廢棄纖維/聚氨酯保溫阻燃復(fù)合材料的制備及性能

呂麗華　王婧

摘要：為了開(kāi)發(fā)廢棄纖維循環(huán)利用新途徑，以廢棄纖維為增強(qiáng)材料，廢棄熱塑性聚氨酯（TPU）為基體材料，通過(guò)共混塑煉機(jī)壓法制備保溫阻燃復(fù)合材料。以熱傳導(dǎo)系數(shù)、拉伸強(qiáng)度等為檢測(cè)指標(biāo)，通過(guò)極差和方差分析優(yōu)化出最優(yōu)工藝參數(shù)：廢棄纖維含量15%，發(fā)泡劑偶氮二甲酰胺（AC）含量2%，阻燃劑聚磷酸銨（APP）含量20%，膨脹蛭石（EVMT）含量3%，熱壓溫度175 ℃，熱壓壓力1 MPa，硅烷偶聯(lián)劑（KH550）含量0.5%。在最優(yōu)工藝參數(shù)下，廢棄纖維/熱塑性聚氨酯保溫阻燃復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.159 W/（m·K），拉伸強(qiáng)度為2.17 MPa，極限氧指數(shù)為30.27%。

關(guān)鍵詞：廢棄纖維；廢棄熱塑性聚氨酯；保溫性；阻燃性；復(fù)合材料

中圖分類號(hào)：TS102.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2017）05-0015-04

Abstract：In order to develop a new approach of recycling waste fibers， heatinsulation flameretardant composites were prepared with waste fiber as reinforcing material and TPU as basis material by blendingplasticating hotpressing. The optimal technological parameters were obtained by means of range and variance analysis of coefficient of heat conduction and tensile strength： 15% fiber， 2% foaming agent （azodicarbonamide （AC））， 20% flame retardant （ammonium polyphosphate （APP））， 3% expansion vermiculite （EVMT）， 175 ℃（hotpressing temperature）， 1MPa （hot pressing pressure）， 0.5% silane coupling agent （KH550）. Given the optimal technological parameters， the coefficient of heat conduction of heatinsulation flameretardant composites made from waste fiber and thermoplastic polyurethane is 0.159 W/ （m·K）， the tensile strength is 2.17MPa and the limit oxygen index is 30.27%.

Key words：waste fibers； waste thermoplastic polyurethane； heat retaining property； fire resistance； composites

截止2011年，中國(guó)有超過(guò)2 600萬(wàn)t廢棄紡織品，其重復(fù)回收利用率卻不足10%。至“十二五”末，中國(guó)將產(chǎn)生超過(guò)1億t的廢舊紡織品[12]。廢棄紡織品主要可以通過(guò)燃燒法、掩埋法和分離回收法進(jìn)行處理[34]，其中燃燒法和掩埋法不僅浪費(fèi)資源，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染；混紡纖維分離法成本過(guò)高、分離不充分給纖維的分離帶來(lái)諸多難題，不能達(dá)到國(guó)家節(jié)能環(huán)保、回收再利用的要求[56]。所以，如何提高這些廢舊紡織品的回收利用率，制造高附加值的產(chǎn)品，已迫在眉睫。利用廢棄纖維制備保溫阻燃復(fù)合材料，不僅響應(yīng)環(huán)保大趨勢(shì)，還可以降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。熱塑性聚氨酯（TPU）回收利用簡(jiǎn)便，是一種綠色環(huán)保材料[7]。但其阻燃性能差，很容易引起火災(zāi)，造成重大損失，如能開(kāi)發(fā)出阻燃性能優(yōu)異的聚氨酯保溫復(fù)合材料，其市場(chǎng)前景良好。

本文以廢棄纖維為增強(qiáng)材料，廢棄TPU為基體材料，通過(guò)共混-塑煉熱壓法，研究制得的復(fù)合材料的保溫性能、力學(xué)性能和阻燃性能，優(yōu)化工藝參數(shù)。開(kāi)發(fā)廢棄纖維循環(huán)利用新途徑，制備輕質(zhì)節(jié)能的綠色環(huán)保保溫阻燃復(fù)合材料。

1實(shí)驗(yàn)

1.1原料

廢棄纖維、廢棄熱塑性聚氨酯（TPU）、發(fā)泡劑偶氮二甲酰胺（AC）（余姚市同勇塑染有限公司）、阻燃劑聚磷酸銨（APP）（濟(jì)南泰星精細(xì)化工有限公司）、膨脹蛭石（EVMT）（靈壽縣燕西礦產(chǎn)加工廠）、硅烷偶聯(lián)劑KH550（濟(jì)南興飛隆化工）、乙醇（天津市富宇精細(xì)化工有限公司）。

1.2儀器

QJK1000A邊角料開(kāi)松機(jī)（青島金盟科機(jī)械制造有限公司）；SJK180雙輥塑煉機(jī)（武漢怡揚(yáng)塑料機(jī)械有限公司）；QLB50D/QMN壓力成型機(jī)（江蘇無(wú)錫中凱橡塑機(jī)械有限公司）；ZHYW萬(wàn)能制樣機(jī)（河北省承德試驗(yàn)機(jī)廠）；RGY5微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（深圳市瑞格爾儀器有限公司）；KESF7紡織材料熱物性測(cè)試儀（湖南振華分析儀器有限公司）；LFY606B數(shù)顯氧指數(shù)測(cè)定儀（山東省紡織科學(xué)研究院）。

1.3工藝

1.3.1EVMT改性處理

采用預(yù)處理法對(duì)EVMT進(jìn)行有機(jī)化改性。稱取一定量干燥后的EVMT，放入燒杯中，加入不同含量的KH550（相對(duì)于EVMT用量）乙醇水溶液低速回流攪拌15 min，靜置30 min后過(guò)濾晾干，放入120 ℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥30 min得到樣品備用。

1.3.2廢棄纖維/TPU保溫阻燃復(fù)合材料的制備工藝

廢棄纖維/TPU保溫阻燃復(fù)合材料的制備工藝流程如圖1所示。

2結(jié)果與討論

2.1保溫性能結(jié)果與分析

通過(guò)測(cè)量熱傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)材料的保溫性能進(jìn)行表征，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。熱傳導(dǎo)系數(shù)是判定保溫性能的主要指標(biāo)，當(dāng)材料厚度為1 m時(shí)，內(nèi)外表面溫差1 K，在1 s時(shí)間內(nèi)通過(guò)1 m2材料的熱量，熱傳導(dǎo)系數(shù)越小，材料的保溫性能越好。熱傳導(dǎo)系數(shù)的極差分析見(jiàn)表2。

由表2可知，影響材料熱傳導(dǎo)系數(shù)的因素先后次序?yàn)椋簭U棄纖維含量>APP含量>熱壓壓力>EVMT含量>AC含量>KH550含量>熱壓溫度。由表2可知，廢棄纖維含量和阻燃劑含量對(duì)材料熱傳到系數(shù)影響最顯著。實(shí)驗(yàn)較優(yōu)水平組合為：A1B1C2D1E1F1G2，即纖維含量15%，AC含量2%，APP含量20%，EVMT含量2%，熱壓壓力1 MPa，熱壓溫度175 ℃，KH550含量1%時(shí)，材料保溫性達(dá)到最佳。

2.2力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果與分析

通過(guò)測(cè)試材料拉伸強(qiáng)度對(duì)保溫阻燃復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行表征，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。拉伸強(qiáng)度的極差分析見(jiàn)表4。

由表4極差分析可知，影響材料拉伸強(qiáng)度的因素先后次序?yàn)椋簭U棄纖維含量>APP含量>EVMT含量>AC含量>熱壓壓力>熱壓溫度>KH550含量。由表4可知，纖維含量和APP含量對(duì)材料拉伸強(qiáng)度影響較顯著。實(shí)驗(yàn)較優(yōu)水平組合為：A1B1C1D2E2F2G2，即纖維含量15%，AC含量2%，APP含量15%，EVMT含量3%，熱壓壓力2 MPa，熱壓溫度180 ℃，KH550含量1%時(shí)，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度達(dá)到最佳。

廢棄纖維含量在20%時(shí)的拉伸強(qiáng)度反而低于含量為15%時(shí)的拉伸強(qiáng)度，產(chǎn)生這種現(xiàn)象與纖維在體系內(nèi)的分散狀態(tài)有關(guān)。在廢棄纖維含量適當(dāng)時(shí)，纖維大部分呈單絲狀及小束纖維狀分散于體系，提高了材料的力學(xué)性能。

綜上所述，為獲得保溫性、力學(xué)性能較為優(yōu)良的廢棄纖維/聚氨酯保溫復(fù)合材料，廢棄纖維用量15%；APP量較多時(shí)，雖然會(huì)降低了材料保溫性能和力學(xué)性能，但對(duì)材料阻燃性能的影響卻更加明顯，所以可將阻燃劑APP含量定為20%；EVMT的加入均有利于材料阻燃性能和力學(xué)性能的改善，EVMT用量定為3%。另外，對(duì)于熱壓溫度、熱壓壓力、KH550用量此類對(duì)板材性能影響較小的因素，所以為減少能源與材料額耗費(fèi)，選取熱壓溫度為175 ℃，熱壓壓力1 MPa，KH550 0.5%。綜上所述，較優(yōu)工藝為：廢棄纖維含量15%，AC含量2%，APP含量20%，EVMT含量3%，熱壓溫度175 ℃，熱壓壓力1 MPa，KH550含量0.5%。

2.3阻燃性能結(jié)果與分析

APP受熱脫水后生成聚磷酸強(qiáng)脫水劑，可以促使TPU表面脫水生成炭化物，加之生成的非揮發(fā)性磷的氧化物及聚磷酸對(duì)基材表面進(jìn)行覆蓋，隔絕空氣而達(dá)到阻燃的目的，同時(shí)由于APP含有氮元素，受熱分解釋放出CO2、N2、NH3等氣體，這些氣體不易燃燒，阻斷了氧的供應(yīng)，達(dá)到了阻燃增效和協(xié)同效應(yīng)的目的[8]。又因?yàn)镋VMT在TPU中可以以無(wú)機(jī)/有機(jī)剝離狀態(tài)存在，分布于板材中的EVMT片層具有良好的氣液阻隔性能，所以燃燒表面的EVMT片層可以阻隔內(nèi)部因TPU分子鏈分解而產(chǎn)生的可燃性小分子向燃燒界面遷移，同時(shí)也能延緩?fù)饨缪鯕庀蛉紵缑鎯?nèi)部遷移的速率[9]。所以，使用APP與EVMT復(fù)配，一定程度上有利于改善材料的阻燃性能。在最佳工藝條件下，制備的廢棄纖維/TPU阻燃保溫復(fù)合材料的實(shí)拍圖見(jiàn)圖2。測(cè)試其極限氧指數(shù)可達(dá)30.27%。具有很好的阻燃效果。

TPU發(fā)泡保溫阻燃復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)主要與體系中材料的密度大小、泡孔的形狀、均勻度、閉孔率等因素有關(guān)[10]。由表2數(shù)據(jù)可以看出，隨著纖維含量、APP含量的增加，材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加，即材料的保溫性能會(huì)有所下降。當(dāng)纖維含量過(guò)多時(shí)，復(fù)合材料內(nèi)部體系環(huán)境復(fù)雜，造成發(fā)泡阻力增加，容易造成氣泡穿孔破裂；另外，在纖維與TPU總質(zhì)量一定的情況下，纖維含量的增加，則TPU含量的降低，因此導(dǎo)致基體流動(dòng)性下降，造成體系內(nèi)基體分布不均勻，致使材料密度與均勻度下降。阻燃劑APP的加入，不利于材料的均勻發(fā)泡。即纖維含量、APP含量的升高，均會(huì)使復(fù)合材料的熱傳到系數(shù)增大，即材料的保溫性能下降。在最優(yōu)工藝條件下，廢棄纖維/TPU保溫阻燃復(fù)合材料，通過(guò)圖3電鏡掃描可知，材料中形成了較為均勻的氣孔，有利于降低導(dǎo)熱系數(shù)，提高材料的保溫性能。

測(cè)得市售聚苯板的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.112 W/（m·K），拉伸強(qiáng)度為0.27 MPa，阻燃性屬于易燃材料。而本研究研制的廢棄纖維/TPU保溫阻燃復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.159 W/（m·K），拉伸強(qiáng)度可達(dá)2.17 MPa，極限氧指數(shù)可達(dá)30.27%。

3結(jié)論

本文使用廢棄纖維與廢棄聚氨酯進(jìn)行復(fù)合，以APP/EVMT復(fù)配阻燃體系，制備得到了具有一定阻燃性和力學(xué)強(qiáng)度的廢棄纖維增強(qiáng)聚氨酯保溫復(fù)合材料。通過(guò)檢測(cè)熱傳導(dǎo)系數(shù)、拉伸強(qiáng)度和極限氧指數(shù)，得到了纖維含量、發(fā)泡劑含量、阻燃劑含量、熱壓壓力、熱壓溫度、硅烷偶聯(lián)劑含量對(duì)保溫復(fù)合材料各項(xiàng)性能的影響。得到以下結(jié)論：

a） 用共混-塑煉熱壓法制備廢棄纖維/聚氨酯保溫阻燃材料的成型工藝范圍為：廢棄纖維含量≤20%，發(fā)泡劑AC含量≤10%，熱壓溫度≤180 ℃，熱壓壓力≤3 MPa，冷卻時(shí)間2 h。

b） 通過(guò)分析正交實(shí)驗(yàn)極差和方差分析，得出制備廢棄纖維/聚氨酯保溫阻燃復(fù)合材料的較優(yōu)工藝條件為廢棄纖維含量15%，發(fā)泡劑AC含量2%，阻燃劑APP含量20%，EVMT含量3%，熱壓溫度175 ℃，熱壓壓力1 MPa，KH550含量0.5%。

c） 最優(yōu)工藝條件下保溫復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.159 W/（m·K），拉伸強(qiáng)度達(dá)2.17 MPa，極限氧指數(shù)30.27%。

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（責(zé)任編輯：張會(huì)?。?/p>