蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料的制備與阻燃性能的研究*

楊 娟,王啟強(qiáng)

（綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621000）

聚氨酯是聚氨基甲酸酯的簡稱,是指在高分子主鏈上含有重復(fù)基團(tuán)氨基甲酸酯(-NHCOO-）的高分子化合物通稱為聚氨酯?？蓮V泛應(yīng)用于泡沫、橡膠、合成革、粘合劑、涂料等。其中聚氨酯泡沫塑料是聚氨酯合成材料的主要品種之一,占聚氨酯總產(chǎn)量的一半以上[1]。由于其高彈性、保溫性、耐磨性、耐溶劑性、耐生物老化性等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于家具、汽車、航空航天、土木建筑等領(lǐng)域,特別是高層建筑的外墻保溫中[2]。但是近年來,我國因保溫材料引發(fā)火災(zāi)事故時有發(fā)生,在社會上造成了惡劣的影響,使人們對保溫材料的使用望而怯步。面對頻發(fā)的火災(zāi)事故,如何有效地提高聚氨酯泡沫材料的防火性能,將其安全的應(yīng)用到建筑中,已成為當(dāng)今社會關(guān)注的焦點問題[3]。

蒙脫土(MMT）是膨潤土礦的主要成分,有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu),因其良好的膨脹性、吸水性、吸附性、阻隔性、阻燃性及熱穩(wěn)定性等優(yōu)點,且資源尤為豐富,價格低廉,可用于輕工、石油、涂料、建筑、沙漠治理、污水處理等多種領(lǐng)域,被人們譽(yù)為 “萬能材料”[4]。特別是在制備聚合物/蒙脫土納米復(fù)合材料領(lǐng)域起著舉足輕重的作用。因而成為諸多學(xué)者研究和開發(fā)的熱點之一[5]。

本文將以蒙脫土作為阻燃成分,利用其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的膨脹性、吸附性、阻隔性、阻燃性及熱穩(wěn)定性等優(yōu)點,制備無機(jī)有機(jī)雜化結(jié)構(gòu)的聚氨酯復(fù)合材料,首先,利用不同種類蒙脫土對所制備的復(fù)合材料的阻燃性能進(jìn)行對比；其次,分別從插層溫度、插層時間及蒙脫土用量等因素考查對阻燃性能的影響,最后,利用試樣燃燒時的火焰高度、燃燒時間以及燃燒現(xiàn)象分析得出的制備蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料的最佳配方。

1 實 驗

1.1 實驗原料

聚醚多元醇-330(分析純）,江蘇省海安石油化工廠；異氰酸酯(分析純）,湖北楚盛威化工有限公司；鈉基蒙脫土、有機(jī)蒙脫土,石家莊靈壽縣潤宇礦產(chǎn)品加工廠；二月桂酸二丁基錫,山東西亞化學(xué)股份有限公司；硅油；蒸餾水,自制。

1.2 實驗儀器與設(shè)備

LSJB120數(shù)顯型小型攪拌機(jī),常州勵岸寶機(jī)械設(shè)備科技有限公司；HH-WO-2L水浴鍋,鄭州予創(chuàng)儀器設(shè)備有限公司；101-0恒溫烘箱,深圳市易世達(dá)儀器設(shè)備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料的制備

采用預(yù)聚體法經(jīng)原位插層聚合制備復(fù)合材料[6],依次稱取25 g聚醚多元醇-330,蒙脫土用量10%、20%、30%、40%、50%,0.25 g硅油,0.2 g二月桂酸二丁基錫；加入裝有攪拌器、溫度計的三口瓶中,開始攪拌,緩慢升溫至設(shè)定溫度,攪拌1～4 h,停止反應(yīng),倒出預(yù)聚體,待冷卻至室溫加入25 g異氰酸酯、蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?隨后,倒入模具中并在10 MPa的壓力下發(fā)泡成型；脫模,放入80℃的烘箱中熟化5 h；得到復(fù)合材料試樣。

1.3.2 性能測試

1.3.2.1 制品的裁樣及稱量

從烘箱中取出已熟化好的制品,按一定厚度(1 cm）裁樣,依次放入分析天平中稱量并記錄,利用游標(biāo)卡尺讀取其尺寸計算出試樣的平均體積。計算得出每個試樣的密度,備用。

1.3.2.2 垂直燃燒法[7]

在試樣燃燒的過程中通過對燃燒時的火焰高度測量,對燃燒時間的測定及燃燒時所伴有的燃燒現(xiàn)象的觀察判斷出阻燃效果較優(yōu)的試樣及影響其阻燃效果的主要因素。

1.3.2.3 觀察法[8]

分別從樣品密度、試樣燃燒時的火焰高度、燃燒時間及燃燒現(xiàn)象等綜合判斷蒙脫土插層時間、蒙脫土用量及插層溫度等條件因素對其阻燃性能的影響,并以此作為依據(jù)選出阻燃性能良好的樣品參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 蒙脫土種類對其密度及阻燃性能的影響

以蒙脫土插層時間為1 h,插層溫度為100℃,蒙脫土用量均為40%試樣為參照,分別從蒙脫土種類、密度、火焰高度、燃燒時間、燃燒現(xiàn)象等方面進(jìn)行對比。結(jié)果見表1所示。

表1 蒙脫土種類對其密度及阻燃性能的影響Table 1 Influence of montmorillonite species on its density and flame retardant properties

由表1可知,相同條件下,鈉基蒙脫土/聚氨酯試樣在燃燒時火焰旺盛,燃燒劇烈且伴有大量黑煙。由此,在制備蒙脫土/聚氨酯納米材料時選用火焰微小的、伴有自熄現(xiàn)象具有一定阻燃性能的有機(jī)蒙脫土作為添加組分。

2.2 蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料密度的影響因素

材料的密度越大,燃燒越困難,阻燃性越好。這是因為材料密實,透氣性小,不易于周圍空氣充分交流,氧氣的可及性低,故燃燒困難。同時也可認(rèn)為材料密度增大,單位面積重量增大,燃燒時所需要的氧氣就越多,但燃燒物周圍單位時間內(nèi)所能供應(yīng)的氧氣變化不大,造成氧氣相對不足,使燃燒性相對較低。由此,分別從插層溫度、插層時間、蒙脫土用量等方面考查其對密度的影響[9]。

2.2.1 插層溫度

有機(jī)蒙脫土加入量為40%,插層時間為1 h,制備出一定規(guī)格的試樣進(jìn)行稱量并計算其密度。如表2所示。

表2 不同插層溫度下蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料的密度Table 2 Density of montmorillonite/polyurethane composites at different intercalation temperatures

由表2可知,在有機(jī)蒙脫土加入量、插層時間一定的條件下,隨著插層溫度的升高對復(fù)合材料的密度有一定影響,具體表現(xiàn)為:在60～80℃之間時,復(fù)合材料的密度變化不大,從常溫～70℃、80～90℃、90～100℃這三個溫度區(qū)間的一般規(guī)律可以描述為:蒙脫土插層的溫度越高,泡孔越小從而使得聚氨酯復(fù)合材料的密度越大。

2.2.2 插層時間

蒙脫土加入量為40%,插層溫度為100℃,制備出一定規(guī)格的試樣進(jìn)行稱量并計算其密度,如表3所示。

表3 不同插層時間下蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料的密度Table 3 Density of montmorillonite/polyurethane composites at different intercalation times

由表3可知,隨著插層時間的延長對蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料的密度沒有較大影響。

2.2.3 蒙脫土用量

插層溫度同為100℃,插層時間為1 h,制備出一定規(guī)格的試樣進(jìn)行稱量并計算其密度,如表4所示。

表4 不同蒙脫土含量下蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料的密度Table 4 Density of montmorillonite/polyurethane composites with different montmorillonite contents

由表4可知,隨著有機(jī)蒙脫土加入量的增加,該復(fù)合材料的密度隨之提高,主要是由于蒙脫土的密度大于聚氨酯的密度。

2.3 燃燒性能

2.3.1 插層溫度對蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料燃燒性能的影響

利用以上討論結(jié)果,在插層時間為1 h,蒙脫土含量為40%的條件下制備蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料,制樣后進(jìn)行燃燒性能測試,結(jié)果如表5所示。

表5 插層溫度對蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料燃燒性能的影響Table 5 Influence of intercalation temperature on combustion performance of montmorillonite/polyurethane composites

由表5可知,插層時間、蒙脫土含量一定的條件下,插層溫度對火焰高度、燃燒時間及燃燒現(xiàn)象并無明顯影響,即蒙脫土的插層溫度對其試樣的燃燒性能的影響不大。

2.3.2 插層時間對蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料燃燒性能的影響

利用以上討論結(jié)果,在插層溫度為100℃,蒙脫土含量為40%的條件下制備蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料,制樣后進(jìn)行燃燒性能測試。結(jié)果如表6所示。

表6 插層時間對蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料燃燒性能的影響Table 6 Effects of intercalation time on combustion properties of montmorillonite/polyurethane composites

由表6可知,插層溫度、蒙脫土含量一定的條件下,插層時間對燃燒現(xiàn)象的影響并不明顯,但其對試樣燃燒時的火焰高度及燃燒時間有較大影響,具體表現(xiàn)為:蒙脫土的插層時間越長試樣在燃燒時的火焰高度越低,燃燒時間短,由此可知,蒙脫土的插層時間越長則聚醚多元醇基體對有機(jī)蒙脫土的吸附效果就越好即插層效果就越好,阻燃效果就越好。

2.3.3 蒙脫土用量對蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料燃燒性能的影響

利用以上討論結(jié)果,在插層溫度為100℃,時間為4 h的條件下制備蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料,制樣后進(jìn)行燃燒性能測試,結(jié)果如表7所示。

由表7可知,插層溫度、插層時間一定的條件情況下,蒙脫土的含量越多,對試樣燃燒時的火焰高度、試樣的燃燒時間及燃燒現(xiàn)象的影響越大,具體表現(xiàn)為:蒙脫土含量越多,燃燒時試樣的火焰高度就越低,試樣的燃燒時間就越短,燃燒時的燃燒現(xiàn)象即表現(xiàn)為燃燒時無煙、熄滅快等,由此可以判斷出有機(jī)蒙脫土的加入量越多則阻燃性能越優(yōu)良。

表7 蒙脫土用量對蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料燃燒性能的影響Table 7 Influence of montmorillonite dosage on combustion properties of montmorillonite/polyurethane composites

3 結(jié) 論

(1）采用預(yù)聚體法經(jīng)原位插層聚合制備蒙脫土/聚氨酯復(fù)合材料,分別對添加鈉基蒙脫土、有機(jī)蒙脫土的聚氨酯復(fù)合材料時的密度、試樣燃燒時的火焰高度、燃燒時間等實驗結(jié)果的對比,反應(yīng)出在制備該復(fù)合材料選擇蒙脫土種類時應(yīng)首要考慮阻燃性能更為良好的有機(jī)蒙脫土。

(2）結(jié)合實驗數(shù)據(jù)與分析得出:插層溫度為100℃,插層時間為4 h,在有機(jī)蒙脫土含量達(dá)到40%時制備的復(fù)合材料阻燃性能最優(yōu)。具體表現(xiàn)為其密度均大于其他不利于燃燒,火焰高度為0.7 cm,燃燒時間僅為29 s且燃燒時無煙危害小。