聚氨酯的阻燃研究进展

*谢聪 周文蓉 黄亚琼

(1.湖北科技学院,非动力核技术湖北省协同创新中心,环境功能材料实验室 湖北 437100 2.湖北科技学院,核技术与化学生物学院 湖北 437100)

聚氨酯的阻燃研究进展

*谢聪1周文蓉2黄亚琼2

(1.湖北科技学院,非动力核技术湖北省协同创新中心,环境功能材料实验室 湖北 437100 2.湖北科技学院,核技术与化学生物学院 湖北 437100)

聚氨酯作为一种常见的高分子材料,具有诸多的优良性能而广泛运用于涂料、粘合剂等领域.和其它高分子材料一样,聚氨酯容易燃烧,极大限制了它的使用.显然,提升聚氨酯阻燃性能是近年来研究的热点.由于聚氨酯的阻燃改性方法不同,所以其阻燃剂分类也不尽相同,主要可分为反应型阻燃剂、添加型阻燃剂和纳米材料阻燃剂三种.对此,文章重点就以上三种聚氨酯阻燃方法和研究进展进行详细探究,旨在为业内人士提供一些建议和帮助.

聚氨酯;阻燃剂;阻燃机理;研究进展

引言

聚氨酯的全称为聚氨基甲酸酯,它是一种重要的高分子材料,由于其具有众多优良性能,所以在化工生产领域得到了广泛应用.但是由于常规聚氨酯是可燃物,极易引发火灾,所以对其进行阻燃改性就显得尤为关键.另外,各国的相关规定也明确指出,聚氨酯如果在公共场合中使用,其必须达到相关的阻燃标准,否则不可投入使用.而要想更好的提升聚氨酯进行阻燃性能,首先就必须要对聚氨酯的阻燃方法进行了解,并且详细掌握其研究进展.

1.反应型聚氨酯阻燃剂

聚氨酯所用的反应型阻燃剂多为含阻燃元素(如磷、氮、硅和卤素等)的多元醇,其作为一种反应单体,可以参与聚氨酯网络分子骨架的构建,故对材料的性能影响小,且稳定性好.含磷的异氰酸酯也是一种反应型阻燃剂,但其产品和研究都很少,这类阻燃剂主要有四溴邻苯二甲酸酯二醇、含溴多元醇、芳香族含溴二醇、三(一缩二丙二醇)亚磷酸酯、N,N-二(2-羟乙基)氨甲基膦酸二乙酯、有机磷卤化合物反应型阻燃剂FRT-4、四溴双酚A双羟基乙基醚等.反应型的阻燃剂一般是与聚氨酯共聚或接枝,故按阻燃剂作为聚氨酯结构单元的不同大致可分为软段阻燃改性和硬段阻燃改性两种.

2.添加型聚氨酯阻燃剂

相对比反应型阻燃剂而言,添加型聚氨酯阻燃剂主要是通过物理作用直接进行共混,使聚氨酯获得相应的阻燃性能.通常情况下,添加型聚氨酯阻燃剂可以分为两种,即有机阻燃剂和无机阻燃剂,详细分析如下:

(1)有机阻燃剂

①磷酸酯类阻燃剂

该类阻燃剂的阻燃机理是凝聚相阻燃,详细分析如下:在聚氨酯燃烧时,磷酸酯类阻燃剂可以使聚氨酯发生炭化,形成炭化保护层,避免聚氨酯燃烧时与氧气直接接触,从而使聚氨酯获得阻燃的性能.但是在使用这一类阻燃剂时,要合理控制其用量,避免阻燃剂用量过大而导致聚氨酯强度降低,影响聚氨酯的其它性能.目前,磷酸酯类阻燃剂研究最多的是DOPO(9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物),特别是将其衍生物应用到聚氨酯阻燃处理中,不仅可以使聚氨酯获得阻燃性能,而且还可以大大提高聚合物的热稳定性,DOPO类阻燃剂的结构如图1所示.

图1 DOPO类阻燃剂

②三聚氰胺及其盐类阻燃剂

三聚氰胺及其盐类阻燃剂的阻燃机理如下:第一,该类阻燃剂可以在聚氨酯燃烧时生成一种不燃气体,例如水蒸气,该类气体可以有效避免聚氨酯与氧气直接接触,使聚氨酯获得阻燃性能;第二,该类阻燃剂分解产生的不燃气体除了可以隔绝氧气外,其生成过程还需要消耗大量热量,所以就会降低聚氨酯燃烧时的温度,使其阻燃性能大大提高;第三,该类阻燃剂中还有氮,它可以有效捕获高能自由基,从而制约聚氨酯的进一步燃烧.通常情况下,单独使用三聚氰胺及其盐类阻燃剂的阻燃效果并不理想,所以为了更好的提高聚氨酯的阻燃性能,需要将其与其它阻燃剂配合使用,其中最为常见的就是膨胀型阻燃剂(IFR),它作为一种绿色环保的阻燃剂,成为近年来聚氨酯阻燃剂研究领域的研究热点.

(2)无机阻燃剂

无机阻燃剂的阻燃机理是降低聚氨酯燃烧时的热量,从而使聚氨酯获得阻燃性能.无机阻燃剂大都是固体粉末,所以在进行使用时,要严格控制其用量,避免用量过大而影响聚氨酯的其它物理性能.常见的无机聚氨酯阻燃剂包括以下几种,即三氧化锑(Sb2O3)、氢氧化镁(Mg(OH)2)、聚磷酸铵(APP)以及红磷(P)等,相对比有机阻燃剂,无机聚氨酯类阻燃剂还存在一些局限性,还需要对其进行更深层次的研究,以确保聚氨酯获得更加优良的阻燃性能.

3.纳米材料阻燃剂

纳米材料阻燃剂的阻燃机理与上述分析的磷酸酯类阻燃剂阻燃机理相似,它属于固相阻燃,即纳米材料燃烧时会生成一种炭化保护层,对聚氨酯进行隔氧保护,从而使聚氨酯获得阻燃性能.但是与磷酸酯类阻燃剂不同的是,纳米材料阻燃剂所生成的炭化层不仅具有阻燃性能,而且还具有很好地热稳定性能和低透气性能.常见的纳米材料阻燃剂有纳米蒙脱土、纳米SiO2、碳纳米管等.

结束语

综上所述,随着我国化工事业的不断发展,对化工高分子材料性能的改良显得十分重要.聚氨酯作为重要的高分子材料,对其进行阻燃改性更显得十分关键.目前常见的聚氨酯阻燃剂包括三类,即反应型阻燃剂、添加型阻燃剂和纳米材料阻燃剂,其中应用最为广泛的是添加型阻燃剂,但是由于该类阻燃剂在使用中会影响聚氨酯的其它物理性能,而且对于阻燃剂的选择应当朝着绿色环保方向发展,所以未来聚氨酯阻燃剂的研究应当放在反应型阻燃剂和纳米材料阻燃剂结合上,显著提高聚氨酯阻燃性能.

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[3]王紫潇,文庆珍,朱金华.用于聚氨酯材料的无卤添加型阻燃剂研究进展[J].聚氨酯工业,2015,30(03):31-34.

谢聪(1984-),男,湖北科技学院,非动力核技术湖北省协同创新中心,环境功能材料实验室;研究方向:高分子阻燃材料.

Research Progress on Flame Retardancy of Polyurethane

Xie Cong1, Zhou Wenrong2, Huang Yaqiong2
(1.environmental functional materials laboratory, Hubei province synergy innovation center, non - dynamic nuclear technology, Hubei institute of science and technology, Hubei,437100

2.nuclear technology and chemical biology institute, Hubei institute of technology, Hubei, 437100)

As a common polymer material, polyurethane has many excellent properties and is widely used in paint, adhesive and other fields.Like other polymer materials, polyurethane is easy to burn and greatly limits its use. Obviously, the improvement of flame retardancy of polyurethane is a hot research in recent years. Because of the different flame retardant modification methods of polyurethane, its flame retardant classification is not the same, it can be divided into reactive flame retardant, additive flame retardant and nano - material flame retardant. In this paper, the above three kinds of polyurethane flame retardant methods and research progress are discussed in detail, aiming to provide some suggestions and help for the industry.

polyurethane;flame retardant;flame retardant mechanism;research progress

O

A

湖北省教育厅中青年人才项目,Q20162806,湖北科技学院教研项目,2016-XC-010.