几种碳素材料在膨胀阻燃热塑性聚氨酯弹性体中的协同抑烟性能研究

摘要

热塑性聚氨酯弹性体(TPU)，是一种性能优异且被广泛应用的聚合物材料，然而TPU的应用因其易燃性和在燃烧时释放大量火灾烟气而受到限制，且烟气是影响人们在火灾中安全逃亡的主要因素。本文主要研究了几种碳素材料（炭黑、可膨胀石墨、膨胀石墨、碳纳米管和石墨粉）在聚磷酸铵阻燃热塑性聚氨酯弹性体中的协同阻燃抑烟作用，并初步探讨了其作用机理。主要内容和结论如下:
　　(1)研究了碳黑(CB)和聚磷酸铵(APP)在阻燃热塑性聚氨酯复合材料中的协同阻燃抑烟效应。烟密度测试(SDT)结果表明，样品TPU-CB-2（CB的添加量为1.00 wt.％）具有最好的抑烟性能，它在有焰测试条件下的光通量值为92.1％，比TPU-1(不含CB)提高了33％。锥形量热仪(CCT)结果表明，当CB的添加量为3.00 wt.％时，样品TPU-CB-4的总烟释放值为172.1 m2/m2，比TPU-0的降低70％，当CB添加量为1.00 wt.％时，样品的热释放速率峰值从154.4 kW/m2(TPU-1)降到88.5 kW/m2。极限氧指数(LOI)结果表明，材料的LOI值随着CB添加量的增加而升高，样品TPU-CB-4的LOI值达到了30.1。扫描电子显微镜(SEM)结果表明，CB在改善炭层致密性方面有较好的效果;热重(TG)结果表明，CB的添加提高了阻燃TPU材料在高温区的热稳定性;热重/红外联用结果表明，CB能有效降低作为碳烟前驱体的芳香类挥发物的生成量。致密炭层的生成阻碍了分解物质向燃烧区的扩散;残炭质量的增加、碳烟前驱体的减少都印证了CB能有效降低热解过程中烟颗粒等物质的生成。
　　(2)分别研究了可膨胀石墨（Expendable graphite，EG）、膨胀石墨（Expendedgraphite，TEG）与APP在阻燃TPU中的协效阻燃抑烟效应。烟密度结果表明，在无焰测试条件下，当EG的添加量为0.50 wt.％时，样品TPU-EG-2的光通量值为51.5％，较TPU-1提高了近30％，而样品TPU-TEG-2(0.50 wt.％ TEG)的光通量值(64.2％)比TPU-EG-2的高出13％。锥形量热仪结果表明，TPU-EG-3(2.00wt.％ EG)的HRR值为91.6 kW/m2，TPU-TEG-3(2.00 wt.％ TEG)的HRR值为77.4 kW/m2。因此，TEG在降低热释放速率方面比EG更有优势，且TPU-TEG-3的HRR值更低。LOI结果显示，TEG比EG更有效的提高阻燃TPU的氧指数，如TPU-TEG-4的LOI值从TPU-EG-4的29.3提高到了30.1。扫描电镜结果证实EG或TEG能有效地改善炭层光滑程度和致密性，而含TEG的样品的效果更好。在APP阻燃TPU体系中，TEG比EG具有优异的协同阻燃抑烟性能。
　　(3)研究了碳纳米管(CNT)协同APP对TPU复合材料的阻燃抑烟性能的影响。烟密度结果表明，含3.00 wt％ CNT的样品在有焰测试条件下的光通量值为82.4％，较TPU-1提高了25％;在无焰测试条件下的值为61.5％，比TPU-1的值高出了20％。锥形量热仪结果表明，含3.00 wt.％ CNT样品具有最低的HRR值(105.3 kW/m2)，较TPU-0降低了30％。LOI结果表明，材料的LOI值随着CNT添加量的增加而升高，含3.00 wt.％ CNT样品的值达到了31.3;SEM结果表明CNT能够改善炭层结构，使炭渣表面光滑且致密，从而阻碍了分解物质向燃烧区的扩散;TG结果表明，适量的CNT可有效地增加阻燃TPU的残炭质量。
　　(4)研究了石墨粉(GP)协同APP对TPU复合材料的阻燃抑烟性能的影响。烟密度测试结果表明，含3.00 wt.％ GP的样品在有焰测试条件下的光通量值最高(80.7％)，比TPU-1的值高出20％。锥形量热仪结果表明，当GP的添加量为0.50 wt％时，样品TPU-GP-2的总烟释放量从TPU-1的339.37 m2/m2降到了248.98m2/m2。LOI实验结果表明，材料的LOI值随着CNT添加量的增加而升高，含3.00wt.％GP样品的LOI值达到了30.3。由热重分析结果可知，GP能提高阻燃TPU材料的高温热稳定性;热重/红外联用结果表明，GP也能有效降低芳香类挥发物的生成。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 热塑性聚氨酯弹性体简介

1．2 阻燃热塑性聚氨酯弹性体(TPU)研究进展

1．2．1 卤系阻燃TPU

1．2．2 无卤阻燃TPU

1．2．3 TPU的抑烟研究进展

1．3 碳素材料在阻燃材料中的应用

1．4 本文研究思路及研究内容

1．4．1 研究思路

1．4．2 研究内容及方法

第二章 实验部分

2．1 实验材料

2．2 实验仪器

2．2．1 锥形量热仪

2．2．2 烟密度测试仪

2．2．3 极限氧指数

2．2．4 扫描电子显微镜

2．2．5 热重分析法

2．2．6 热重、红外联用分析法

2．3 试样制备

第三章 炭黑对阻燃TPU抑烟性能的影响

3．1 引言

3．2 结果与讨论

3．2．1 氧指数值(LOI)

3．2．2 烟密度测试(SDT)

3．2．3 锥形量热仪测试

3．2．4 炭渣照片及扫描电镜

3．2．5 热重分析

3．2．6 热重-红外联用(TG-IR)

3．3 本章小结

第四章 可膨胀石墨和膨胀石墨对阻燃TPU抑烟性能的影响

4．1 引言

4．2 可膨胀石墨对阻燃TPU抑烟性能的影响

4．2．1 极限氧指数值(LOI)

4．2．2 烟密度测试(SDT)

4．2．3 锥形量热仪测试

4．2．4 炭渣照片及扫描电镜

4．2．5 热重分析(TG)

4．2．6 热重-红外联用(TG-IR)

4．3 膨胀石墨对阻燃TPU抑烟性能的影响

4．3．1 氧指数值(LOI)

4．3．2 试样TPU-TEG-2和TPU-EG-5的SEM照片

4．3．3 TEG和EG中O1S、N1S、S1S及C1S的XPS能谱图

4．3．4 烟密度测试(SDT)

4．3．5 锥形量热仪测试

4．3．6 炭渣照片及扫描电镜

4．3．7 热重分析(TG)

4．3．8 热重-红外联用(TG-IR)

4．4 本章小结

第五章 碳纳米管对阻燃TPU抑烟性能的影响

5．1 引言

5．2 结果与讨论

5．2．1 氧指数值(LOI)

5．2．2 锥形量热仪测试(CCT)

5．2．3 烟密度测试(SDT)

5．2．4 炭渣照片及扫描电镜

5．2．5 热重分析(TG)

5．3 本章小结

第六章 石墨粉对阻燃TPU抑烟性能的影响

6．1 引言

6．2 结果与讨论

6．2．1 氧指数值(LOI)

6．2．2 锥形量热仪测试(CCT)

6．2．3 烟密度测试(SDT)

6．2．4 炭渣照片及扫描电镜

6．2．5 热重分析(TG)

6．2．6 热重-红外联用(TG-IR)

6．3 本章小结

本文结论

参考文献

致谢

硕士期间成果

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