聚氨酯的阻燃研究進展

*謝聰 周文蓉 黃亞瓊

(1.湖北科技學院,非動力核技術湖北省協同創新中心,環境功能材料實驗室 湖北 437100 2.湖北科技學院,核技術與化學生物學院 湖北 437100)

聚氨酯的阻燃研究進展

*謝聰1周文蓉2黃亞瓊2

(1.湖北科技學院,非動力核技術湖北省協同創新中心,環境功能材料實驗室 湖北 437100 2.湖北科技學院,核技術與化學生物學院 湖北 437100)

聚氨酯作為一種常見的高分子材料,具有諸多的優良性能而廣泛運用于涂料、粘合劑等領域.和其它高分子材料一樣,聚氨酯容易燃燒,極大限制了它的使用.顯然,提升聚氨酯阻燃性能是近年來研究的熱點.由于聚氨酯的阻燃改性方法不同,所以其阻燃劑分類也不盡相同,主要可分為反應型阻燃劑、添加型阻燃劑和納米材料阻燃劑三種.對此,文章重點就以上三種聚氨酯阻燃方法和研究進展進行詳細探究,旨在為業內人士提供一些建議和幫助.

聚氨酯;阻燃劑;阻燃機理;研究進展

引言

聚氨酯的全稱為聚氨基甲酸酯,它是一種重要的高分子材料,由于其具有眾多優良性能,所以在化工生產領域得到了廣泛應用.但是由于常規聚氨酯是可燃物,極易引發火災,所以對其進行阻燃改性就顯得尤為關鍵.另外,各國的相關規定也明確指出,聚氨酯如果在公共場合中使用,其必須達到相關的阻燃標準,否則不可投入使用.而要想更好的提升聚氨酯進行阻燃性能,首先就必須要對聚氨酯的阻燃方法進行了解,并且詳細掌握其研究進展.

1.反應型聚氨酯阻燃劑

聚氨酯所用的反應型阻燃劑多為含阻燃元素(如磷、氮、硅和鹵素等)的多元醇,其作為一種反應單體,可以參與聚氨酯網絡分子骨架的構建,故對材料的性能影響小,且穩定性好.含磷的異氰酸酯也是一種反應型阻燃劑,但其產品和研究都很少,這類阻燃劑主要有四溴鄰苯二甲酸酯二醇、含溴多元醇、芳香族含溴二醇、三(一縮二丙二醇)亞磷酸酯、N,N-二(2-羥乙基)氨甲基膦酸二乙酯、有機磷鹵化合物反應型阻燃劑FRT-4、四溴雙酚A雙羥基乙基醚等.反應型的阻燃劑一般是與聚氨酯共聚或接枝,故按阻燃劑作為聚氨酯結構單元的不同大致可分為軟段阻燃改性和硬段阻燃改性兩種.

2.添加型聚氨酯阻燃劑

相對比反應型阻燃劑而言,添加型聚氨酯阻燃劑主要是通過物理作用直接進行共混,使聚氨酯獲得相應的阻燃性能.通常情況下,添加型聚氨酯阻燃劑可以分為兩種,即有機阻燃劑和無機阻燃劑,詳細分析如下:

(1)有機阻燃劑

①磷酸酯類阻燃劑

該類阻燃劑的阻燃機理是凝聚相阻燃,詳細分析如下:在聚氨酯燃燒時,磷酸酯類阻燃劑可以使聚氨酯發生炭化,形成炭化保護層,避免聚氨酯燃燒時與氧氣直接接觸,從而使聚氨酯獲得阻燃的性能.但是在使用這一類阻燃劑時,要合理控制其用量,避免阻燃劑用量過大而導致聚氨酯強度降低,影響聚氨酯的其它性能.目前,磷酸酯類阻燃劑研究最多的是DOPO(9,10-二氫-9-氧雜-10-磷雜菲-10-氧化物),特別是將其衍生物應用到聚氨酯阻燃處理中,不僅可以使聚氨酯獲得阻燃性能,而且還可以大大提高聚合物的熱穩定性,DOPO類阻燃劑的結構如圖1所示.

圖1 DOPO類阻燃劑

②三聚氰胺及其鹽類阻燃劑

三聚氰胺及其鹽類阻燃劑的阻燃機理如下:第一,該類阻燃劑可以在聚氨酯燃燒時生成一種不燃氣體,例如水蒸氣,該類氣體可以有效避免聚氨酯與氧氣直接接觸,使聚氨酯獲得阻燃性能;第二,該類阻燃劑分解產生的不燃氣體除了可以隔絕氧氣外,其生成過程還需要消耗大量熱量,所以就會降低聚氨酯燃燒時的溫度,使其阻燃性能大大提高;第三,該類阻燃劑中還有氮,它可以有效捕獲高能自由基,從而制約聚氨酯的進一步燃燒.通常情況下,單獨使用三聚氰胺及其鹽類阻燃劑的阻燃效果并不理想,所以為了更好的提高聚氨酯的阻燃性能,需要將其與其它阻燃劑配合使用,其中最為常見的就是膨脹型阻燃劑(IFR),它作為一種綠色環保的阻燃劑,成為近年來聚氨酯阻燃劑研究領域的研究熱點.

(2)無機阻燃劑

無機阻燃劑的阻燃機理是降低聚氨酯燃燒時的熱量,從而使聚氨酯獲得阻燃性能.無機阻燃劑大都是固體粉末,所以在進行使用時,要嚴格控制其用量,避免用量過大而影響聚氨酯的其它物理性能.常見的無機聚氨酯阻燃劑包括以下幾種,即三氧化銻(Sb2O3)、氫氧化鎂(Mg(OH)2)、聚磷酸銨(APP)以及紅磷(P)等,相對比有機阻燃劑,無機聚氨酯類阻燃劑還存在一些局限性,還需要對其進行更深層次的研究,以確保聚氨酯獲得更加優良的阻燃性能.

3.納米材料阻燃劑

納米材料阻燃劑的阻燃機理與上述分析的磷酸酯類阻燃劑阻燃機理相似,它屬于固相阻燃,即納米材料燃燒時會生成一種炭化保護層,對聚氨酯進行隔氧保護,從而使聚氨酯獲得阻燃性能.但是與磷酸酯類阻燃劑不同的是,納米材料阻燃劑所生成的炭化層不僅具有阻燃性能,而且還具有很好地熱穩定性能和低透氣性能.常見的納米材料阻燃劑有納米蒙脫土、納米SiO2、碳納米管等.

結束語

綜上所述,隨著我國化工事業的不斷發展,對化工高分子材料性能的改良顯得十分重要.聚氨酯作為重要的高分子材料,對其進行阻燃改性更顯得十分關鍵.目前常見的聚氨酯阻燃劑包括三類,即反應型阻燃劑、添加型阻燃劑和納米材料阻燃劑,其中應用最為廣泛的是添加型阻燃劑,但是由于該類阻燃劑在使用中會影響聚氨酯的其它物理性能,而且對于阻燃劑的選擇應當朝著綠色環保方向發展,所以未來聚氨酯阻燃劑的研究應當放在反應型阻燃劑和納米材料阻燃劑結合上,顯著提高聚氨酯阻燃性能.

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[3]王紫瀟,文慶珍,朱金華.用于聚氨酯材料的無鹵添加型阻燃劑研究進展[J].聚氨酯工業,2015,30(03):31-34.

謝聰(1984-),男,湖北科技學院,非動力核技術湖北省協同創新中心,環境功能材料實驗室;研究方向:高分子阻燃材料.

Research Progress on Flame Retardancy of Polyurethane

Xie Cong1, Zhou Wenrong2, Huang Yaqiong2
(1.environmental functional materials laboratory, Hubei province synergy innovation center, non - dynamic nuclear technology, Hubei institute of science and technology, Hubei,437100

2.nuclear technology and chemical biology institute, Hubei institute of technology, Hubei, 437100)

As a common polymer material, polyurethane has many excellent properties and is widely used in paint, adhesive and other fields.Like other polymer materials, polyurethane is easy to burn and greatly limits its use. Obviously, the improvement of flame retardancy of polyurethane is a hot research in recent years. Because of the different flame retardant modification methods of polyurethane, its flame retardant classification is not the same, it can be divided into reactive flame retardant, additive flame retardant and nano - material flame retardant. In this paper, the above three kinds of polyurethane flame retardant methods and research progress are discussed in detail, aiming to provide some suggestions and help for the industry.

polyurethane;flame retardant;flame retardant mechanism;research progress

O

A

湖北省教育廳中青年人才項目,Q20162806,湖北科技學院教研項目,2016-XC-010.