水性聚氨酯改进阻燃剂的性能研究进展

（陕西国防工业职业技术学院， 陕西 西安 710000）

水性聚氨酯改进阻燃剂的性能研究进展

孟 龙，孙宾宾

（陕西国防工业职业技术学院， 陕西 西安 710000）

无卤阻燃剂中磷酸酯类化合物的研究一直是当前的研究热点，文中着重对水性聚氨酯改性提高阻燃性能的研究进行讨论，设计分析了通过FRC-6合成水性聚氨酯实现阻燃剂的性能改进，采用FRC-6替代其他小分子二醇扩链剂，可以实现合成大量的稳定的有机磷阻燃改性的水性聚氨酯；P含量的增加会降低热释放量，提高阻燃性能。这一研究对于无卤阻燃剂的改进应用具有一定的借鉴价值。

无卤阻燃剂；水性聚氨酯；阻燃性能；释放量

水性聚氨酯又被称之为水分散聚氨酯或水系（基）聚氨酯，它是一种新型聚氨酯体系，其分散介质非有机溶剂，而是水；由于其溶剂是水，故具备一系列的优点，如：环保、安全、易相容、易改性等。水性聚氨酯在涂料、织物处理剂、纸张或纤维表面处理剂中使用的比较多。虽然以上介绍了许多关于水性聚氨酯的优点，但依然还是存在着很多的缺点，如：在耐水与耐溶剂方面性能较差、较软、外观较暗沉等，正因水性聚氨酯存在这些不足，因此，研究人员一般需要针对这些缺点进行相应的改进，目前，使用的比较多的改性方法有以下几种：丙烯酸酯改性、有机硅改性、环氧树脂改性、纳米材料改性以及复合改性等[1-3]。本文基于这样背景，在基于水性聚氨酯改性的研究基础上，对其改进阻燃性能进行了分析，这一研究对于无卤阻燃剂的改性应用具有一定的借鉴价值。

1 水性聚氨酯的改性

之所以要对水性聚氨酯进行改性，主要是为了使其在耐水、耐溶剂以及耐化学品方面的性能得到提升，而改性可采取的方式有：接枝或嵌接其他聚合物、添加交联剂、通过混合形成互穿聚合物网络等。接下来对改性设计进行特点分析。

1.1 丙烯酸酯改性分析

水性聚氨酯（WPU）是一种绿色材料，它在物理机械与耐寒方面的性能非常好，但同样也存在着一些不足，如：较低的固含量、在耐水与耐候方面的性能较差、暗沉等，其应用范围具有一定的局限性。但是丙烯酸酯类乳液则正好弥补了这些不足，无论是在耐水与耐老化方面，还是在色泽与物理机械方面的性能都非常好，采取丙烯酸酯对水性聚氨酯进行改性可将聚氨酯与丙烯酸酯树脂两者的优良性能结合在一起，以生成经济、满足使用要求的水性树脂[4,5]。研究人员用丙烯酸酯改性水性聚氨酯制备了具有核壳结构的水性聚氨酯-丙烯酸酯(WPUA)复合乳液，得到的WPUA复合乳液及其胶膜综合性能较好。还有以聚酯和甲苯-2,4-二异氰酸酯（TDI）等为主要原料，丙烯酸酯作为改性剂，通过对改性反应温度的时间、DMPA用量、R值、改性剂加入量和引发剂加入量等的控制，得到外观和性能优良的改性水性聚氨酯乳液[6-8]。

1.2 环氧树脂改性

环氧树脂（EP）改性水性聚氨酯（WPU）主要有化学共聚法与形成互穿网络聚合物（IPN）这两种方法，前者主要是通过环氧树脂上的环氧基和仲羟基与聚氨酯发生的共聚反应生成预聚体，接着在水中发生乳化作用，最终生成水性的环氧树脂改性聚氨酯乳液；后者则是第一步合成聚氨酯预聚体，接着在预聚体中均匀的加入适量的环氧树脂，再将混有环氧树脂的预聚体加入到水中，发生乳化作用后而得到稳定的乳液，其稳定性与所加的环氧树脂含量成反比。研究人员采用双环氧化脂环类化合物( UVR－6105) 改性含羧酸的聚丙烯酸酯乳液，通过加热固化( 403 K) 提高聚丙烯酸酯乳液的交联度和涂膜性能，提高了PUD性能，为推广应用提供理论依据。有人用环氧丙醇及MDI 合成环氧聚氨酯弹性体，得到的弹性体表现出优异的降解率和良好的机械性能[9,10]。

1.3 纳米材料改性

纳米改性水性聚氨酯（WPU）主要有溶胶-凝胶、共混、插层聚合以及原位聚合四种方法。第一种方法是硅烷基化合物发生水解反应得到溶胶，经过水解的化合物与聚合物发生缩聚反应得到凝胶，这种方法具有温和反应以及均匀分散等优点，不足的是需要加入许多硅酸烷基醋，该物质除了成本高之外，还有一定的毒性，另外，还会加大纳米材料的脆性。第二种方法是通过机械混合在聚氨酯中加入纳米粒子，其优点在于工艺简单且成本较低，但因为纳米粒子非常容易聚合在一起，故聚氨酯中的纳米粒子不容易分散。通过改变纳米粒子表面的性能或采取良好的工艺条件可使纳米粒子在基料中稳定分散，从而制成良好的纳米涂料。研究人员通过物理共混和化学聚合方法分别制备纳米SiO2改性的WPU，其得到的物质具有更好的耐高温性和耐水性。还有研究人员利用多壁碳纳米管改性WPU，得到的添加多壁碳纳米管的WPU拉伸性能改善非常明显，碳纳米管能够提高乳液黏度，降低加工黏度变化[11-14]。

2 阻燃水性聚氨酯的改性

近年来，全世界都开始关注环保、安全以及健康，各国都在积极研究与开发环保型阻燃剂，目的就是为了研究出低污染与低毒的环保型阻燃剂。在国内外，聚氨酯泡沫材料的阻燃技术在近几年的发展非常快，然而水性聚氨酯阻燃化相关方面的研究却并不多，根据相应的划分标准可将阻燃水性聚氨酯划分为两种类型，即共混复配型与反应型。共混复配型阻燃剂采取的是物理搅拌方式，在水性聚氨酯中分散；而反应型阻燃剂则是作为基本原料与水性聚氨酯共同产生合成反应，从而作为其分子链的分支之一。在研究共混复配型水性聚氨酯的过程中，相关人员通过无毒害且低成本的无机粒子硅酸盐与水性聚氨酯发生复合反应，从而生成一种水性聚氨酯／硅酸盐复合分散体，这在很大程度上提高了其阻燃性能，而且粘接强度与力学强度也有了明显的提升。还有人采用纳米硅来改变水性聚氨酯的热稳定性，采取有机/无机杂化制备方法得到水性聚氨酯／纳米硅复合乳液，改性后的聚氨酯胶膜力学性能和耐水性也显著提高。在反应型阻燃水性聚氨酯的研究方面，研究人员以含磷聚酯多元醇作为原料合成了阻燃性能优异的水性聚氨酯；还有人将设计合成的含磷交联剂引入到水性聚氨酯中，得到阻燃性能有了很大提高的阻燃水性聚氨酯。上述的研究使得水性聚氨酯的阻燃性能的改性研究成为了当前的发展趋势。

3 FRC-6改性的水性聚氨酯阻燃性研究

3.1 FRC-6实现改性设计

由于FRC-6中存在的磷元素链接到了水性聚氨酯的分子链上，其是磷酸酯类增塑剂，具有使成膜后的聚氨酯膜变软的性质，因而采用含硅扩链剂N-(2-氨乙基)、氨丙基甲基二甲氧基硅烷KH-602进行扩链，来增加成膜的硬度，最后合成特殊的水性聚氨酯分散体，即存在本质阻燃、稳定性好的特点。

3.2 FRC-6改性后微型燃烧量热阻燃研究

材料的燃烧性质直接影响热量的产生，决定了火势增强的程度。根据HRR、PHRR、THR的参数变化来估测不同P含量的条件下预聚体的PU胶膜的燃烧性。相对于没有改性的PU胶膜，有机P阻燃改性的PU胶膜的HRR和THR要低得多。P含量影响着PU胶膜的PHRR。上述原因是在C-P键断裂后生成的聚偏磷酸作为一种强酸，脱水能力强、夺氧能力强，加快了聚合物脱水炭化产生炭化层(P元素的催化成炭作用)的速率，可燃性气体随之减少，有效降低了燃烧能力，释放的总热量和热释放速率也相对下降。

4 结 语

当前水性聚氨酯改进阻燃剂性能的研究已经成为了研究热点，文中在对这一领域研究现状进行叙述后，讨论了采用FRC-6替代其他小分子二醇扩链剂，实现合成大量的稳定的有机磷阻燃改性的水性聚氨酯。

如果P含量保持在一定范围内，那么P含量在预聚体中质量分数的增加同时还会影响PU的热释放速率，即降低热释放量，提高阻燃性能等。

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浙江力普粉碎、收集成套生产线获国家专利

热敏性物质粉碎过程粉体团聚难题破解

一种能有效防止可可豆在粉碎过程中因为温度过高而导致熔化、粘结的难题，既提高可可粉的得率，又提升可可粉的质量——粉碎、收集成套生产线，日前，由中国粉碎技术领航者浙江力普粉碎设备有限公司研发成功，并获得国家专利（专利号：ZL 201220705939.4）。

可可粉是一种热敏性物质，当温度高于36℃后会熔化和结块。当用可可豆生产可可粉时，一般都用粉碎机来粉碎可可豆。经粉碎成一定的粒度，筛分后即得到可可粉。在粉碎的过程中，由于粉碎机中粉碎总成的高速旋转，势必会产生大量的热量，由此而导致部分可可粉结块和粘结，导致产品的质量和得率下降。

为破解这一课题，浙江力普进行了技术创新，在粉碎机上设置出料口和进风口，粉碎机连接螺旋输送机，螺旋输送机通过第一关风机连接料斗，粉碎机的出料口连接第一冷凝管，第一冷凝管连接集料器的进风口，集料器的出风口通过第二阀门连接离心风机的进风口，离心风机的出风口依次连接第一阀门及第二冷凝管，第二冷凝管连接粉碎机的进风口。

如今，浙江力普生产的粉碎、收集成套生产线不仅用于可可粉的加工，还广泛用在其他热敏性食品的精深加工，深受国内外客商的青睐。

浙江力普联系热线：0575-83151666、83152666、83153666、13806745288

公司网站：www.zjleap.com； E-mail:zjleap@163. com

Research Progress in Performance of Waterborne Polyurethane Modified Flame Retardant

MENG Long , SUN Bin-bin
（Shaanxi Vocational and Technical College of National Defense Industry , Shaanxi Xi'an 710000，China）

Research on phosphate ester compounds in halogen-free flame retardants has been a current focus. In this paper, study on modification of waterborne polyurethane to improve its flame retardancy was discussed. Waterborne polyurethane flame retardant was synthesized by using FRC-6 to replace other small molecule diol chain extenders. It’s pointed out that increasing P content can decrease heat release to improve flame retardant performance.

Halogen-free flame retardant; Waterborne polyurethane; Flame retardant; Emission

TM 215.43

： A

：1671-0460（2014）04-0603-02

2013-12-24

孟龙（1977-），男，陕西户县人，硕士学位，讲师，主要研究方向：高分子材料、化工设备、石油化工生产。