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蓖麻油基磷酸酯阻燃多元醇的合成及聚氨酯泡沫的制备

张立强  
【摘要】:聚氨酯泡沫保温材料是一种新型隔热保温材料,具有导热系数低、保温性能优良的优点而被广泛应用于航天、汽车、包装、建筑和冷库保温等领域。传统的聚氨酯泡沫塑料由石油基的聚酯聚醚多元醇和发泡剂、表面活性剂、催化剂、水以及多聚异氰酸酯共混,在常温或者一定温度下发泡制备。随着不可再生化石资源的日益枯竭、国家对环境污染整治力度的加大以及人们对材料阻燃性能要求的提高,使得可再生的天然生物质资源替代化石资源制备环保型的生物基阻燃聚氨酯泡沫保温材料的研究受到了广泛的关注。蓖麻油是生物质资源中重要的可再生甘油三酯类化合物,是植物油类中唯一含有天然羟基的多元醇,利用产量丰富的蓖麻油通过改性合成蓖麻油基阻燃多元醇替代石油基聚酯聚醚多元醇制备聚氨酯泡沫保温材料对改善生态环境,促进聚氨酯泡沫保温材料行业发展均有明显的促进作用。 研究采用一种新的方法将蓖麻油改性成蓖麻油基磷酸酯阻燃多元醇应用到聚氨酯泡沫保温材料中,采用甘油、蓖麻油、磷酸二乙酯合成了一种高产率的蓖麻油基磷酸酯阻燃多元醇,增加了多元醇的官能度和阻燃性能;利用制备的蓖麻油基阻燃多元醇与传统的膨胀石墨(EG)和磷酸三乙酯(TEP)阻燃剂制备了高阻燃性的生物基聚氨酯泡沫保温材料;研究了蓖麻油基阻燃多元醇的合成条件和聚氨酯泡沫保温材料的性能。论文的主要研究内容和结论如下: 1.利用可再生的蓖麻油制备甘油醇解蓖麻油多元醇,首次采用三乙醇胺和甲醇钠为混合催化剂,在氮气环境中与廉价的甘油发生酯交换反应,生成蓖麻油甘二酯和蓖麻油单甘脂多元醇,分别考察了反应温度、催化剂用量、反应时间、摩尔比对总的产率、蓖麻油甘二酯产率以及蓖麻油单甘脂产率的影响。通过凝胶渗透色谱(GPC)、傅里叶转变红外光谱(FT-IR)对产物的产率、分子量以及产物的结构进行了表征。得出在实验反应温度为180℃、混合催化剂为蓖麻油质量的0.75%、实验反应时间为3h、蓖麻油与甘油的摩尔比为1:2.5时,醇解蓖麻油多元醇的总产率最高,产率可达92.54%。 2.研究了制备环氧甘油醇解蓖麻油的反应条件。原料采用上一步制备的甘油醇解蓖麻油、氧化剂为廉价的双氧水、催化剂为磷酸、携氧剂为甲酸,制备中间体环氧甘油醇解蓖麻油。研究了反应温度、双氧水用量、磷酸用量以及反应时间对环氧甘油醇解蓖麻油环氧值的影响。通过盐酸丙酮法对环氧甘油醇解蓖麻油的环氧值进行测量、FT-IR、氢谱(1HNMR)对产物的结构进行了表征。研究结果表明:实验反应温度为60℃、氧化剂双氧水用量和催化剂磷酸用量分别为甘油醇解蓖麻油质量的82.5%和0.3%、反应时间为3.5h时,环氧甘油醇解蓖麻油环氧值最高可达3.1%。 3.利用制备的环氧甘油醇解蓖麻油与磷酸二乙酯,在甲苯作溶剂和三苯基膦为催化剂条件下,合成了蓖麻油磷酸酯阻燃多元醇;并用制备的蓖麻油磷酸酯阻燃多元醇和甘油醇解蓖麻油多元醇与磷酸三乙酯(TEP)和膨胀石墨(EG)制备了生物基阻燃聚氨酯泡沫。通过FT-IR、1HNMR对蓖麻油磷酸酯阻燃多元醇的结构进行表征;通过扫描电子显微镜研究了聚氨酯泡沫以及燃烧后的微观结构、采用极限氧指数、万能试验机、热重分析仪研究了聚氨酯泡沫的阻燃性能、机械性能和热稳定性。得出在蓖麻油磷酸酯阻燃多元醇、膨胀石墨存在下,聚氨酯泡沫的阻燃性能、热稳定性和机械强度大大提高了,引入到蓖麻油磷酸酯阻燃多元醇分子上的磷酸二乙酯基团使聚氨酯泡沫的阻燃性能显著提高了,磷酸三乙酯和膨胀石墨的协同阻燃作用使聚氨酯泡沫燃烧时产生大量的碳层,两者共同作用使蓖麻油基阻燃聚氨酯泡沫的氧指数提高到29.7%。


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