可膨脹石墨—氫氧化鎂—秸稈纖維—聚氨酯硬泡復合保溫材料的制備及性能研究

蓋廣清 張兵

【摘 要】本文以秸稈纖維為增強材料，以氫氧化鎂和和膨脹石墨作為協同阻燃劑，制備出一種難燃的聚氨酯復合保溫材料。當秸稈摻量為6份，膨脹石墨10份，氫氧化鎂15份時，制備樣品的密度為45kg/m3，壓縮強度為0.43MPa，導熱系數為0.022W/（mK），氧指數達到30%。

【關鍵詞】聚氨酯；秸稈纖維；氫氧化鎂；可膨脹石墨

中圖分類號： TQ165 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）05-0018-002

【Abstract】In this paper，straw fiber is used as reinforcement material and magnesium hydroxide and expanded graphite are used as a synergistic flame retardant to prepare a flame-retardant polyurethane composite thermal insulation material.When the straw content is 6 parts，the expanded graphite is 10 parts，and the magnesium hydroxide is 15 parts， the prepared sample has a density of 45kg/m3，a compression strength of 0.43MPa，a thermal conductivity of 0.022 W/（mK），and an oxygen index of 30%.

【Key words】Polyurethane；Straw fiber；Magnesium hydroxide；Expandable graphite

0 引言

近年來，全國推廣超低能耗建筑，對外墻保溫材料的保溫性能要求越來越高。傳統EPS板、石棉板厚度不斷提高，甚至達到30cm以上，占用空間大，安全性下降。而硬質聚氨酯具導熱系數更低，可以大大降低墻體厚度，是達到現行節(jié)能標準和超低能耗建筑的理想材料。然而，聚氨酯保溫材料在推廣應用中存在兩大問題一是價格高，二是阻燃性差。因此，通過摻雜改性降低成本以及提高阻燃性成為近年來的研究熱點[1-5]。

本文以秸稈纖維為填充增強材料，不僅提高強度還降低了成本，同時利用膨脹石墨（EG）和氫氧化鎂（MH）協同阻燃，制備出一種難燃的聚氨酯復合保溫材料，具有很好的推廣前景。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

異氰酸酯（2208型聚合MDI），聚醚多元醇（902型，羥值490KOHmg/g），三乙醇胺，二丁基錫二月桂酸酯，氫氧化鎂（≦3um），膨脹石墨（150um），均為市售。秸稈纖維，自制，短切破碎1-5mm。

1.2 試樣制備

1.2.1 秸稈纖維預處理

以干燥的玉米秸稈為原料，利用高速粉碎機粉碎，分選出粒徑為1-5mm的秸稈纖維，在12%的氫氧化鈉溶液中浸泡24小時，沖洗烘干，備用。

1.2.2 聚氨酯硬泡的制備

將三乙醇胺和二丁基錫二月桂酸酯及泡沫穩(wěn)定劑和少量水加入聚醚多元醇中，初步分散后再加入設定量的預處理的秸稈纖維，機械攪拌均勻，記作A組分，30度恒溫；將一定量的EG和（或）MH阻燃劑加入異氰酸酯中，攪拌均勻，記作B組分，30度恒溫。高速攪拌30s，快速注入模具中，迅速合模，放入100℃的烘箱熟化4h，開模取出樣品，除去表面硬表皮，得到秸稈、EG和MH填充的硬質聚氨酯泡沫復合材料。秸稈纖維的質量份數取0—8份，阻燃劑總質量份數為0-30份。聚氨酯泡沫復合材料的基礎配方如表1所示。實驗中首先固定復合阻燃劑用量為25份，其中EG10份，MH15份，其它組分參考表1配方，改變秸稈用量，研究秸稈用量對硬質泡沫壓縮強度、導熱系數和氧指數的影響。再根據研究得出的最佳秸稈摻量，研究單一阻燃劑和復合阻燃劑對硬泡阻燃性能的影響。

1.3 測試與表征

導熱系數是依據GB/T3399-1982，利用耐馳科學儀器商貿有限公司的熱流導熱儀（HFM436）測試；表觀密度是按照GB/T 6343-2009測試；壓縮強度是依據GB/T8813-2008，利用深圳蘭博三思的電子萬能試驗機測試；氧指數是根據GB/T2406.1-2008，利用南京江寧科學儀器有限公司的氧指數測定儀測試。

2 結果與討論

2.1 秸稈用量對硬泡壓縮強度、導熱系數和氧指數的影響

通過固定復合阻燃劑用量為25份，其中EG10份，MH15份，研究秸稈用量對硬泡聚氨酯壓縮強度、導熱系數和氧指數的影響，結果如圖1所示。從秸稈用量對壓縮強度的影響曲線可以看出，初期，隨著秸稈用量增加，硬泡的壓縮強度逐漸增加，這是因為秸稈纖維分布在泡孔壁周圍，可承受一部分的壓力，導致壓縮強度有所增加。后期，隨著秸稈用量繼續(xù)增加，破壞了泡孔結構，導致壓縮強度下降。當秸稈用量為6%時，壓縮強度為0.43MPa，達最大值。從秸稈用量對導熱系數的影響曲線可以看出，初期，秸稈用量增加，導熱系數變化較小，后隨著秸稈用量增加，導熱系數略有增加從0.0213到0.0237W/（mK），當秸稈用量為6%時，導熱系數為0.022 W/（mK）。從秸稈用量對氧指數影響曲線可以看出，隨著秸稈用量增加，硬泡的氧指數呈現出先逐漸增加，達到一定值后又出現下降趨勢。這主要是因為，初期，秸稈用量適當增加，提高了硬泡的密實度，進而提高了阻燃性能，氧指數提高，然而，當用量繼續(xù)增加時，氧指數變化不大，甚至有下降趨勢，可能是過多的秸稈破壞了聚氨酯的交聯反應。當秸稈用量為6%時，氧指數達到30%。

由此可見，復合阻燃劑用量為25份，秸稈用量為6%時，壓縮強度為0.43MPa，導熱系數為0.022W/（mK），氧指數達到30以上。

2.2 阻燃劑對硬泡阻燃性能的影響

實驗固定其它原料不變，固定秸稈用量為6%，分別研究單一阻燃劑EG和MH對硬泡阻燃性能的影響，再研究復配阻燃劑對硬泡阻燃性能的影響，同時研究阻燃劑對硬泡其它性能（如密度、壓縮強度、導熱系數）的影響。

2.2.1 EG和MH單一阻燃對硬泡阻燃性能的影響

單一阻燃劑EG和MH對硬泡阻燃性能的影響如圖2曲線1、2所示?？梢钥闯觯刺砑幼枞紕r，氧指數為19%，此時秸稈纖維摻量為6%。從圖中1、2兩條曲線可以看出，初期，隨著阻燃劑用量增加，氧指數均呈現上升趨勢，當用量達到一定值后，變化趨于平緩，后呈現下降趨勢。而且，用EG為阻燃劑時，當摻量為20份時，氧指數達最大值，為23.5%；用MH為阻燃劑時，當摻量為25份時，氧指數達最大值，為24.3%。這主要是因為，可EG粒徑相對較大，摻量較多時會影響聚氨酯泡孔結構，進而使氧指數下降。同樣，MH作為粉料，過多也會影響聚氨酯泡孔結構。國家標準規(guī)定氧指數超過27為難燃材料，由此可見，在聚氨酯泡沫中添加較高單一組分的阻燃劑也很難滿足難燃材料的氧指數要求。

2.2.2 EG和MH復配對硬泡阻燃性能的影響

實驗固定其它原料不變，秸稈用量為6份，可膨脹石墨為10份，改變MH用量為0、5、10、15、20、25份。研究復配阻燃劑對硬泡阻燃性能的影響。如圖2中曲線3所示。當MH用量為15份時，硬泡的氧指數達到30以上，繼續(xù)增加MH用量則氧指數變化較小，甚至下降。由此可見，EG和MH復合阻燃明顯優(yōu)于單一阻燃效果，這是由于阻燃劑的協同作用效果。復合阻燃劑中兩種阻燃劑的機理不同，EG在受熱后在材料中形成隔離層，阻止材料進一步燃燒；而MH受熱分解成氧化鎂和水蒸氣，同時具有水蒸氣降溫和氧化鎂隔離作用。

2.3 復合阻燃劑對硬泡密度、導熱系數和壓縮強度的影響

通過調整發(fā)泡劑用量，使硬泡密度在44-46kg/m3范圍內，對導熱系數和壓縮強度進行了測試，結果如表2所示。阻燃劑摻量為0，秸稈用量為6%時，制備的硬泡聚氨酯，導熱系數為0.0213 W/（mK），添加阻燃劑后，導熱系數略有升高，從0.0213 W/（mK）～0.0226W/（mK），但仍屬于高效保溫材料。從表2可以看出，阻燃劑對硬泡壓縮強度的影響是先增大后減小，阻燃劑用量在一定范圍內增加，分布在泡孔壁周圍，可承受一部分的壓力，導致壓縮強度有所增加，阻燃劑過量時，由于膨脹石墨片層之間存在較大孔隙，且粒徑較大，破壞泡孔結構，微米級的氫氧化鎂過量也會破壞泡孔結構，導致壓縮強度下降。

3 結論

本文以秸稈纖維為增強材料，以氫氧化鎂和和膨脹石墨作為協同阻燃劑，制備出一種難燃的聚氨酯復合保溫材料，聚氨酯復合保溫材料的最佳改性工藝條件為：秸稈最佳摻量為6份，復合阻燃劑用量為25份，其中膨脹石墨10份，氫氧化鎂15份。此工藝制備的樣品密度約為45kg/m3，壓縮強度為0.43MPa，導熱系數為0.022W/（mK），氧指數達到30。由此可見，膨脹石墨和氫氧化鎂復合阻燃明顯優(yōu)于單一阻燃效果，證明二者具有較好的協同阻燃效果。秸稈纖維改性在很大程度上降低了硬質聚氨酯泡沫的成本，有利于推廣應用。

【參考文獻】

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[3]吳巖，張素爽.可膨脹石墨-硬質聚氨酯復合材料的制備與性能[J].黑龍江科技大學報，2015，25（3）：251-255.

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