可膨胀石墨/聚氨酯弹性体复合材料的制备及性能研究

2018-03-18倪波

山东化工 2018年14期

倪波

(太原工业学院材料工程系，山西太原 030008)

聚氨酯是一种综合性能比较优异的高分子材料，已成为世界第六大合成材料，可用于制造塑料、橡胶、涂料、泡沫、弹性体、纤维、胶黏剂等，并广泛运用于建筑行业、医疗卫生、石油化工、交通运输、航空航天等方方面面[1]。

K.Kulesza等[2]利用NaH2PO4/NaHSO4阻燃体系对RPUF进行了改性研究，当复合阻燃剂在材料表面燃烧形成致密的碳层，可阻止了进一步燃烧，促进了其复合材料的热稳定性。罗振扬等[3]采用全磷阻燃剂、卤代磷酸酯阻燃剂以及二者复配对RPUF进行阻燃改性，测试结果证明，全磷阻燃剂的阻燃效果比卤代磷酸酯类阻燃效果更好，而磷卤配合阻燃效果优于单一阻燃剂。

本文采用可膨胀石墨(EG)对聚氨酯弹性体进行了阻燃改性，研究了可膨胀石墨/聚氨酯弹性体复合材料的极限氧指数、热稳定性、力学性能等与可膨胀石墨含量之间的依赖关系。

1 实验部分

1.1 实验原料

二苯基甲烷二异氰酸(MDI)，工业级，烟台万华聚氨酯有限公司；聚醚多元醇(PPG)，工业级，烟台华大化学有限公司；可膨胀石墨，50目、80目、100目，青岛岩海碳材料有限公司；3,3-二氯-4，4二胺基二苯甲烷(MOCA)，市售。

1.2 可膨胀石墨/聚氨酯弹性体(EG/PUE)复合材料的制备

PPG真空脱水后与一定量的MDI，80℃搅拌1h后得到预聚体；称取一定量的MOCA，混合后120℃模压成型。开模后100℃后固化16h，静置一周。待测试。

1.3 性能表征

1.3.1 热重分析

使用高铁AI7000M型拉力试验机，按照GB/T528-2009测试材料的拉伸强度。

1.3.2 热重分析(TGA)

采用北京恒久HCT-3型热重分析仪测试，升温速率10℃/min，升温区间为30～800℃，空气气氛下。

1.3.3 极限氧指数(LOI)

本文采用XZT-100型氧指数测定仪，根据GB/T2406.2-2009测试。

2 结果讨论

2.1 燃烧性能测试

EG/PUE复合材料极限氧指数见表1。

表1 EG/PUE复合材料极限氧指数

可膨胀石墨(EG)可有效改善聚氨酯弹性体(PUE)的阻燃性能，随其添加量的提高，LOI逐渐升高。另外，EG粒径与复合材料的阻燃性之间存在有一定的线性关系，50目EG阻燃效果要远优于80目和100目的EG。在50目的EG添加量为15%时，其极限氧指数达到27.0。EG的阻燃机理是石墨碳层中插有硫酸基团，其受热之后产生SO2气体而使之膨胀生成碳渣附着在材料表面，与此同时隔绝空气，从而使之达到阻燃效果，大粒径EG的膨胀倍率较大，因此可以形成较厚的碳层，实现较好的阻燃效果。

2.2 热重分析

根据极限氧指数的实验结果，选取阻燃性能最优的50目EG/PUE进行热重分析。

图1 EG/PUE复合材料TGA曲线

表2 EG/PUE复合材料TGA数据

由图1、表2可以看出PUE的热分解分为明显的两个阶段，第一阶段为硬段部分分解，第二阶段为软段部分分解。随着EG添加量的增加，起始分解温度逐渐提升，软段的降解速率也有所缓解，EG的膨胀温度大约在1000℃左右，在膨胀之前由于EG具有隔热的作用，阻隔了热量在体系中的传递，提高了体系的热稳定性。

EG的加入能够显著的影响EG/PUE材料的力学性能，随着可膨胀石墨添加量的增大，使得EG/PUE复合材料的拉伸强度减小；随着EG粒径减小，使得EG/PUE复合材料的拉伸强度增大，见图2。这是因为，加入的EG粒径太大，其在基体中界面结合力较差，并没有很好的分散在基体中。而100目的EG，在其添加量超过10%时，复合材料的拉伸强度增大，这是因为100目的EG在基体中形成插层化合物，并均匀的分散于基体中，在含量较低时，其强度弥补了材料损失的塑性，而在含量超过10%时，能够开始起到增强的效果。