阻燃劑對聚氨酯保溫材料力學(xué)性能的影響

王圣程 ，張云峰 ，祿利剛

（1.徐州工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.徐州賽孚瑞科高分子材料有限公司，江蘇 徐州 221008）

聚氨酯保溫材料已在建筑物的保溫隔熱領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]，但常規(guī)聚氨酯材料屬于易燃材料，燃燒會對安全造成嚴(yán)重威脅[2]。為提高聚氨酯保溫材料的阻燃性能及應(yīng)用的安全性，國內(nèi)外科研人員進行了聚氨酯保溫材料的阻燃方面研究。Zatorski W等[3]采用反應(yīng)型阻燃的方式提高聚氨酯的阻燃性能。張?zhí)锪趾唾Z振[4]通過合成聚醚多元醇磷酸酯/亞磷酸酯反應(yīng)型阻燃劑來提高聚氨酯的阻燃性能。CHENG Jiaji等[5-6]在聚氨酯材料中添加可膨脹石墨（EG）以提高其阻燃性。王圣程等[7]在聚氨酯保溫材料中添加磷系阻燃劑及EG改善其阻燃性能。王偉等[8]研究了碳納米管涂層與氧化石墨烯對聚氨酯阻燃性能的影響。溫中印等[9]分析了甲基膦酸二甲酯、磷酸三（1-氯-2-丙基）酯與EG復(fù)配對聚氨酯阻燃性能的影響。糜婧等[10]分析了含磷阻燃劑對聚氨酯阻燃劑力學(xué)性能的影響。洪曉東和代文娟[11]分析了含磷阻燃劑對聚氨酯阻燃及力學(xué)性能的影響。竇艷麗等[12]研究了可膨脹石墨對半硬泡聚氨酯材料阻燃、熱穩(wěn)定性及力學(xué)性能的影響。

上述研究主要針對改性聚氨酯保溫材料的阻燃性能，而阻燃劑對聚氨酯保溫材料力學(xué)性能的影響研究甚少?；诖耍谖墨I[7]的協(xié)同改性聚氨酯保溫材料阻燃性能研究的基礎(chǔ)上，對磷系阻燃劑（PFR）和EG協(xié)同改性的聚氨酯保溫材料的力學(xué)性能進行研究，測定阻燃劑對聚氨酯保溫材料的壓縮強度和剪切強度，為聚氨酯保溫材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。

1 試驗

1.1 試驗材料

多異氰酸酯：異氰酸酯基含量為31.0%；聚醚多元醇：聚醚的羥值為350；催化劑：硬泡的平衡催化劑；發(fā)泡劑：沸點為40℃，全球變暖潛能值為0.21；泡沫穩(wěn)定劑：硅油勻泡劑；PFR：三（1，3-二氯異丙基）磷酸酯（TDCPP），四（2-氯乙基）二亞乙基醚二磷酸酯（CR-505）；EG：可膨脹200倍。均為工業(yè)化產(chǎn)品。

1.2 樣品的制備

按照表1聚氨酯保溫材料配方，采用一步法發(fā)泡工藝制備聚氨酯保溫材料。首先，常溫下將聚醚多元醇、催化劑、泡沫穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑和阻燃劑等混合，用電動攪拌器將混合料攪拌均勻，形成組分A；然后，將組分A與多異氰酸酯混合并充分攪拌，60 s后澆注到特定模具中；最后，將樣品從特定模具中取出，去掉表面結(jié)皮層，得到改性聚氨酯保溫材料。其中Y0為未添加阻燃劑的空白聚氨酯保溫材料，作為對比試樣；YP1～YP5為PFR改性阻燃聚氨酯保溫材料；YPE1～YPE3為PFR與EG協(xié)同阻燃聚氨酯保溫材料。

表1 聚氨酯保溫材料的配方 g

1.3 試驗儀器設(shè)備及測試方法

所用主要試驗儀器有電子萬能試驗機和剪切性能測試儀。根據(jù)GB 8813—2008《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮性能的測定》測試聚氨酯保溫材料相對形變?yōu)?0%的壓縮強度，壓縮速率為2 mm/min，試樣尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，每組5個試樣。剪切性能測試采用角膜壓剪試驗法，角膜傾角為60°，壓縮速率為1 mm/min，試樣尺寸為50 mm×30 mm×30 mm，每組5個試樣。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 PFR對改性聚氨酯保溫材料力學(xué)性能的影響

圖1為PFR改性聚氨酯保溫材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖1 PFR改性聚氨酯保溫材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖1可以看出，樣品的相對變形10%內(nèi)的壓縮強度隨變形尺寸的增加，壓縮強度緩慢上升，曲線略有上凹，聚氨酯保溫材料內(nèi)的孔隙逐漸被壓縮閉合而產(chǎn)生非線性變形，屬于材料的彈性階段；然后壓縮強度隨變形尺寸增大呈線性提高，屬于線彈性階段。與空白聚氨酯保溫材料Y0相比，PFR改性阻燃聚氨酯保溫材料的壓縮強度有一定程度提高，YP1、YP2、YP3、YP4和 YP5的壓縮強度分別提高 2.2%、18.7%、23.6%、10.4%和6.5%（見表2）。這反映出PFR能提高聚氨酯保溫材料的壓縮強度，且TDCPP/CR-505添加比為 5∶5時壓縮強度提高最多。樣品YP2的壓縮強度高于YP4，說明CR-505對聚氨酯保溫材料壓縮性能提高略強于TDCPP。

表2 PFR改性聚氨酯保溫材料的壓縮強度

圖2為PFR對聚氨酯保溫材料剪切強度的影響。

圖2 PFR對聚氨酯保溫材料剪切強度的影響

從圖2可以看出，PFR改性阻燃聚氨酯保溫材料的剪切強度在變形小于1.8 mm時隨著變形量的增大會有緩慢提高，然后隨著變形量的增大快速提高?？瞻拙郯滨ケ夭牧显谧冃螢?.4 mm時，剪切強度峰值為0.156 MPa，而PFR改性的聚氨酯保溫材料的剪切強度在較小的變形尺寸即達到剪切強度峰值，且均高于空白聚氨酯保溫材料的剪切強度峰值；如樣品YP3在變形為3.4 mm時，剪切強度峰值為0.189 MPa，提高了21.2%。綜合分析壓縮強度和剪切強度，適量的PFR對聚氨酯保溫材料的力學(xué)性能的影響為正向，這是由于PFR為液體，混溶性好，可以均勻分散在聚氨酯保溫材料的基體中，起到補強和分散應(yīng)力的作用，使聚氨酯保溫材料的力學(xué)性能提高，從而提高其使用性能，有助于提高在建筑外保溫墻應(yīng)用的安全性。

2.2 PFR與EG協(xié)同對阻燃聚氨酯保溫材料力學(xué)性能的影響

為研究PFR與EG協(xié)同阻燃聚氨酯保溫材料的力學(xué)性能，在YP3配方基礎(chǔ)上，分別摻加5、10、15 g的EG形成YPE1、YPE2和YPE3。PER與EG改性阻燃聚氨酯保溫材料的壓縮強度與剪切強度分別見圖3、圖4。

圖3 PFR與EG協(xié)同阻燃聚氨酯保溫材料的壓縮強度

從圖3可以看出，較PFR改性阻燃聚氨酯保溫材料，PFR與EG協(xié)同阻燃聚氨酯保溫材料的壓縮強度隨EG用量的增加呈線性下降，擬合函數(shù)如式（1）所示。這是由于EG是由許多石墨片組成的片層結(jié)構(gòu)材料，石墨片層之間有較大的孔隙，且石墨粒子尺度較大，貫穿泡孔，破壞了泡孔的完整性，而且石墨與聚氨酯基體間相容性較差[13]，造成聚氨酯保溫材料的壓縮強度降低。

圖4 PFR與EG協(xié)同阻燃聚氨酯保溫材料的剪切強度

從圖4可以看出，聚氨酯保溫材料的剪切強度隨著EG用量的增加呈指數(shù)下降，擬合函數(shù)如式（2）所示。聚氨酯保溫材料在建筑物的屋頂、墻體等位置應(yīng)用時，要求其壓縮強度不小于0.095 MPa。通過式（1）可以計算出EG用量為28.30 g，其百分含量為12.3%。研究表明，PFR與EG對聚氨酯保溫材料進行改性后的氧指數(shù)大于30%，為難燃材料[7]，符合GB 8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》。但為了維護聚氨酯保溫材料的力學(xué)性能，EG用量不宜超過12.3%。

式中：Py——壓縮強度，MPa；

Pj——剪切強度，MPa；

m——EG的質(zhì)量，g。

3 結(jié)論

（1）PFR的應(yīng)用能使聚氨酯保溫材料燃燒的壓縮強度提高，TDCPP/CR-505添加比為5∶5時，壓縮強度提高幅度最大，且CR505對壓縮強度的提高略強于TDCPP。

（2）PFR改性的聚氨酯保溫材料的剪切強度在較小的變形尺寸即達到剪切強度峰值，且均大于空白聚氨酯保溫材料的剪切強度峰值。

（3）PFR與EG協(xié)同改性聚氨酯保溫材料的力學(xué)性能隨EG用量的增加而下降，為維護聚氨酯保溫材料的力學(xué)性能，EG用量不宜超過12.3%。