廢棄纖維/聚氨酯保溫阻燃復合材料的制備及性能

呂麗華　王婧

摘要：為了開發廢棄纖維循環利用新途徑，以廢棄纖維為增強材料，廢棄熱塑性聚氨酯（TPU）為基體材料，通過共混塑煉機壓法制備保溫阻燃復合材料。以熱傳導系數、拉伸強度等為檢測指標，通過極差和方差分析優化出最優工藝參數：廢棄纖維含量15%，發泡劑偶氮二甲酰胺（AC）含量2%，阻燃劑聚磷酸銨（APP）含量20%，膨脹蛭石（EVMT）含量3%，熱壓溫度175 ℃，熱壓壓力1 MPa，硅烷偶聯劑（KH550）含量0.5%。在最優工藝參數下，廢棄纖維/熱塑性聚氨酯保溫阻燃復合材料的熱傳導系數為0.159 W/（m·K），拉伸強度為2.17 MPa，極限氧指數為30.27%。

關鍵詞：廢棄纖維；廢棄熱塑性聚氨酯；保溫性；阻燃性；復合材料

中圖分類號：TS102.9

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2017）05-0015-04

Abstract：In order to develop a new approach of recycling waste fibers， heatinsulation flameretardant composites were prepared with waste fiber as reinforcing material and TPU as basis material by blendingplasticating hotpressing. The optimal technological parameters were obtained by means of range and variance analysis of coefficient of heat conduction and tensile strength： 15% fiber， 2% foaming agent （azodicarbonamide （AC））， 20% flame retardant （ammonium polyphosphate （APP））， 3% expansion vermiculite （EVMT）， 175 ℃（hotpressing temperature）， 1MPa （hot pressing pressure）， 0.5% silane coupling agent （KH550）. Given the optimal technological parameters， the coefficient of heat conduction of heatinsulation flameretardant composites made from waste fiber and thermoplastic polyurethane is 0.159 W/ （m·K）， the tensile strength is 2.17MPa and the limit oxygen index is 30.27%.

Key words：waste fibers； waste thermoplastic polyurethane； heat retaining property； fire resistance； composites

截止2011年，中國有超過2 600萬t廢棄紡織品，其重復回收利用率卻不足10%。至“十二五”末，中國將產生超過1億t的廢舊紡織品[12]。廢棄紡織品主要可以通過燃燒法、掩埋法和分離回收法進行處理[34]，其中燃燒法和掩埋法不僅浪費資源，還會對環境造成二次污染；混紡纖維分離法成本過高、分離不充分給纖維的分離帶來諸多難題，不能達到國家節能環保、回收再利用的要求[56]。所以，如何提高這些廢舊紡織品的回收利用率，制造高附加值的產品，已迫在眉睫。利用廢棄纖維制備保溫阻燃復合材料，不僅響應環保大趨勢，還可以降低產品生產成本。熱塑性聚氨酯（TPU）回收利用簡便，是一種綠色環保材料[7]。但其阻燃性能差，很容易引起火災，造成重大損失，如能開發出阻燃性能優異的聚氨酯保溫復合材料，其市場前景良好。

本文以廢棄纖維為增強材料，廢棄TPU為基體材料，通過共混-塑煉熱壓法，研究制得的復合材料的保溫性能、力學性能和阻燃性能，優化工藝參數。開發廢棄纖維循環利用新途徑，制備輕質節能的綠色環保保溫阻燃復合材料。

1實驗

1.1原料

廢棄纖維、廢棄熱塑性聚氨酯（TPU）、發泡劑偶氮二甲酰胺（AC）（余姚市同勇塑染有限公司）、阻燃劑聚磷酸銨（APP）（濟南泰星精細化工有限公司）、膨脹蛭石（EVMT）（靈壽縣燕西礦產加工廠）、硅烷偶聯劑KH550（濟南興飛隆化工）、乙醇（天津市富宇精細化工有限公司）。

1.2儀器

QJK1000A邊角料開松機（青島金盟科機械制造有限公司）；SJK180雙輥塑煉機（武漢怡揚塑料機械有限公司）；QLB50D/QMN壓力成型機（江蘇無錫中凱橡塑機械有限公司）；ZHYW萬能制樣機（河北省承德試驗機廠）；RGY5微機控制電子萬能試驗機（深圳市瑞格爾儀器有限公司）；KESF7紡織材料熱物性測試儀（湖南振華分析儀器有限公司）；LFY606B數顯氧指數測定儀（山東省紡織科學研究院）。

1.3工藝

1.3.1EVMT改性處理

采用預處理法對EVMT進行有機化改性。稱取一定量干燥后的EVMT，放入燒杯中，加入不同含量的KH550（相對于EVMT用量）乙醇水溶液低速回流攪拌15 min，靜置30 min后過濾晾干，放入120 ℃鼓風干燥箱內干燥30 min得到樣品備用。

1.3.2廢棄纖維/TPU保溫阻燃復合材料的制備工藝

廢棄纖維/TPU保溫阻燃復合材料的制備工藝流程如圖1所示。

2結果與討論

2.1保溫性能結果與分析

通過測量熱傳導系數對材料的保溫性能進行表征，測試結果見表1。熱傳導系數是判定保溫性能的主要指標，當材料厚度為1 m時，內外表面溫差1 K，在1 s時間內通過1 m2材料的熱量，熱傳導系數越小，材料的保溫性能越好。熱傳導系數的極差分析見表2。

由表2可知，影響材料熱傳導系數的因素先后次序為：廢棄纖維含量>APP含量>熱壓壓力>EVMT含量>AC含量>KH550含量>熱壓溫度。由表2可知，廢棄纖維含量和阻燃劑含量對材料熱傳到系數影響最顯著。實驗較優水平組合為：A1B1C2D1E1F1G2，即纖維含量15%，AC含量2%，APP含量20%，EVMT含量2%，熱壓壓力1 MPa，熱壓溫度175 ℃，KH550含量1%時，材料保溫性達到最佳。

2.2力學性能測試結果與分析

通過測試材料拉伸強度對保溫阻燃復合材料的力學性能進行表征，測試結果見表3。拉伸強度的極差分析見表4。

由表4極差分析可知，影響材料拉伸強度的因素先后次序為：廢棄纖維含量>APP含量>EVMT含量>AC含量>熱壓壓力>熱壓溫度>KH550含量。由表4可知，纖維含量和APP含量對材料拉伸強度影響較顯著。實驗較優水平組合為：A1B1C1D2E2F2G2，即纖維含量15%，AC含量2%，APP含量15%，EVMT含量3%，熱壓壓力2 MPa，熱壓溫度180 ℃，KH550含量1%時，復合材料拉伸強度達到最佳。

廢棄纖維含量在20%時的拉伸強度反而低于含量為15%時的拉伸強度，產生這種現象與纖維在體系內的分散狀態有關。在廢棄纖維含量適當時，纖維大部分呈單絲狀及小束纖維狀分散于體系，提高了材料的力學性能。

綜上所述，為獲得保溫性、力學性能較為優良的廢棄纖維/聚氨酯保溫復合材料，廢棄纖維用量15%；APP量較多時，雖然會降低了材料保溫性能和力學性能，但對材料阻燃性能的影響卻更加明顯，所以可將阻燃劑APP含量定為20%；EVMT的加入均有利于材料阻燃性能和力學性能的改善，EVMT用量定為3%。另外，對于熱壓溫度、熱壓壓力、KH550用量此類對板材性能影響較小的因素，所以為減少能源與材料額耗費，選取熱壓溫度為175 ℃，熱壓壓力1 MPa，KH550 0.5%。綜上所述，較優工藝為：廢棄纖維含量15%，AC含量2%，APP含量20%，EVMT含量3%，熱壓溫度175 ℃，熱壓壓力1 MPa，KH550含量0.5%。

2.3阻燃性能結果與分析

APP受熱脫水后生成聚磷酸強脫水劑，可以促使TPU表面脫水生成炭化物，加之生成的非揮發性磷的氧化物及聚磷酸對基材表面進行覆蓋，隔絕空氣而達到阻燃的目的，同時由于APP含有氮元素，受熱分解釋放出CO2、N2、NH3等氣體，這些氣體不易燃燒，阻斷了氧的供應，達到了阻燃增效和協同效應的目的[8]。又因為EVMT在TPU中可以以無機/有機剝離狀態存在，分布于板材中的EVMT片層具有良好的氣液阻隔性能，所以燃燒表面的EVMT片層可以阻隔內部因TPU分子鏈分解而產生的可燃性小分子向燃燒界面遷移，同時也能延緩外界氧氣向燃燒界面內部遷移的速率[9]。所以，使用APP與EVMT復配，一定程度上有利于改善材料的阻燃性能。在最佳工藝條件下，制備的廢棄纖維/TPU阻燃保溫復合材料的實拍圖見圖2。測試其極限氧指數可達30.27%。具有很好的阻燃效果。

TPU發泡保溫阻燃復合材料的導熱系數主要與體系中材料的密度大小、泡孔的形狀、均勻度、閉孔率等因素有關[10]。由表2數據可以看出，隨著纖維含量、APP含量的增加，材料的導熱系數增加，即材料的保溫性能會有所下降。當纖維含量過多時，復合材料內部體系環境復雜，造成發泡阻力增加，容易造成氣泡穿孔破裂；另外，在纖維與TPU總質量一定的情況下，纖維含量的增加，則TPU含量的降低，因此導致基體流動性下降，造成體系內基體分布不均勻，致使材料密度與均勻度下降。阻燃劑APP的加入，不利于材料的均勻發泡。即纖維含量、APP含量的升高，均會使復合材料的熱傳到系數增大，即材料的保溫性能下降。在最優工藝條件下，廢棄纖維/TPU保溫阻燃復合材料，通過圖3電鏡掃描可知，材料中形成了較為均勻的氣孔，有利于降低導熱系數，提高材料的保溫性能。

測得市售聚苯板的熱傳導系數為0.112 W/（m·K），拉伸強度為0.27 MPa，阻燃性屬于易燃材料。而本研究研制的廢棄纖維/TPU保溫阻燃復合材料的熱傳導系數為0.159 W/（m·K），拉伸強度可達2.17 MPa，極限氧指數可達30.27%。

3結論

本文使用廢棄纖維與廢棄聚氨酯進行復合，以APP/EVMT復配阻燃體系，制備得到了具有一定阻燃性和力學強度的廢棄纖維增強聚氨酯保溫復合材料。通過檢測熱傳導系數、拉伸強度和極限氧指數，得到了纖維含量、發泡劑含量、阻燃劑含量、熱壓壓力、熱壓溫度、硅烷偶聯劑含量對保溫復合材料各項性能的影響。得到以下結論：

a） 用共混-塑煉熱壓法制備廢棄纖維/聚氨酯保溫阻燃材料的成型工藝范圍為：廢棄纖維含量≤20%，發泡劑AC含量≤10%，熱壓溫度≤180 ℃，熱壓壓力≤3 MPa，冷卻時間2 h。

b） 通過分析正交實驗極差和方差分析，得出制備廢棄纖維/聚氨酯保溫阻燃復合材料的較優工藝條件為廢棄纖維含量15%，發泡劑AC含量2%，阻燃劑APP含量20%，EVMT含量3%，熱壓溫度175 ℃，熱壓壓力1 MPa，KH550含量0.5%。

c） 最優工藝條件下保溫復合材料的熱傳導系數為0.159 W/（m·K），拉伸強度達2.17 MPa，極限氧指數30.27%。

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（責任編輯：張會巍）