T6343《泡沫塑料和橡膠表觀（體積）密度的測定》中的試驗方法測定泡沫密度，樣條尺寸為120mm×6mm×5mm，濕度為45%～55%的環(huán)境中狀態(tài)調節(jié)24h；按GB3399《塑料導熱系數(shù)試驗方法護熱平板法》測試泡沫熱導率；按GB/8813-1988硬質泡沫塑料壓縮試驗方法測試材料壓縮強度；按GB/T240693測試材料限氧指數(shù)，樣條尺寸為13mm×6 mm×3mm；按GB/T8627《建筑材料燃燒或分解的煙密度試驗方法》測試材料煙密度，樣條尺寸為25 mm×25mm×3mm。

2 結果與討論

2.1 阻燃劑用量及配比對泡沫阻燃性能的影響

在其他原料基本不變的條件下，改變阻燃劑添加量及配比，測得泡沫氧指數(shù)和煙密度與阻燃劑用量及配比的關系如圖1和圖2所示。

圖1 不同阻燃劑用量及配比對泡沫氧指數(shù)的影響

由圖1看出，隨著阻燃劑用量的增加，阻燃性能也隨之提高，APP用量在15% 以上即能達到較好阻燃效果，而ATH用量25%～30%之間所制得的泡沫阻燃效果達到國標B2標準。隨二者配比的不同，當APP與ATH的質量比為3：2時，阻燃效果最好，當用量為30份時，泡沫的氧指數(shù)達到34%。在聚氨酯泡沫中，APP主要在凝聚相發(fā)揮作用，可以消耗泡沫塑料燃燒時分解出的可燃氣體，使其轉化成不易燃燒的炭化物[4]；添加氫氧化鋁阻燃體系的泡沫氧指數(shù)增加2～5，降幅稍大，可能是其中含有的結晶水在泡沫塑料燃燒時快速分解，吸收燃燒熱[5～6]。而且泡沫受熱時，阻燃劑分解產(chǎn)物，如磷酸、氨氣、氧化鋁等，會增加與火焰接觸的表面積，同時能與多羥基化合物形成具有阻燃作用的物質并釋放水蒸氣；達較高高溫時，阻燃劑氣化產(chǎn)生的不燃性氣體，會使熔融的泡沫炭化形成疏松的多孔性阻燃層，從而可以達到更好的阻燃效果。

圖2 不同阻燃劑用量及配比對泡沫煙密度的影響

通過對圖2中煙密度（SDR）的分析可知，阻燃劑用量的增加，會導致泡沫的產(chǎn)煙量降低，煙密度減小，當用量為30份時，煙密度（SDR）小于70。這是因為燃燒過程使阻燃劑結構被破壞，分解產(chǎn)物增多，阻燃性能增強。進而降低了泡沫的燃燒性能[7]，另外，燃燒產(chǎn)生的A12O3屬于耐火材料，能與燃燒形成的其他碳化物在泡沫表面形成惰性屏障，起到減緩燃燒速度和控制火勢發(fā)展的作用，從而起到抑制煙氣產(chǎn)生的作用。

表1 阻燃劑添加量對泡沫垂直燃燒能的影響

泡沫中阻燃劑添加量越多，其阻燃性能越好，APP與ATH的質量比為3:2時，泡沫的垂直燃燒性能如表1所示。

從表1可以看出，磷鋁復配阻燃劑對泡沫有較好的阻燃效果，當添加量達到10%時，就能達到垂直燃燒FV-0級，這是因為復合阻燃劑中，磷系阻燃劑首先在凝聚相中熱分解為磷酸或多磷酸，這些酸能夠生成熔融的黏性表層來保護聚合物，使之不易燃燒或氧化，阻止火焰的傳播，最終使燃燒反應速率下降，直至終止；氫氧化鋁在250℃以上已基本上完成了脫水反應，吸收潛熱，降低溫度同時，產(chǎn)生的大量水蒸氣又能稀釋可燃氣體，減小燒蝕速率，防止火焰蔓延。

2.2 阻燃劑用量對泡沫力學性能的影響

由2.1知，APP與ATH的質量比為3:2時，具備較高的阻燃性能，因此，在此配比下不同阻燃劑用量對泡沫力學性能的影響如表2所示。

表2 阻燃劑添加量對力學性能的影響

由表2可知，隨著阻燃劑用量的增加，泡沫的密度逐漸增大，壓縮強度隨密度的增加而降低，泡沫的熱導率有所提高，但并沒有很大的變化。這是由于高密度的硬泡塑料壁要比低密度硬泡塑料的厚，而且胞體尺寸較小，密堆積情況要比低密度硬泡塑料好[8]。當阻燃劑用量超過25份時，由于泡孔壁附著的固體顆粒的影響，會降低泡沫的壓縮強度。

3 結論

1)由于純泡沫塑料的密度相對較小，隨著阻燃劑添加量的增加，泡沫密度逐漸增大，同時，泡沫的熱導率因阻燃劑的增加而略有提高，對其導熱性能有一定影響。

2)隨著阻燃劑添加量的增加，泡沫的壓縮強度隨之降低，密度的增加對泡沫的壓縮強度影響較大，說明阻燃劑增加到一定程度，對泡沫的力學性能產(chǎn)生較大影響。

3)阻燃劑用量及配比對泡沫的阻燃性能產(chǎn)生影響，復配阻燃劑效果更顯著，APP與ATH的質量比為3：2，阻燃劑達25%以上時，氧指數(shù)增大的趨勢減弱，而垂直燃燒性能和煙密度隨阻燃劑用量的增加而減小，說明阻燃劑用量越多，其阻燃效果越明顯，考慮對材料綜合性能的影響，阻燃劑添加量在30份時得到良好的材料性能。

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