微胶囊化聚磷酸铵在聚氨酯弹性体中阻燃及协效性的研究

摘要

聚氨酯弹性体以其优异的力学及化学性能得到了广泛应用，但是它的易燃性一定程度上限制了它的应用。聚氨酯弹性体的阻燃研究是聚氨酯弹性体研究的重要方向，通过熔融共混的方式制备膨胀型阻燃聚氨酯弹性体复合材料是解决聚氨酯弹性体易燃性的最简单有效方式。
　　 本论文对常用阻燃剂及其在聚氨酯弹性体中的应用进行了广泛调研。以氢氧化铝等氢氧化物为代表的添加型阻燃剂在聚氨酯弹性体中的应用研究仍占主体地位。聚氨酯弹性体阻燃主要存在以下问题：（1）为获得良好的阻燃效果，阻燃剂的添加量过大；（2）阻燃后的材料的各方面使用性能下降严重；（3）反应型阻燃成本代价过大。
　　 针对以上问题，我们考虑在聚氨酯弹性体中应用低毒低烟的聚磷酸铵（APP）
　　 作为阻燃剂，为改善材料的使用性能，对聚磷酸铵进行一定的改性处理。为降低阻燃添加剂使用量，进一步探讨了阻燃剂与协效剂磷酸硼/焦磷酸铁对聚氨酯弹性体的燃烧及热降解过程的影响。结果表明，磷酸硼/焦磷酸铁能够与阻燃剂在聚氨酯弹性体中起到明显的协同阻燃作用。同时对阻燃聚氨酯弹性体的热降解动力学进行了探讨。本文的主要研究工作如下：
　　 （1）通过原位聚合制备聚氨酯微胶囊化聚磷酸铵（MAPP），熔融共混制备阻燃聚氨酯弹性体，并通过垂直燃烧（UL-94）与极限氧指数（LOI）考察阻燃剂的阻燃性能，确定了聚磷酸铵（APP）以及MAPP 阻燃聚氨酯弹性体的最小添加量均为25wt％。
　　 （2）筛选出含硼化合物磷酸硼与过渡金属化合物焦磷酸铁为协效剂，考察两种化合物与MAPP 在聚氨酯弹性体中的协同阻燃作用。采用极限氧指数（LOI）、垂直燃烧（UL-94）、锥形量热仪（CONE）、微型燃烧量热仪（MCC）以及扫描电镜（SEM）分析方法对几种阻燃体系的燃烧性能及炭层结构进行研究。UL-94测试结果表明磷酸硼与焦磷酸铁对聚氨酯弹性体材料阻燃级别的提高均有明显作用，能够大大降低通过UL-94 V-0 级别阻燃剂的添加量，其中，焦磷酸铁协效阻燃体系能够更大程度减少阻燃剂的用量；LOI测试表明两种协效剂对氧指数的提高均有一定的作用；CONE及MCC测试表明材料的热释放速率进一步降低，阻燃效率及协效效率提高；从炭渣的数码照片与SEM 看，磷酸硼与焦磷酸铁的加入提高了炭层的连续性与致密性。
　　 （3）通过热重分析（TGA）与实时傅里叶变换红外光谱（RTFTIR）分析协同阻燃体系的热稳定性及热氧化降解特性。从热失重分析以及实时傅里叶变换红外光谱的结果看，磷酸硼与焦磷酸铁的加入都提高了材料在高温区间的热稳定性。但是它们的协同阻燃作用存在一定差别：磷酸硼在400 ℃之后分解生成的B-O基团与APP 释放的磷酸铵加热条件下形成了“盐桥”作用而促进了磷氮炭层的生成，同时，释放的硼酸覆盖在炭层表面，加强了炭层的稳定性，并通过吸附材料分解产生的可燃性气体在复合材料表面形成强还原性的气体氛围，使炭层更加质密，不易被破坏，更有效地发挥隔热、隔氧同时防止熔融滴落的作用，提高材料的阻燃性能；焦磷酸铁同样可以在燃烧过程中形成“盐桥”作用，促进磷氮炭层生成，但同时铁元素能够起到捕捉自由基的作用，中止燃烧反应的进行，从而避免材料的进一步燃烧分解。
　　 （4）通过比较几组阻燃聚氨酯弹性体体系，最终选取阻燃效率最高的磷酸硼协效体系与焦磷酸铁协效体系进行热降解动力学对比研究。研究结果表明，磷酸硼能够赋予阻燃体系更高的反应活化能，更好的保护聚氨酯弹性体材料，减小其发生火灾的危险性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第二章微胶囊化聚磷酸铵与磷酸硼在聚氨酯弹性体中阻燃性能的研究

第三章微胶囊化聚磷酸铵与焦磷酸铁在聚氨酯弹性体中阻燃性能的研究

第四章聚氨酯弹性体阻燃体系热分析动力学对比研究

第五章结论与展望

攻读硕士期间发表的论文和专利

致谢