聚氨酯/聚磷酸铵复合泡沫阻燃性能的优化方法综述

胡佳乐 孙亚鹏 耿铁 夏欢 王心超

摘要： 聚磷酸铵具有良好的阻燃性能，常常被作为添加型阻燃剂而引入聚合物中，以赋予或提高材料耐熱阻燃的性能。本文阐述聚磷酸铵阻燃特点，针对聚氨酯泡沫塑料中存在的问题和不足，提出聚氨酯/聚磷酸铵复合泡沫阻燃性能优化方法。最后，展望燃性能的优化方法在未来的应用前景和发展趋势。

关键词：聚氨酯泡沫;聚磷酸铵;阻燃机理;协同阻燃;力学性能;

前言：聚氨酯泡沫塑料（RPUF）具有质量轻、保温隔热、耐磨性能好、耐腐蚀性强、可大量制备且易切割等众多优点于一身[1][2]，因此被广泛应用于建筑、交通运输、电线电缆、航空航天、医疗技术和军事科技等领域[3][4]。然而，RPUF耐高温、耐热性能较差极大地限制了RPUF的使用范围。聚磷酸铵（APP）是膨胀阻燃剂（IFR）的主要成分之一，具有绿色无毒、热稳定性好和耐水解性能优异等优点[5]5-[6]，成为目前研究开发及应用的热点。因此，通常利用APP与其他阻燃剂协同阻燃或对APP进行表面改性处理来改善其耐火性能。

1、聚磷酸铵阻燃机理

APP通过形成膨胀炭层和催化增加成炭来实现高效阻燃。APP遇热发生分解反应，分解生成聚磷酸等酸性物质，聚磷酸在铵气作为催化剂的条件下发生酯化反应，在酯化过程中，体系便开始进入熔融状态，由于APP中含有P、O、H和N元素，受热分解时可释放出氨气、水蒸气和氮气等不燃性气体，这些气体一部分使熔融体系膨胀发泡，另一部分传递至空气中以稀释空气中的氧浓度，从而阻断了氧气的供应[7]。此外，聚磷酸是较强的脱水剂，可促使高分子聚合物表层脱水炭化，加速成炭反应的进行。

2、阻燃性能的优化方法

阻燃效果不明显和添加量过大是添加单一APP阻燃剂的缺陷。想要实现高效的阻燃效果，必须对其改性优化。所谓改性，就是通过物理、化学、机械等手段改善材料原有性能、赋予材料自身不具备的性能[8]。采用协效剂协同阻燃和微胶囊化处理是目前常对APP阻燃改性的两种方法，且其研究方法和技术手段也已相当成熟。

王佳楠等[9]以聚醚多元醇和聚合异氰酸酯为发泡主要原料，将精制碱木质素与APP按不同比例复配组成IFR，并采用一步发泡法制备出RPUF/IFR。实验组结果对比显示，当质量比满足碱木质素：APP=1：6，且在两者添加量占总组分的30%时（即RPUF/30%IFR），LOI达最大值26.3%。热重分析（TGA）表明，RPUF/30%IFR的残炭率（700℃）显著提高，可由0（纯RPUF）增加至33.8%。通过电子扫描显微镜（SEM）观察到，纯RPUF燃烧后表层存在较多大小不一的孔穴，这些孔穴是材料在燃烧期间，体系外氧气和热量向体系内部传输的通道，而RPUF/30%IFR材料燃烧后的炭层致密连续，孔穴数量较纯RPUF大幅减少。张琪等[10]选取高岭土（KL）和APP为阻燃剂，采用聚酰亚胺（PI）预聚法，制备出一系列不同组分配比的高性能KL/APP阻燃硬质聚氨酯-酰亚胺（PUI）泡沫塑料。LOI实验结果发现，KL的单独加入对材料的LOI值影响极小，这是因为KL受热分解生成水蒸气，吸收燃烧体系的热量较少。对比之下， APP的添加可以显著提高复合材料的LOI值，尤其RPUF/APP40（APP的质量分数为40wt%）的LOI值可达31.4%，这是因为APP受热分解生成聚磷酸和氨气，反应吸收了体系中大量的热，且释放出的氨气传递到外界，稀释了空气中的氧气。此外，SEM图像显示，KL能够增强APP形成的膨胀炭层，原因是KL分解生成的Al2O3/SiO2可以填补炭层中细小的孔洞，使其变得致密无孔，从而提高了炭层的屏蔽隔绝能力。R. Yurtseven[11]将总量为10%的APP和三聚氰胺（MEL）按3：1、2：1和1：1的配比（依次标记为10%IFR 1、10%IFR 2和10%IFR 3）合成了阻燃RPUF。垂直燃烧实验数据表明，10%IFR 1表现出最佳阻燃性能，其残炭量最高，可达28.6%。与此同时，10%IFR 1分解最快速度对应的温度为341.7℃，较纯RPUF低13℃。然而，力学性能结果显示，两阻燃剂的加入导致了材料的压缩性能降低，尤其当APP：MEL=1：1时，材料的压缩强度为125.8kPa，较纯RPUF下降了16%。

APP作为添加型阻燃机的研究进展

3、总结与展望

高聚合度APP虽具有良好的阻燃性能和热稳定性，但仅仅添加APP单一阻燃剂并不能满足人们对阻燃材料的要求，因此，对APP的改性成为了研究焦点。改性不仅不会使得APP发生质的变化，而且能够提高其阻燃效能及力学性能。协同阻燃和微胶囊化处理是目前已经纯熟的改性技术手段，但还有一些利用表面活性剂改性APP和超细化APP等处理技术正如雨后春笋一般，这为阻燃技术的发展带来的新方向和新动力。参考文献

参考文献：

[1] B S H A ， C X Z A ， A F C ， et al. Flame-retardant system for rigid polyurethane foams based on diethyl bis（2-hydroxyethyl）aminomethylphos phonate and in-situ exfoliated clay[J]. Polymer Degradation and Stability， 177.

[2] 李聪，马文娟，巴智晨，谷一正，刘志明.羟甲基木质素磺酸钠/膨胀石墨/次磷酸铝阻燃聚氨酯泡沫的研究[J].生物质化学工程，2020，54（02）：1-5.

[3] 牛力，李旭，王佳楠，刘志明.AHP/碱木质素聚氨酯泡沫的阻燃性能[J].塑料，2020，49（01）：19-22.

[4] 张璟晨，邬素华，倪凯，康诗懿.阻燃聚醚多元醇的制备及对聚氨酯泡沫阻燃性能的影响[J].塑料科技，2019，47（10）：142-147.

[5] Czonka S ， Strkowska A ， Kairyt A ， et al. Nutmeg filler as a natural compound for the production of polyurethane composite foams with antibacterial and anti-aging properties[J]. Polymer Testing， 2020：106479.

[6] Zhao Q ， Chen C ， Fan R ， et al. Halogen-free flame-retardant rigid polyurethane foam with a nitrogen–phosphorus flame retardant[J]. Journal of Fire Sciences， 2017， 35（2）：99-117.