聚氨酯/聚磷酸銨復(fù)合泡沫阻燃性能的優(yōu)化方法綜述

胡佳樂 孫亞鵬 耿鐵 夏歡 王心超

摘要： 聚磷酸銨具有良好的阻燃性能，常常被作為添加型阻燃劑而引入聚合物中，以賦予或提高材料耐熱阻燃的性能。本文闡述聚磷酸銨阻燃特點(diǎn)，針對聚氨酯泡沫塑料中存在的問題和不足，提出聚氨酯/聚磷酸銨復(fù)合泡沫阻燃性能優(yōu)化方法。最后，展望燃性能的優(yōu)化方法在未來的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：聚氨酯泡沫;聚磷酸銨;阻燃機(jī)理;協(xié)同阻燃;力學(xué)性能;

前言：聚氨酯泡沫塑料（RPUF）具有質(zhì)量輕、保溫隔熱、耐磨性能好、耐腐蝕性強(qiáng)、可大量制備且易切割等眾多優(yōu)點(diǎn)于一身[1][2]，因此被廣泛應(yīng)用于建筑、交通運(yùn)輸、電線電纜、航空航天、醫(yī)療技術(shù)和軍事科技等領(lǐng)域[3][4]。然而，RPUF耐高溫、耐熱性能較差極大地限制了RPUF的使用范圍。聚磷酸銨（APP）是膨脹阻燃劑（IFR）的主要成分之一，具有綠色無毒、熱穩(wěn)定性好和耐水解性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)[5]5-[6]，成為目前研究開發(fā)及應(yīng)用的熱點(diǎn)。因此，通常利用APP與其他阻燃劑協(xié)同阻燃或?qū)PP進(jìn)行表面改性處理來改善其耐火性能。

1、聚磷酸銨阻燃機(jī)理

APP通過形成膨脹炭層和催化增加成炭來實現(xiàn)高效阻燃。APP遇熱發(fā)生分解反應(yīng)，分解生成聚磷酸等酸性物質(zhì)，聚磷酸在銨氣作為催化劑的條件下發(fā)生酯化反應(yīng)，在酯化過程中，體系便開始進(jìn)入熔融狀態(tài)，由于APP中含有P、O、H和N元素，受熱分解時可釋放出氨氣、水蒸氣和氮?dú)獾炔蝗夹詺怏w，這些氣體一部分使熔融體系膨脹發(fā)泡，另一部分傳遞至空氣中以稀釋空氣中的氧濃度，從而阻斷了氧氣的供應(yīng)[7]。此外，聚磷酸是較強(qiáng)的脫水劑，可促使高分子聚合物表層脫水炭化，加速成炭反應(yīng)的進(jìn)行。

2、阻燃性能的優(yōu)化方法

阻燃效果不明顯和添加量過大是添加單一APP阻燃劑的缺陷。想要實現(xiàn)高效的阻燃效果，必須對其改性優(yōu)化。所謂改性，就是通過物理、化學(xué)、機(jī)械等手段改善材料原有性能、賦予材料自身不具備的性能[8]。采用協(xié)效劑協(xié)同阻燃和微膠囊化處理是目前常對APP阻燃改性的兩種方法，且其研究方法和技術(shù)手段也已相當(dāng)成熟。

王佳楠等[9]以聚醚多元醇和聚合異氰酸酯為發(fā)泡主要原料，將精制堿木質(zhì)素與APP按不同比例復(fù)配組成IFR，并采用一步發(fā)泡法制備出RPUF/IFR。實驗組結(jié)果對比顯示，當(dāng)質(zhì)量比滿足堿木質(zhì)素：APP=1：6，且在兩者添加量占總組分的30%時（即RPUF/30%IFR），LOI達(dá)最大值26.3%。熱重分析（TGA）表明，RPUF/30%IFR的殘?zhí)柯剩?00℃）顯著提高，可由0（純RPUF）增加至33.8%。通過電子掃描顯微鏡（SEM）觀察到，純RPUF燃燒后表層存在較多大小不一的孔穴，這些孔穴是材料在燃燒期間，體系外氧氣和熱量向體系內(nèi)部傳輸?shù)耐ǖ溃鳵PUF/30%IFR材料燃燒后的炭層致密連續(xù)，孔穴數(shù)量較純RPUF大幅減少。張琪等[10]選取高嶺土（KL）和APP為阻燃劑，采用聚酰亞胺（PI）預(yù)聚法，制備出一系列不同組分配比的高性能KL/APP阻燃硬質(zhì)聚氨酯-酰亞胺（PUI）泡沫塑料。LOI實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，KL的單獨(dú)加入對材料的LOI值影響極小，這是因為KL受熱分解生成水蒸氣，吸收燃燒體系的熱量較少。對比之下， APP的添加可以顯著提高復(fù)合材料的LOI值，尤其RPUF/APP40（APP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40wt%）的LOI值可達(dá)31.4%，這是因為APP受熱分解生成聚磷酸和氨氣，反應(yīng)吸收了體系中大量的熱，且釋放出的氨氣傳遞到外界，稀釋了空氣中的氧氣。此外，SEM圖像顯示，KL能夠增強(qiáng)APP形成的膨脹炭層，原因是KL分解生成的Al2O3/SiO2可以填補(bǔ)炭層中細(xì)小的孔洞，使其變得致密無孔，從而提高了炭層的屏蔽隔絕能力。R. Yurtseven[11]將總量為10%的APP和三聚氰胺（MEL）按3：1、2：1和1：1的配比（依次標(biāo)記為10%IFR 1、10%IFR 2和10%IFR 3）合成了阻燃RPUF。垂直燃燒實驗數(shù)據(jù)表明，10%IFR 1表現(xiàn)出最佳阻燃性能，其殘?zhí)苛孔罡?，可達(dá)28.6%。與此同時，10%IFR 1分解最快速度對應(yīng)的溫度為341.7℃，較純RPUF低13℃。然而，力學(xué)性能結(jié)果顯示，兩阻燃劑的加入導(dǎo)致了材料的壓縮性能降低，尤其當(dāng)APP：MEL=1：1時，材料的壓縮強(qiáng)度為125.8kPa，較純RPUF下降了16%。

APP作為添加型阻燃機(jī)的研究進(jìn)展

3、總結(jié)與展望

高聚合度APP雖具有良好的阻燃性能和熱穩(wěn)定性，但僅僅添加APP單一阻燃劑并不能滿足人們對阻燃材料的要求，因此，對APP的改性成為了研究焦點(diǎn)。改性不僅不會使得APP發(fā)生質(zhì)的變化，而且能夠提高其阻燃效能及力學(xué)性能。協(xié)同阻燃和微膠囊化處理是目前已經(jīng)純熟的改性技術(shù)手段，但還有一些利用表面活性劑改性APP和超細(xì)化APP等處理技術(shù)正如雨后春筍一般，這為阻燃技術(shù)的發(fā)展帶來的新方向和新動力。參考文獻(xiàn)

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