建筑用膨胀石墨阻燃聚氨酯泡沫材料的制备及性能

费月英

(甘肃交通职业技术学院，兰州 730070)

聚氨酯是一种用途极为广泛的工程塑料，可以用作建筑保温层、座椅内衬、弹性体、涂料、粘合剂等[1-5]。其中，硬质聚氨酯泡沫塑料具有较低的热导率，是一种极好的保温材料，因此常用作建筑的保温层[6-7]。

然而，硬质聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能不理想，极限氧指数(LOI)仅为19%，属于一种易燃材料。若用于建筑物中，其安全性不能得到有效保障，因此对硬质聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能进行改善是十分必要的。近年来，国内外研究学者对硬质聚氨酯泡沫塑料的阻燃改性进行了大量的研究，包括利用阻燃剂制备添加型阻燃聚氨酯，以及利用含有阻燃元素的多元醇制备反应型阻燃聚氨酯材料。其中，添加型阻燃聚氨酯中的阻燃剂主要有无机阻燃剂、有机阻燃以及有机-无机复合型阻燃剂[8-15]。例如，张小博等[8]利用水滑石和钴沸石作为阻燃剂，添加到了硬质聚氨酯泡沫塑料中，成功对其阻燃性能进行了改善。其中，当水滑石和钴沸石的质量分数分别为16%和14%时，相应聚氨酯泡沫塑料的LOI可提高至41.4%。王泽等[13]分别利用甲基膦酸二甲酯与膨胀石墨复配，制备了有机无机复配型阻燃剂，并将其用于聚氨酯的阻燃改性。当甲基膦酸二甲酯的质量分数为10%，膨胀石墨质量分数为8%时，所制备的硬质聚氨酯泡沫塑料的LOI 最高为30.6%。

大量研究表明，在聚氨酯基体中添加阻燃剂后，能够有效地提高聚氨酯的LOI，甚至能改善其热稳定性，降低其热释放速率峰值等。笔者以可膨胀石墨为阻燃剂，添加到聚氨酯泡沫塑料中，并对其阻燃性能、导热性能和力学性能进行了详细的研究。

1 实验部分

1.1 原材料

聚 醚 多 元 醇：DSU-4110 羟 值(450±10) mg KOH／g，河北梓勋化工有限公司；

多亚甲基多苯基多异氰酸酯(PAPI)：PM-200，烟台万华化学集团股份有限公司；

正戊烷：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

泡沫稳定剂：AK88064，南京美思德化工有限公司；

N，N-二甲基环己胺：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

可膨胀石墨：粒径0.18 mm，含水量小于1%，青岛富瑞特石墨有限公司。

1.2 仪器及设备

热重(TG)分析仪：Q50 型，美国TA 仪器公司；

瞬态快速热线法导热系数测试仪：KDRX-II型，湘潭湘仪仪器有限公司；

万能试验机：CMT4204 型，深圳市新三思材料检测有限公司；

水平垂直燃烧试验仪：JL-A002 型，东莞市杰力自动化设备有限公司。

1.3 阻燃聚氨酯泡沫塑料的制备

阻燃聚氨酯泡沫塑料按照表1 中的配方进行制备。将不同配比的原料加入到烧杯中，快速搅拌10 s，然后倒入尺寸为50 mm×50 mm×10 mm的模具中，放入80℃烘箱中固化4 h，然后再升温至120℃熟化4 h。

表1 硬质聚氨酯泡沫塑料配料 质量份

1.4 性能测试与表征

热释放速率峰值按照GB／T 16172-2007 测试；

热稳定性测试：聚氨酯泡沫塑料的TG 曲线由TG 分析仪测得，测试环境为氮气，升温速率为20℃／min；

热导率按照GB／T 3399-1982 测试；

压缩强度按照GB／T 1041-2008 测试；

聚氨酯的密度利用排水法测试；

火灾指数为点燃时间和热释放速率峰值的比值，火灾指数越低，危险性越高；

火灾蔓延指数为热释放速率峰值和达到热释放速率峰值时间的比值，该比值越大，危险性越高。

2 结果与讨论

2.1 聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能

首先对聚氨酯燃烧时的热释放速率峰值进行了测试，实验结果见表2。对于未添加可膨胀石墨的硬质聚氨酯泡沫塑料，其热释放速率峰值高达2 410 kW／m2；而在聚氨酯泡沫塑料中添加了可膨胀石墨后，相应聚氨酯泡沫塑料的热释放速率峰值得到了大幅降低。当仅在聚氨酯泡沫塑料中添加了5 质量份的可膨胀石墨后，便可以将聚氨酯泡沫塑料的热释放速率峰值降低至376 kW／m2；当聚氨酯泡沫塑料中可膨胀石墨含量提高至20 质量份后，相应硬质聚氨酯泡沫塑料的热释放速率峰值可降低至100 kW／m2以下，仅为98 kW／m2。这主要是由于加入可膨胀石墨后，聚氨酯泡沫塑料燃烧时，其表面会形成致密的炭层，阻碍热量释放。

聚氨酯泡沫塑料的火灾指数和火灾蔓延指数是评价材料安全性能的重要指标。聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能见表2。由表2 可见，添加可膨胀石墨的聚氨酯泡沫塑料的火灾指数为0.052，火灾蔓延指数为10.12；当添加了5 质量份的可膨胀石墨后，相应聚氨酯泡沫塑料的火灾指数为0.1137，火灾蔓延指数降低至4.045；继续提高可膨胀石墨含量至20质量份后，相应聚氨酯泡沫塑料的火灾指数和火灾蔓延指数分别改善至0.420 和1.273。这也说明了可膨胀石墨的加入有效提高了聚氨酯泡沫塑料的防火阻燃安全性能。

表2 硬质聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能

另外，材料的LOI 是评价材料阻燃性能最直接的指标。未添加阻燃剂的硬质聚氨酯泡沫塑料的LOI 为19.1%，为可燃材料；而仅添加了5 质量份的可膨胀石墨后，相应聚氨酯的LOI 便提高至24.2%；当可膨胀石墨添加量为20 质量份时，相应聚氨酯泡沫塑料的LOI 可提高至30.1%，为难燃材料。以上研究结果说明，在聚氨酯泡沫塑料中添加了可膨胀石墨后，材料受热时会在其表面形成致密的炭层，阻碍热量释放，防止燃烧的进一步发生，可有效提高材料的LOI 和阻燃性能。

2.2 聚氨酯泡沫塑料的热稳定性

除了聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能，可膨胀石墨的加入对聚氨酯泡沫塑料的热稳定性也产生了较为显著的影响。图1 为硬质聚氨酯泡沫塑料TG 曲线。未添加阻燃剂的硬质聚氨酯泡沫塑料的初始降解温度为336℃；热失重为50%时的温度为410℃；温度为600℃时，材料的质量保持率为9.8%；而仅添加了5 质量份的可膨胀石墨后，相应聚氨酯的初始降解温度为345℃；热失重为50%时的温度为440℃；温度为600℃时，材料的残炭率为15.1%；当可膨胀石墨添加量为20 质量份时，相应聚氨酯泡沫塑料的初始降解温度为362℃；热失重50%时的温度为442℃；温度为600℃时，材料的质量保持率为29.8%。以上实验结果表明，可膨胀石墨的加入能够有效地提高聚氨酯泡沫塑料的热稳定性。

图1 硬质聚氨酯泡沫塑料TG 曲线

2.3 聚氨酯泡沫塑料的物理力学性能

作为建筑墙体保温材料，聚氨酯泡沫塑料的物理力学性能也是不容忽视的性能指标，因此在对其阻燃性能进行改性时，也需要对其物理力学性能进行研究。笔者对所制备的聚氨酯泡沫塑料的密度和压缩强度进行了测试，实验结果见表3。

当在聚氨酯泡沫塑料中添加了可膨胀石墨后，相应聚氨酯泡沫塑料的密度有所增加，其中添加了20 质量份可膨胀石墨的聚氨酯泡沫塑料的密度提高至49.0 kg／m3。相对于所有添加了可膨胀石墨的聚氨酯泡沫塑料来说，5#样品的密度并未明显高于4#样品。另外，加入了可膨胀石墨后，相应聚氨酯泡沫塑料的压缩强度出现较为明显的提升，并出现了先升高后降低的变化趋势，其中添加了15 质量份和20 质量份的可膨胀石墨的聚氨酯泡沫塑料的压缩强度较高，分别为0.19 MPa 和0.18 MPa。

表3 硬质聚氨酯泡沫塑料的物理力学性能

2.4 聚氨酯泡沫塑料的导热性能

硬质聚氨酯泡沫塑料之所以可作为建筑的保温层，是因为其热导率较低，因此对其阻燃性能进行改善的同时，必须要保证其热导率不出现明显升高。笔者对所制备的阻燃聚氨酯的热导率进行了测试，实验结果如图2 所示。

图2 硬质聚氨酯泡沫塑料的热导率

当在聚氨酯泡沫塑料基体中加入可膨胀石墨后，由于可膨胀石墨的导热性及对泡孔的破坏，相应聚氨酯泡沫塑料的热导率出现上升。即使是对于加入了20 质量份的可膨胀石墨的聚氨酯泡沫塑料，其热导率依然处于较低的水平，仅为0.027 W／(m·K)，依然是较为优异的保温隔热材料。结果表明，在聚氨酯泡沫塑料基体中添加可膨胀石墨后，聚氨酯的阻燃性能和热稳定性可得到有效改善，压缩强度能得到一定程度提升，而隔热保温性能也能够得到有效的保障。

3 结论

以可膨胀石墨为阻燃剂，制备了一系列的阻燃聚氨酯泡沫塑料。实验结果表明，在聚氨酯泡沫塑料基体中添加了可膨胀石墨后，聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能、热稳定性和压缩强度均得到了一定程度的改善；虽然聚氨酯泡沫塑料的密度和热导率出现升高，但依然控制在较低的范围内。当聚氨酯泡沫塑料中添加了20 质量份的可膨胀石墨后，相应聚氨酯泡沫塑料的LOI 可提高至30.1%，热释放速率峰值降低至98 kW／m2，火灾指数和火灾蔓延指数分别改善至0.420 和1.273，初始热分解温度提高至362℃，质量保持率提高至29.8%。另外，其力学性能和导热性能也得到了有效的保障，压缩强度为0.18 MPa，密度为49.0 kg／m3，热导率为0.027 W／(m·K)。