阻燃生物基聚氨酯泡沫的制备与性能研究

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目前,制备聚氨酯泡沫(PUF)的原料来源多为石油基,随着国家碳中和战略的不断推进,如何将生物质资源引入到PUF体系中引起了研究者的广泛关注。此外,由于PUF体系中大量的多孔结构和有机成分使其高度易燃,极限氧指数(LOI)仅在19.0%左右,极大的限制了其应用。因此,开发一种基于生物质原料的阻燃聚氨酯泡沫具有重要意义,本课题以腰果酚基缩水甘油醚为原料,制备了腰果酚基多元醇,将其引入到聚氨酯泡沫体系中,通过改变引入异氰酸酯的结构和引入阻燃剂种类及用量,从内外因两个角度出发研究了相关性能。还利用植酸为原料合成了生物基阻燃剂,用于替代部分石油基磷系阻燃剂,加入木质素磺酸钠作为碳源提升体系生物质资源的引入量的同时提升阻燃性能,主要内容分为以下几个部分:(1)基于不同异氰酸酯制备生物基PUF的性能研究。通过腰果酚基缩水甘油醚和二乙醇胺反应合成了腰果酚基多元醇,通过傅里叶红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(~1H-NMR)对产物结构进行了表征。将腰果酚基多元醇与聚醚多元醇PTMG-1000混合,分别加入甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)三种不同的异氰酸酯,调控阻燃剂聚磷酸铵(APP)添加量,制备了一系列的PUF。采用扫描电子显微镜(SEM)、万能材料试验机、锥形量热仪等,研究了其物理结构、力学性能、热稳定性以及燃烧行为。结果表明:所制备的PUF随着异氰酸酯结构从脂肪链向芳香环结构的转变,泡孔也从开孔变为闭孔,即从软质聚氨酯泡沫变为硬质聚氨酯泡沫,并且APP的添加会使得PUF孔径变大。TDI制备的PUF由于高反应性造成的较低交联度使得热稳定性较差,APP的引入提升了体系最终的残炭率从而提升阻燃性能,极限氧指数可从17-18%提升到22-23%,这其中由TDI这种芳香环的异氰酸酯制备PUF的综合性能明显更优,添加阻燃剂后其总热释放量(THR)和平均有效燃烧热(Av-EHC)分别为14.7 MJ/m~2和19.9 MJ/kg,低于其它两者。(2)基于腰果酚多元醇和植酸类阻燃剂制备PUF的研究。通过三乙胺(TEA)改性植酸(PA)制备了改性植酸阻燃剂(MPA),改变腰果酚基多元醇与聚醚多元醇PTMG-1000的投料比,控制阻燃剂MPA添加量,制备了一系列PUF。采用SEM、万能材料试验机、锥形量热仪等,研究了所制得PUF的物理结构和基本性能、热稳定性以及燃烧行为。结果表明:所制备的PUF随着生物基多元醇含量的增加,逐渐变为硬质聚氨酯泡沫,孔径先下降后上升,改性植酸的引入也会影响PUF形态。由于腰果酚基多元醇存在的不饱和长碳侧链,随着其引入量的增加,PUF的热稳定性逐渐下降,而MPA的引入会使得PUF前期的热稳定性降低,但能提升最终的残炭率,并且腰果酚基多元醇含量越高其残炭率越高。MPA的引入能使极限氧指数从17-18%提升到22-23%,且腰果酚基多元醇含量越高相关性能越优。由纯腰果酚多元醇引入MPA制备的PUF的Av-EHC为9.1 MJ/kg,远低于未添加MPA以及腰果酚多元醇引入量较少的PUF,也证明了MPA引入的有效性。(3)不同木质素磺酸钠含量制备生物基PUF的性能研究。在引入MPA的基础上加入磷酸三氯丙酯(TCPP)作为阻燃剂,通过将木质素磺酸钠(S-L)分散于二乙二醇(DEG)中,以腰果酚基多元醇为主体,改变木质素磺酸钠的引入量制备了一系列PUF。采用SEM、万能材料试验机、锥形量热仪等,研究了所制得PUF的物理结构和基本性能、热稳定性以及燃烧行为。结果表明:随着木质素磺酸钠引入量的增加,PUF的孔径先增大后减小,引入量超过10 wt%时会使得开孔率增加,压缩强度呈现先上升后下降的趋势与PUF密度变化呈正比。此外PUF的热稳定性也随着木质素磺酸钠的引入量增加而下降,残炭率呈上升趋势,PUF的极限氧指数在木质素磺酸钠添加量为10 wt%和15 wt%时有28.1%和30.0%,达到难燃标准。Av-EHC也从初始的26.2 MJ/kg降低到19.1MJ/kg。
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