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含磷大豆油基聚氨酯硬泡的制备及其阻燃性能研究

王许  
【摘要】:硬质聚氨酯泡沫(RPUF),又称聚氨酯硬泡,具有质轻、导热系数低、抗压强度高、尺寸稳定性好、固化速度快、粘结性好及施工方便等诸多优点,广泛应用于冷藏设备、化工管道及建筑保温等领域。从原料上讲,制备RPUF的原料绝大多数来源于不可再生的石化资源,这使得传统的聚氨酯工业深受石油化工产业的影响。从性能上讲,RPUF是一种易燃的有机高分子材料,其自身极限氧指数(LOI)仅为18~20%。材料的易燃性不仅对人们的生命财产安全和环境安全带来极大的威胁,而且也使其应用范围受到很大的限制。因此,开发生物质来源的聚氨酯原料并赋予RPUF良好的阻燃性是当前聚氨酯泡沫领域亟待解决的两大关键问题。针对这两大关键问题,本论文选择环氧大豆油(ESO)为基础原料,利用环氧基的反应性,分别采用N,N-二胺乙基苯基膦酰二胺(BBPA)、2-羧乙基苯基次膦酸(CEPPA)和亚磷酸二甲酯(DMP)使环氧开环,合成出三种不同结构的含磷大豆油多元醇,分别简称PBSO、PCSO和PDSO。然后,以这三种多元醇为原料全替代传统聚醚多元醇,分别制备大豆油基本征阻燃RPUF-PBSO、RPUF-PCSO和PPUF-PDSO,并对比研究其阻燃性能。此外,对阻燃效率相对较高的RPUF-PCSO体系进行阻燃机理研究,并构建具有更高阻燃性能的协效阻燃体系。本论文的主要工作和所获得的主要研究结果如下:(1)以环氧大豆油(ESO)为基础原料,分别采用N,N-二胺乙基苯基膦酰二胺(BBPA)、2-羧乙基苯基次膦酸(CEPPA)和亚磷酸二甲酯(DMP)对其进行阻燃改性,成功合成出三种具有潜在阻燃性的含磷大豆油多元醇(PBSO,PCSO,PDSO)。通过化学滴定分析、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(~1HNMR)、磷谱(~(31)PNMR)和凝胶渗透色谱(GPC)对其物性参数和化学结构进行表征。结果表明,ESO发生开环反应,三种阻燃剂分子中的含磷阻燃单元成功地接到其分子链上。三种多元醇的羟值分别为130±10 mgKOH/g、200±10 mgKOH/g和300±20 mgKOH/g。(2)分别以PBSO,PCSO,PDSO三种含磷大豆油多元醇和PMDI为主要发泡原料,采用一步法自由发泡工艺,成功制备出三种本征阻燃大豆油基RPUF。分别对其进行压缩强度、导热系数、尺寸稳定性以及阻燃性和热稳定性测试。结果表明,三种大豆油多元醇均能够全取代聚醚4110制备聚氨酯硬泡,并且制得的大豆油基聚氨酯硬泡具有和Neat RPUF相当的压缩强度、导热系数和尺寸稳定性;RPUF-PBSO、RPUF-PCSO和RPUF-PDSO的氧指数分别为21.5%、22.0%和21.5%;另外,RPUF-PCSO的垂直燃烧(UL-94)测试结果为V-0,表现出较好的阻燃效果;三种大豆油基聚氨酯硬泡热稳定性较好,最终残炭率分别为27%、28%和28%,高于Neat RPUF的残炭率(18%)。综合比较可以发现RPUF-PCSO的阻燃性能最好,综合性能最好。(3)采用向RPUF-PCSO发泡配方中添加不同质量分数的膨胀石墨(EG)以进一步提高RPUF-PCSO的阻燃性。发泡过程中加入含磷液体阻燃剂BY30以提高泡沫磷含量并调节物料黏度使其正常发泡。分别对加入不同质量分数EG的RPUF-PCSO/BY30/EG进行压缩强度、导热系数、尺寸稳定性以及阻燃性和热稳定性测试,结果表明,仅向RPUF-PCSO添加5%EG就可以使氧指数提高至27.0%,继续添加EG,氧指数均有不同程度提升。当添加20%EG时氧指数可达到35.0%,阻燃性能大幅度提高。但是加入15%及以上EG后材料的力学性能受到较大的负面影响;加入EG后,RPUF-PCSO/BY30/EG的热稳定性有明显提高。(4)针对RPUF-PCSO及RPUF-PCSO/BY30/EG复合泡沫的燃烧特点,采用热重红外联用(TG-IR)、扫描电子显微镜(SEM)和电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)分析泡沫热解气体的成分以及燃烧后残炭的表观形貌和磷含量,提出合适的阻燃机理。


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