水性聚氨酯材料的阻燃研究

发布时间:2019-11-26

由于反应型阻燃剂存在稳定性好、且阻燃效果好等优点,磷系阻燃剂属于环保型的阻燃剂,高磷含量的阻燃剂添加量很少就能使聚氨酯产品达到良好的阻燃效果,且含磷的阻燃剂易与含其它元素的阻燃剂如氮类、硅类等复配使用,尤其是磷氮系阻燃剂,成为水性聚氨酯实现阻燃研究的重点。

水性聚氨酯

用自制的N,N-二羟乙基-亚磷酸甲胺二乙酯阻燃剂参与合成的水性聚氨酯乳液,当阻燃剂含量为2%时,P2氧指数显著提 高,达到33% ,与P0相比提高了30. 8% 。但是其后,P3和P4氧指数基本保持在33%左右。这个结果一方面说明制备的阻燃剂对PU有明显的阻燃效果,另一方面也说明当磷含量达到2%后,继续提高P含量并不太有效地提高氧指数,因为当阻燃剂含量达到一定的值后,难燃的炭层覆盖在聚合物的表面形成的保护层的量会趋于饱和。

以二苯基甲烷二异氰酸酯( MDI) 和聚乙二醇( PEG-600)为主要单体、N,N-双( 2-羟乙基) 氨基乙基膦酸二乙酯( FRC-5) 为部分或全部扩链剂,制备了一系列不同FRC-5掺量的阻燃WPU(水性聚氨酯) 。研究结果表明: 当 w( FRC-5) =15% ( 相对于PEG-600和MDI总质量而言) 时,WPU胶膜的LOI(极限氧指数)为27% ,同时热稳定性也有所提高; 当w( FRC-5) = 12%时,可得到性能稳定、阻燃性能较佳且胶膜平整的WPU。

研究发现,含N,N-双(2-羟甲基) 氨基乙基膦酸二甲酯(BHAPE)的水性聚氨酯具有良好的阻燃效果,在BHAPE质量分数为15%时,聚氨酯的氧指数达到30.4。阻燃水性聚氨酯表现出典型的凝聚相阻燃机理,BHPAE的添加没有改变聚氨酯硬段的分解机理; 改性后的聚氨酯软段热分解机理函数是幂函数,其热分解模型是一维相边界反应。扫描电镜照片可见,聚氨酯表面形成致密炭层,起到隔氧隔热、抑烟的作用,从而发挥阻燃性能。

用有机磷多元醇、有机磷多元醇与羟基型二氮己环、有机磷多元醇与有机硅多元醇制备出反应型阻燃水性聚氨酯,对织物的阻燃效果显著。北京理工大学李芬、采用磷氮系阻燃剂 N,N-双(2-羟甲基)氨基乙基膦酸二甲酯(BHAPE)与二异氰酸酯等原料合成磷氮协效阻燃性水聚氨酯。对其阻燃性能、热失重、残炭形貌、玻璃化转变和力学性能进行研究。实验结果表明: 阻燃剂含量为15%时,聚氨酯LOI达到30. 2,使PU从易燃级降低到难燃级。阻燃改性后的聚氨酯热分解温度降低,最大分解速率下降,残炭量随着阻燃剂含量的增加大幅上升。SEM测试表明形成的炭层致密、光滑、无孔洞。随阻燃剂含量的增加,相分离程度呈现先增大、再减小,然后再增大的规律; 拉伸强度逐渐增大,而断裂伸长率逐渐减小。将该阻燃水性聚氨酯应用于织物上,测试其垂直燃烧性能,达到 GB /T 5455-1997B1级标准,阻燃效果显著。

以聚碳酸酯二醇、异氟尔酮二异氰酸酯为原料,添加不同用量的聚磷酸铵(APP),制备了一系列阻燃水性聚氨酯。UL-94测试表明,随着APP 添加量的增大,水性聚氨酯的阻燃性逐渐增大。锥形量热仪测试表明,随着APP 含量从0增加25% ,水性聚氨酯的点燃时间由29s延长到45s,最大热释放速率 ( HRR)由413. 2kW/m2降低到314. 3kW/m2。热重测试表明,水性聚氨酯膜的热稳定性随着APP含量的增加而逐渐升高,当APP为25%时,热稳定性最好。力学性能测试表明,随着APP含量的增加,涂膜的拉伸强度及断裂伸长率逐渐下降。综合考虑以上因素,阻燃水性聚氨酯中聚磷酸铵的适宜用量为 20% 。

选取含磷多元醇为反应性阻燃单体,异氟尔酮二异氰酸酯为硬段,聚氧化丙烯二醇为软段,二羟甲基丙酸为亲水扩链剂,合成了具有阻燃性能的高固含量水性聚氨酯。研究了合成方法、二羟甲基丙酸、含磷多元醇添加量以及 NCO/OH(Rt值)对所得乳液性能的影响。结果表明,采用两步合成法,二羟甲基丙酸添加量为2. 5% (占预聚体质量百分数) ,NCO/OH值为1. 6,含磷多元醇添加量为16%,可以合成出固含量为45%、贮存稳定性好且阻燃性能好的水性聚氨酯。

以聚酯二元醇、甲苯二异氰酸酯(TDI) 、γ - 氨丙基三乙氧基硅烷 ( KH - 550) 、硼酸等为原料合成了一系列含硅、含硼的水性聚氨酯。结果表明,硅氧烷被成功地引入到水性聚氨酯链段中; 改性后的水性聚氨酯乳液粒径有增大的趋势,但乳液的稳定性没有明显的变化。与普通的水性聚氨酯膜相比,经过硅、硼改性的水性聚氨酯膜与水的接触角由51. 0 增大到98. 8,具有一定的疏水性; 最大热释放速率和总热释放量分别由408. 6kW /m2和13.8MJ/m2 降低到246.3kW /m2和7. 2MJ/m2,烟密度由272. 0 降低到161. 3,具有较好的阻燃、抑烟性能; 另外断裂强度也有所提高。

本文标签: 水性聚氨酯 

责任编辑:安大华泰

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