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壳聚糖(Chitosan,CS)是一种绿色天然的高分子化合物,是从虾蟹的壳中提取。每年,会有很多虾蟹壳得不到有效利用,从而对环境造成了一些问题。CS的发现使这一问题得到解决。随着CS的性质被不断的探索,其使用领域十分广泛。热塑性聚氨酯弹性体(Thermoplastic polyurethanes elastomer,TPU)凭借其优异的耐腐蚀性、耐磨性、耐老化性、耐油性、耐水性和弹性,被广泛的应用于各个行业。但是TPU易燃,甚至在燃烧时会发生熔融滴落,因此研究TPU的阻燃成为了一项很重要的课题。传统的阻燃剂由于其存在着阻燃效果低、添加量大和造成环境破坏等缺点,寻求一种绿色、环保和高效的阻燃剂就成为了新型阻燃剂的发展方向。CS本身含有大量的碳,可以充当阻燃剂的炭源;CS含有大量氨基,对TPU阻燃有着积极的作用。本文基于以上问题,分别构建了CS、CS/磷钨酸(PWA)、CS/铜螯合物(CuSA)和CS/酚醛树脂(PF)阻燃TPU体系,并通过锥形量热仪(CCT)、烟密度测试(SDT)、微型量热仪(MCC)、热重(TG)、热重-红外联用(TG-IR)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和气相裂解色谱-质谱联用仪(GC-MS)实验对TPU复合材料的阻燃性能和阻燃机理进行研究。TPU/CS体系中,研究表明,CS能够有效地降低TPU的热和烟释放速率。含有2wt%CS的样品TPU/CS2,其热释放速率的峰值(pHRR)和烟释放速率的峰值(pSPR)较纯TPU都有很大幅度的下降,降低了65.9%和44.0%。SEM结果表明,TPU/CS2燃烧结束后炭渣呈现纤维状,推测其原因是CS的氨基与热分解产物发生反应。GC-MS结果表明,TPU/CS2在裂解过程中异氰酸酯生成量明显降低,而含有2.0wt%的甲壳素(CH)样品(TPU/CH2)裂解产生的异氰酸酯量仍然较高。CS与CH差别仅为链上是否含有氨基,从而推测出CS阻燃TPU的机理:TPU热分解产物与CS发生反应,从而降低了热和烟的释放速率。TPU/CSPWA体系中,研究表明,CSPWA组合物能够有效地降低TPU的热和烟释放速率,并且比单独使用CS或者PWA效果更好。TPU/CSPWA1(1.0wt%CSPWA)的pHRR和pSPR较纯TPU降低了75.0%和77.8%,并且pHRR比TPU/CS1(1.0wt%CS)和TPU/PWA1(1.0wt%PWA)分别降低了41.8%和44.7%。SEM结果表明,TPU/CS1燃烧结束后炭渣呈现纤维状,然而TPU/CSPWA1炭层却呈现致密连续的特征。GC-MS结果表明,TPU/CSPWA1在裂解过程中异氰酸酯生成量较TPU/CS1降低的更加明显。因此推断,在TPU燃烧过程中,PWA也与CS发生化学反应,使链相互结合,在高温的作用下生成炭层,从而进一步改善了单独用CS阻燃TPU所生成的炭层,增大阻燃效率。TPU/CSCuSA体系中,TPU的热和烟释放受到CSCuSA组合物的抑制,并且CS的阻燃效果在CuSA的加入有了改善。TPU/CSCuSA0.1(2.9wt%CS/0.1wt%CuSA)的pHRR较纯TPU和仅含CS的TPU(TPU/CS3)分别降低了69.5%和11.5%。分析炭渣照片可以了解到,炭层在添加CuSA后连续性得到提高,并且变得致密。TG结果表明,CSCuSA组合物通过提高材料的热稳定性,来实现降低TPU火灾危险性的目的。TPU/CSCu SA0.1残炭量较纯TPU升高了10.4%。实验还发现,CuSA在一定的比例范围内会强化CS的阻燃效果。其最佳添加量与样品TPU/CSCuSA0.1中CS与CuSA相近。TPU/CSPF体系中,当在TPU中添加2.0wt%的阻燃体系,CS:PF比例接近4:6时,CSPF组合物的阻燃效果最好,并且超过了添加2.0wt%CS的样品(TPU/CS2)。TPU/CS0.8PF1.2(0.8wt%CS/1.2wt%PF)的pHRR较纯TPU降低了60.7%,并且较TPU/CS2(2.0wt%CS)和TPU/PF2(2.0wt%PF)降低了4.5%和42.5%。说明PF的加入,改善了CS的阻燃性能。炭渣照片表明,CSPF组合物使TPU材料的成炭性进一步提高,促进TPU表面生成炭层,从而起到隔热抑烟的作用。