建筑保温用膨胀石墨改性聚氨酯复合材料性能表征

王述超

摘      要： 运用膨胀石墨（EG）来实现对聚氨酯材料的改性，分析了EG对聚氨酯热重、阻燃与力学特性所产生的影响。研究结果表明：当EG加入量增大后，试样的热稳定性也明显获得提升。当EG添加量持续上升后，试样的极限氧指数（LOI）也明显升高，当EG含量超过13.8%时试样属于难燃材料。EG除了能够改善聚氨酯阻燃性以外还会明显降低压缩性。聚氨酯变形尺寸在1.6 mm以内时剪切强度表现为先缓慢增大，之后快速升高并到达一个峰值。采用玻璃纤维（GF）与EG进行改性使质量保持率略微升高。

关  键  词：膨胀石墨;聚氨酯;保温材料;性能表征

中图分类号：TQ 327      文献标识码： A      文章编号： 1671-0460（2019）09-2028-04

Abstract： Polyurethane materials were modified by using expanded graphite （EG）， and the effect of EG on thermogravimetry， flame retardancy and mechanical properties of polyurethane was analyzed. The results showed that the thermal stability of the sample was significantly improved with the increase of EG.When the amount of added EG continued to rise， the LOI value of the sample also increased significantly， and when the amount of EG exceeded 13.8%， the sample belonged to the refractory material. EG can not only improve the flame retardancy of polyurethane， but also significantly reduce the compressibility. When the deformation size of polyurethane was within 1.6 mm， the shear strength first slowly increased， then rapidly increased and reached a peak value. The synergistic modification of GF and EG made mass retention rate slightly increase.

Key words： Expanded graphite; Polyurethane; Insulation material; Performance characterization

聚氨酯是一种具备优异隔热性能以及耐冲击与耐老化的高分子材料，目前已被作为重要的工程保温材料在建筑等领域获得大量应用[1-5]。但是，考虑到聚氨酯的极限氧指数较低，在空气中受到高温作用容易燃烧，并且还会在燃烧期间分解产生有毒气体，对人们生命健康造成严重危害。其中，以聚氨酯作为保温材料的一些工厂设施经常发生火灾表明其缺乏良好的阻燃性，不利于进一步推广应用[6-10]。

为了进一步改善聚氨酯在实际应用过程中的安全性，大部分学者主要从提升聚氨酯阻燃性角度考虑来开展各项研究工作[11]。其中，添加阻燃剂已经成为提高聚氨酯阻燃性能的一种最常规方法。这类阻燃剂基本都是包含磷、溴、氯等元素的有机物，随着当前对环保材料综合性能指标的不断提升，上述各类传统阻燃剂已无法有效满足高温阻燃要求，这为开发更优性能的无机阻燃剂创造了有利条件。现阶段，膨润土以及镁、铝等元素的氢氧化物已被大量应用到了聚氨酯改性领域[12]。马骉等[13]研究了在半硬泡沫聚氨酯中加入膨胀石墨（EG）后引起的材料力学性能、热稳定性与燃烧性能改变情况。因为采用EG来改善聚氨酯阻燃性的时候，也会引起材料力学强度的明显下降，所以很多学者都对添加了EG的聚氨酯进行了力学性能分析。其中，玻璃纤维（GF）是一种提高树脂基体强度的重要增强体，已被广泛应用于许多领域。刘波[14]采用填充改性方法在聚氨酯中加入GF来发挥增强作用，通过测试发现GF可以显著提高聚合物的力学强度并获得更高的弹性模量。

本文根据之前文献研究成果[15-19]，综合运用EG与GF来实现对聚氨酯材料的改性，同时分析了这两种成分对聚氨酯热重、阻燃与力学特性所产生的影响，最终获得具有优异综合性能的聚氨酯复合材料。

1  实验部分

1.1  原材料

EG， 牌号896， 青岛岩海碳材料有限公司;GF，直径10 μm， 廊坊康诚密封材料有限公司; Polycat12催化剂， 新典化学材料（上海）有限公司; HFC365发泡剂，北京森昌泰和科技有限责任公司;TMN多元醇，广州文龙化工有限公司。

1.2  仪器及设备

TG分析仪，ZCT-A，西安泰戈分析仪器有限责任公司;LOI测试仪，HC-2，北京金恒祥仪器有限公司;万能力学试验机，TAW2000， 济南舜茂万能摩擦磨损试验机;压缩剪切性能测试仪，CHT4000，济南五星测试仪器有限公司。

1.3  样品制备

利用一步发泡法来制备得到无机填料改性的聚氨酯复合材料，表1提供了各配方的加入量。具体制备过程为：第一步，先在常温状态下将聚醚多元醇、GF、EG、发泡剂和催化剂搅拌混合均匀，得到的混合物。第二步，将上述混合物和多异氰酸酯按照体积比1：1进行混合并搅拌处理1 min，之后固化，获得由GF和EG共同发挥改性作用的聚氨酯保温材料。选择单纯聚氨酯材料作为参照物，将其表示为P0，将EG改性的聚氨酯表示为EG1～EG3，將EG和GF共同改性的聚氨酯表示为EGF1～EGF3。制备后的样品见图1所示。

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