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水溶性聚氨酯阻燃的研究进展

2021-09-29 已有631人浏览 皖燃科技

聚氨酯按分散溶剂可分为溶剂型和水乳型(水性型)。由于溶剂中挥发性有机溶剂(甲苯,N,N二甲基甲酰胺)的含量较高,欧盟禁止采用溶剂型聚氨酯,水性聚氨酯(WPU)脱颖而出。

由于WPU常常应用在家居以及汽车行业,但是未经阻燃处理的WPU为易燃物。据官方数据统计,2020年全国共接报火灾25.2万起,死亡1183人,受伤775人,直接财产损失40.09亿元,这些火灾部分原因是由于聚氨酯本体燃烧引起的。因此对WPU进行阻燃处理十分必要。在 WPU阻燃产品中,常通过引入外添加阻燃组分(复合型)或WPU结构改性(本征型)两种方式来提高其阻燃性。

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本征型WPU阻燃剂

在WPU合成中,将阻燃性组分作为预聚体的单体、扩链剂或扩链后的反应物,以共价键形式结合到聚氨酯分子上形成本征型WPU阻燃树脂,也称为反应型阻燃WPU。由于通过反应获得具有阻燃能力的WPU阻燃树脂,外添加量少、稳定性、毒性相对可控性好。常见接入的阻燃组分是含磷、氮以及硅等元素组成的化合物。


含磷WPU阻燃剂

含磷WPU阻燃剂较含卤素类的WPU阻燃剂来说,更加环保、低烟、无毒且不产生二次污染,但合成工艺较为复杂。WPU阻燃树脂中中含有羧基、羟基以及氨基等活性基团,与聚氨酯预聚体发生反应,从而使其阻燃持久性好,其在燃烧时主要通过酸催化下形成致密的炭层保护膜,抑制火焰蔓延,达到保护材料内部隔绝火焰。


含氮WPU阻燃剂

三聚氰胺及其盐类阻燃组分以无毒、无害、生烟量低及热稳定性高等优点,被广泛使用,三聚氰胺以及三聚氰胺盐类化合物燃烧时,伴随着升华、挥发、蒸发等吸热反应,且在分解中产生氮气、水蒸汽以及二氧化碳等不可燃气体产生,这些不可燃气体降低该环境中的氧气浓度,提高阻燃性。虽然三聚氰胺的毒性小、生烟低且热稳定好,然而单独的三聚氰胺及其盐类阻燃剂的阻燃效果并不突出,所以常作为膨胀型阻燃剂的气源。


含硅WPU阻燃剂

除了含磷本征型WPU阻燃剂,也常采用含硅以及氮的基团组分参与WPU树脂改性制备阻燃剂。该类阻燃剂具有无卤、低毒、阻燃效果优异等等优点。其中氮系阻燃剂对光和热稳定,抗紫外光能力强且不产生二次污染;硅系阻燃剂高效、无污染,防滴落且对WPU的物理机械性能影响小。


复合型WPU阻燃树脂

复合型WPU阻燃剂来自在WPU中添加有机阻燃成分或无机阻燃成分。在复合型阻燃WPU的加工过程中,添加的阻燃成分与原WPU不发生反应,从而提高复合WPU阻燃剂的阻燃性能。复合WPU阻燃剂涂层相对的分散性与相容性较差,添加量最高达到总用量的30%左右。涂层不透明且会降低 WPU的稳定性。

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无机复合WPU阻燃剂

无机阻燃组分主要有金属水合物、红磷、硼类化合物、锑类化合物等。通过高温溶液中加入超微无机金属氧化物改性处理而成的WPU阻燃剂。由于无机阻燃组分的环保、热稳定性优异、不易挥发、效果持久、以及成本较低等优点,在欧洲、美国、日本等国家或地区被广泛使用,占所有70%~80%的使用量。


无机纳米材料WPU阻燃剂

纳米材料阻燃组分相比较于其它类型的阻燃组分最大的优点是:仅需添加极少量的纳米材料就可显著提高阻燃剂的阻燃性能。纳米材料阻燃组分改性的WPU阻燃剂,在燃烧过程中,会在表面生成致密且均匀的保护层——含有纳米机构的无机炭层,为聚合物提供良好的隔热屏障。

WPU的成膜性能优异,但是如何提高阻燃性还是其中的难点。在阻燃剂燃烧过程中,气源会产生含水及碳的小分子化合物,在热量作用下,产生烟雾;而且在WPU燃烧过程中,会产生熔滴现象,所以耐熔滴和低烟雾是阻燃研究的主要方向。