基于环三磷腈/磷酸酯反应型阻燃剂的合成及其在硬质聚氨酯泡沫中的应用

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硬质聚氨酯泡沫塑料具有强度高、重量轻、隔热效果好、施工方便等特点,在国内外已广泛用于石油化工,冷藏设备,运输设备,建筑物等保温隔热材料。然而聚氨酯硬泡较低的氧指数(LOI<19%),极易燃烧的特性极大地限制了其应用。  以六氯环三磷腈(HCCP)、对羟基苯甲醛、亚磷酸二乙酯等为原料,成功合成了六(4-磷酸二乙酯羟甲基苯氧基)环三磷腈(HPHPCP)反应型单分子磷-氮膨胀型阻燃剂,并用作聚氨酯硬泡的阻燃剂。分别考察了HPHPCP以及HPHPCP与膨胀石墨(EG)复配物对聚氨酯硬质泡沫材料物理性能及阻燃性能的影响,并研究了EG与HPHPCP的协效阻燃作用,结果表明:  1、以四氢呋喃为溶剂,无水碳酸钾为缚酸剂,当对羟基苯甲醛与六氯环三磷腈摩尔比为7.3:1,反应时间为24 h时,中间体六(醛基苯氧基)环三磷腈(HAPCP)收率最高,为93.6%。以四氢呋喃为溶剂,三乙胺为催化剂,当HAPCP与亚磷酸二乙酯摩尔比为8:1,反应时间为24 h,三乙胺用量为0.5 wt%(占HAPCP质量)时,HPHPCP收率最高,为96.8%。利用FT-IR、1H NMR和31P NMR分别对中间体HAPCP和目标产物HPHPCP的化学结构进行了表征。中间体HAPCP和目标产物HPHPCP热重分析表明,二者均具有较高的热稳定性及成炭性,在氮气氛围下,HAPCP的起始分解温度为316℃,800℃时残炭量达到76.3 wt%;HPHPCP的起始分解温度为162.7℃,800℃时残炭量达到42 wt%。  2、反应型阻燃剂HPHPCP对聚氨酯硬质泡沫具有较好的阻燃作用,当其添加量为25 wt%时,阻燃泡沫的极限氧指数为25%;添加量为10wt%时,水平燃烧已经达到 HF-1级(离火自熄),添加量为20wt%分时,垂直燃烧等级达到V-1级。热重分析表明,HPHPCP用量由0%增大到25%质量分时,阻燃泡沫的起始分解温度提高了10-30℃,最大失重速率由7 wt%/℃下降到4 wt%/℃,800℃时残炭量由9.8wt%提高到38.3wt%;密度由36.8kg/m3增大到48.2 kg/m3,压缩强度呈现先增大后减小趋势,其导热系数由0.0257 W/(m2·k)增大到0.0303W/(m2·k)。  3、以膨胀石墨(EG)为阻燃协效剂,并按照一定的质量比与HPHPCP进行复配,考察了复配型阻燃剂为25 wt%时,EG的添加量对聚氨酯硬质泡沫的性能的影响。结果表明:当 HPHPCP/EG复配阻燃体系中EG添加量从5 wt%增加到10 wt%时,阻燃泡沫的密度从50.4 kg/m3增加到52.6 kg/m3;压缩强度和导热系数都呈现先上升后下降的趋势,且在EG添加量为8 wt%时,压缩强度和导热系数都达到最大值,分别为340.9 kPa和0.0352 W/(m2·k)。热重分析表明,当复配体系中EG含量由5wt%增大到10wt时,阻燃硬泡的初始分解温度(T-5wt%)、最大失重速率温度(Tmax)逐渐提高,800℃时残炭量由16.9 wt%增大到36.8 wt%。添加EG后的阻燃聚氨酯硬泡的阻燃性能较未添加 EG的阻燃体系有明显改善,其氧指数都达到27%以上,水平燃烧等级都达到 HF-1级,垂直燃烧等级都达到V-0级,表明EG对HPHPCP具有明显的协同阻燃效果具有明显的协同阻燃作用。
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