聚氨酯硬泡塑料的制备与阻燃性能研究

梁克瑞（吉林工业职业技术学院，吉林 吉林132013）

聚氨酯（PU）泡沫塑料是现代重要的高分子合成材料之一。具有较高的压缩强度和较好的尺寸稳定性，在建筑材料、床垫、家具、保温材料、汽车座垫及内饰材料等许多领域得到广泛应用。但由于这种材料含可燃的碳氢链段，遇火会燃烧并分解，产生大量的烟尘和剧毒气体。所以促使该材料应用发展的先决条件是增加泡沫塑料的阻燃性，最常用的方法是在聚氨酯泡沫塑料中加入阻燃剂，以提高泡沫阻燃性能，起到阻止泡沫继续燃烧的作用。聚磷酸铵(APP)、氢氧化铝(ATH)是常用的无卤阻燃剂。APP无毒无味，不产生腐蚀气体，吸湿性小，热稳定性高，是一种性能良好的无机阻燃剂，与有机阻燃剂相比具有价廉、毒性低、热稳定性好等优点，可单独或与其它阻燃剂复配使用[1～2]；ATH本身具有阻燃、消烟、填充三个功能，因其不挥发、无毒，又可与多种阻燃剂产生协同阻燃作用，被誉为无公害无机阻燃剂[3]，能在火源和泡沫间形成不燃性的屏障，从而起到阻燃作用。

本实验采用APP、ATH和APP/ATH复配阻燃剂制备聚氨酯泡沫塑料，研究APP、ATH、APP/ATH用量及复配方式对聚氨酯泡沫塑料力学性能和阻燃性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚醚多元醇（400mgKOH/g）,南京杰拉华贸易有限公司；聚芳基聚异氰酸酯（PAPI），南京杰拉华贸易有限公司；N,N-二甲基环己胺，南京杰拉华贸易有限公司；三聚氰胺,天津光复精细化工研究所；聚磷酸铵(APP)，德国Clariant公司；氢氧化铝,淄博博湖工贸有限公司；硅油(Y-10366),南京杰拉华贸易有限公司；正戊烷，淄博市临淄天德精细化工研究所。

1.2 主要设备

电动搅拌器,JJ—l，江苏金坛市荣华仪器制造有限公司；万能材料实验机，CMT4503,深圳新三思计量技术有限公司；氧指数测定仪，JF-3,南京市江宁区分析仪器厂；建材烟密度测试仪，JCY-2,南京市江宁区分析仪器厂；平板法导热仪，DZDR-P,南京永研电子有限责任公司。

1.3 聚氨酯硬质泡沫的制备

采用一步法制备硬质聚氨酯泡沫塑料，实验步骤如下：

将聚醚多元醇、泡沫稳定剂、催化剂、表面活性剂、阻燃剂和发泡剂等加入500ml烧杯中，室温下用高速搅拌机混合均匀；快速加入异氰酸酯,搅拌30min,转速为2000r/min；当有气泡发出、泡体发白时，立即注入模具中发泡成型；将所制得泡沫，置于80℃烘箱中放置6h，熟化一定时间后，从烘箱中取出脱模，冷却至室温制备样条。

1.4 聚氨酯泡沫塑料性能测试

按GB/T6343《泡沫塑料和橡胶表观（体积）密度的测定》中的试验方法测定泡沫密度，样条尺寸为120mm×6mm×5mm，湿度为45%～55%的环境中状态调节24h；按GB3399《塑料导热系数试验方法护热平板法》测试泡沫热导率；按GB/8813-1988硬质泡沫塑料压缩试验方法测试材料压缩强度；按GB/T240693测试材料限氧指数，样条尺寸为13mm×6 mm×3mm；按GB/T8627《建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法》测试材料烟密度，样条尺寸为25 mm×25mm×3mm。

2 结果与讨论

2.1 阻燃剂用量及配比对泡沫阻燃性能的影响

在其他原料基本不变的条件下，改变阻燃剂添加量及配比，测得泡沫氧指数和烟密度与阻燃剂用量及配比的关系如图1和图2所示。

图1 不同阻燃剂用量及配比对泡沫氧指数的影响

由图1看出，随着阻燃剂用量的增加，阻燃性能也随之提高，APP用量在15% 以上即能达到较好阻燃效果，而ATH用量25%～30%之间所制得的泡沫阻燃效果达到国标B2标准。随二者配比的不同，当APP与ATH的质量比为3：2时，阻燃效果最好，当用量为30份时，泡沫的氧指数达到34%。在聚氨酯泡沫中，APP主要在凝聚相发挥作用，可以消耗泡沫塑料燃烧时分解出的可燃气体，使其转化成不易燃烧的炭化物[4]；添加氢氧化铝阻燃体系的泡沫氧指数增加2～5，降幅稍大，可能是其中含有的结晶水在泡沫塑料燃烧时快速分解，吸收燃烧热[5～6]。而且泡沫受热时，阻燃剂分解产物，如磷酸、氨气、氧化铝等，会增加与火焰接触的表面积，同时能与多羟基化合物形成具有阻燃作用的物质并释放水蒸气；达较高高温时，阻燃剂气化产生的不燃性气体，会使熔融的泡沫炭化形成疏松的多孔性阻燃层，从而可以达到更好的阻燃效果。

图2 不同阻燃剂用量及配比对泡沫烟密度的影响

通过对图2中烟密度（SDR）的分析可知，阻燃剂用量的增加，会导致泡沫的产烟量降低，烟密度减小，当用量为30份时，烟密度（SDR）小于70。这是因为燃烧过程使阻燃剂结构被破坏，分解产物增多，阻燃性能增强。进而降低了泡沫的燃烧性能[7]，另外，燃烧产生的A12O3属于耐火材料，能与燃烧形成的其他碳化物在泡沫表面形成惰性屏障，起到减缓燃烧速度和控制火势发展的作用，从而起到抑制烟气产生的作用。

表1 阻燃剂添加量对泡沫垂直燃烧能的影响

泡沫中阻燃剂添加量越多，其阻燃性能越好，APP与ATH的质量比为3:2时，泡沫的垂直燃烧性能如表1所示。

从表1可以看出，磷铝复配阻燃剂对泡沫有较好的阻燃效果，当添加量达到10%时，就能达到垂直燃烧FV-0级，这是因为复合阻燃剂中，磷系阻燃剂首先在凝聚相中热分解为磷酸或多磷酸，这些酸能够生成熔融的黏性表层来保护聚合物，使之不易燃烧或氧化，阻止火焰的传播，最终使燃烧反应速率下降，直至终止；氢氧化铝在250℃以上已基本上完成了脱水反应，吸收潜热，降低温度同时，产生的大量水蒸气又能稀释可燃气体，减小烧蚀速率，防止火焰蔓延。

2.2 阻燃剂用量对泡沫力学性能的影响

由2.1知，APP与ATH的质量比为3:2时，具备较高的阻燃性能，因此，在此配比下不同阻燃剂用量对泡沫力学性能的影响如表2所示。

表2 阻燃剂添加量对力学性能的影响

由表2可知，随着阻燃剂用量的增加，泡沫的密度逐渐增大，压缩强度随密度的增加而降低，泡沫的热导率有所提高，但并没有很大的变化。这是由于高密度的硬泡塑料壁要比低密度硬泡塑料的厚，而且胞体尺寸较小，密堆积情况要比低密度硬泡塑料好[8]。当阻燃剂用量超过25份时，由于泡孔壁附着的固体颗粒的影响，会降低泡沫的压缩强度。

3 结论

1)由于纯泡沫塑料的密度相对较小，随着阻燃剂添加量的增加，泡沫密度逐渐增大，同时，泡沫的热导率因阻燃剂的增加而略有提高，对其导热性能有一定影响。

2)随着阻燃剂添加量的增加，泡沫的压缩强度随之降低，密度的增加对泡沫的压缩强度影响较大，说明阻燃剂增加到一定程度，对泡沫的力学性能产生较大影响。

3)阻燃剂用量及配比对泡沫的阻燃性能产生影响，复配阻燃剂效果更显著，APP与ATH的质量比为3：2，阻燃剂达25%以上时，氧指数增大的趋势减弱，而垂直燃烧性能和烟密度随阻燃剂用量的增加而减小，说明阻燃剂用量越多，其阻燃效果越明显，考虑对材料综合性能的影响，阻燃剂添加量在30份时得到良好的材料性能。

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