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水溶性聚氨酯阻燃的研究進展

2021-09-29 已有120人瀏覽 皖燃科技

聚氨酯按分散溶劑可分為溶劑型和水乳型(水性型)。由于溶劑中揮發性有機溶劑(甲苯,N,N二甲基甲酰胺)的含量較高,歐盟禁止采用溶劑型聚氨酯,水性聚氨酯(WPU)脫穎而出。

由于WPU常常應用在家居以及汽車行業,但是未經阻燃處理的WPU為易燃物。據官方數據統計,2020年全國共接報火災25.2萬起,死亡1183人,受傷775人,直接財產損失40.09億元,這些火災部分原因是由于聚氨酯本體燃燒引起的。因此對WPU進行阻燃處理十分必要。在 WPU阻燃產品中,常通過引入外添加阻燃組分(復合型)或WPU結構改性(本征型)兩種方式來提高其阻燃性。

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本征型WPU阻燃劑

在WPU合成中,將阻燃性組分作為預聚體的單體、擴鏈劑或擴鏈后的反應物,以共價鍵形式結合到聚氨酯分子上形成本征型WPU阻燃樹脂,也稱為反應型阻燃WPU。由于通過反應獲得具有阻燃能力的WPU阻燃樹脂,外添加量少、穩定性、毒性相對可控性好。常見接入的阻燃組分是含磷、氮以及硅等元素組成的化合物。


含磷WPU阻燃劑

含磷WPU阻燃劑較含鹵素類的WPU阻燃劑來說,更加環保、低煙、無毒且不產生二次污染,但合成工藝較為復雜。WPU阻燃樹脂中中含有羧基、羥基以及氨基等活性基團,與聚氨酯預聚體發生反應,從而使其阻燃持久性好,其在燃燒時主要通過酸催化下形成致密的炭層保護膜,抑制火焰蔓延,達到保護材料內部隔絕火焰。


含氮WPU阻燃劑

三聚氰胺及其鹽類阻燃組分以無毒、無害、生煙量低及熱穩定性高等優點,被廣泛使用,三聚氰胺以及三聚氰胺鹽類化合物燃燒時,伴隨著升華、揮發、蒸發等吸熱反應,且在分解中產生氮氣、水蒸汽以及二氧化碳等不可燃氣體產生,這些不可燃氣體降低該環境中的氧氣濃度,提高阻燃性。雖然三聚氰胺的毒性小、生煙低且熱穩定好,然而單獨的三聚氰胺及其鹽類阻燃劑的阻燃效果并不突出,所以常作為膨脹型阻燃劑的氣源。


含硅WPU阻燃劑

除了含磷本征型WPU阻燃劑,也常采用含硅以及氮的基團組分參與WPU樹脂改性制備阻燃劑。該類阻燃劑具有無鹵、低毒、阻燃效果優異等等優點。其中氮系阻燃劑對光和熱穩定,抗紫外光能力強且不產生二次污染;硅系阻燃劑高效、無污染,防滴落且對WPU的物理機械性能影響小。


復合型WPU阻燃樹脂

復合型WPU阻燃劑來自在WPU中添加有機阻燃成分或無機阻燃成分。在復合型阻燃WPU的加工過程中,添加的阻燃成分與原WPU不發生反應,從而提高復合WPU阻燃劑的阻燃性能。復合WPU阻燃劑涂層相對的分散性與相容性較差,添加量最高達到總用量的30%左右。涂層不透明且會降低 WPU的穩定性。

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無機復合WPU阻燃劑

無機阻燃組分主要有金屬水合物、紅磷、硼類化合物、銻類化合物等。通過高溫溶液中加入超微無機金屬氧化物改性處理而成的WPU阻燃劑。由于無機阻燃組分的環保、熱穩定性優異、不易揮發、效果持久、以及成本較低等優點,在歐洲、美國、日本等國家或地區被廣泛使用,占所有70%~80%的使用量。


無機納米材料WPU阻燃劑

納米材料阻燃組分相比較于其它類型的阻燃組分最大的優點是:僅需添加極少量的納米材料就可顯著提高阻燃劑的阻燃性能。納米材料阻燃組分改性的WPU阻燃劑,在燃燒過程中,會在表面生成致密且均勻的保護層——含有納米機構的無機炭層,為聚合物提供良好的隔熱屏障。

WPU的成膜性能優異,但是如何提高阻燃性還是其中的難點。在阻燃劑燃燒過程中,氣源會產生含水及碳的小分子化合物,在熱量作用下,產生煙霧;而且在WPU燃燒過程中,會產生熔滴現象,所以耐熔滴和低煙霧是阻燃研究的主要方向。


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