蒙脱土/聚氨酯复合材料的制备与阻燃性能的研究*

2020-04-18王启强

广州化工 2020年6期

杨娟,王启强

（绵阳职业技术学院，四川绵阳 621000）

聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称,是指在高分子主链上含有重复基团氨基甲酸酯(-NHCOO-）的高分子化合物通称为聚氨酯。可广泛应用于泡沫、橡胶、合成革、粘合剂、涂料等。其中聚氨酯泡沫塑料是聚氨酯合成材料的主要品种之一,占聚氨酯总产量的一半以上[1]。由于其高弹性、保温性、耐磨性、耐溶剂性、耐生物老化性等优点,被广泛应用于家具、汽车、航空航天、土木建筑等领域,特别是高层建筑的外墙保温中[2]。但是近年来,我国因保温材料引发火灾事故时有发生,在社会上造成了恶劣的影响,使人们对保温材料的使用望而怯步。面对频发的火灾事故,如何有效地提高聚氨酯泡沫材料的防火性能,将其安全的应用到建筑中,已成为当今社会关注的焦点问题[3]。

蒙脱土(MMT）是膨润土矿的主要成分,有独特的层状结构,因其良好的膨胀性、吸水性、吸附性、阻隔性、阻燃性及热稳定性等优点,且资源尤为丰富,价格低廉,可用于轻工、石油、涂料、建筑、沙漠治理、污水处理等多种领域,被人们誉为 “万能材料”[4]。特别是在制备聚合物/蒙脱土纳米复合材料领域起着举足轻重的作用。因而成为诸多学者研究和开发的热点之一[5]。

本文将以蒙脱土作为阻燃成分,利用其独特的层状结构和优异的膨胀性、吸附性、阻隔性、阻燃性及热稳定性等优点,制备无机有机杂化结构的聚氨酯复合材料,首先,利用不同种类蒙脱土对所制备的复合材料的阻燃性能进行对比；其次,分别从插层温度、插层时间及蒙脱土用量等因素考查对阻燃性能的影响,最后,利用试样燃烧时的火焰高度、燃烧时间以及燃烧现象分析得出的制备蒙脱土/聚氨酯复合材料的最佳配方。

1 实验

1.1 实验原料

聚醚多元醇-330(分析纯）,江苏省海安石油化工厂；异氰酸酯(分析纯）,湖北楚盛威化工有限公司；钠基蒙脱土、有机蒙脱土,石家庄灵寿县润宇矿产品加工厂；二月桂酸二丁基锡,山东西亚化学股份有限公司；硅油；蒸馏水,自制。

1.2 实验仪器与设备

LSJB120数显型小型搅拌机,常州励岸宝机械设备科技有限公司；HH-WO-2L水浴锅,郑州予创仪器设备有限公司；101-0恒温烘箱,深圳市易世达仪器设备有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 蒙脱土/聚氨酯复合材料的制备

采用预聚体法经原位插层聚合制备复合材料[6],依次称取25 g聚醚多元醇-330,蒙脱土用量10%、20%、30%、40%、50%,0.25 g硅油,0.2 g二月桂酸二丁基锡；加入装有搅拌器、温度计的三口瓶中,开始搅拌,缓慢升温至设定温度,搅拌1～4 h,停止反应,倒出预聚体,待冷却至室温加入25 g异氰酸酯、蒸馏水搅拌均匀,随后,倒入模具中并在10 MPa的压力下发泡成型；脱模,放入80℃的烘箱中熟化5 h；得到复合材料试样。

1.3.2 性能测试

1.3.2.1 制品的裁样及称量

从烘箱中取出已熟化好的制品,按一定厚度(1 cm）裁样,依次放入分析天平中称量并记录,利用游标卡尺读取其尺寸计算出试样的平均体积。计算得出每个试样的密度,备用。

1.3.2.2 垂直燃烧法[7]

在试样燃烧的过程中通过对燃烧时的火焰高度测量,对燃烧时间的测定及燃烧时所伴有的燃烧现象的观察判断出阻燃效果较优的试样及影响其阻燃效果的主要因素。

1.3.2.3 观察法[8]

分别从样品密度、试样燃烧时的火焰高度、燃烧时间及燃烧现象等综合判断蒙脱土插层时间、蒙脱土用量及插层温度等条件因素对其阻燃性能的影响,并以此作为依据选出阻燃性能良好的样品参数。

2 结果与讨论

2.1 蒙脱土种类对其密度及阻燃性能的影响

以蒙脱土插层时间为1 h,插层温度为100℃,蒙脱土用量均为40%试样为参照,分别从蒙脱土种类、密度、火焰高度、燃烧时间、燃烧现象等方面进行对比。结果见表1所示。

表1 蒙脱土种类对其密度及阻燃性能的影响Table 1 Influence of montmorillonite species on its density and flame retardant properties

由表1可知,相同条件下,钠基蒙脱土/聚氨酯试样在燃烧时火焰旺盛,燃烧剧烈且伴有大量黑烟。由此,在制备蒙脱土/聚氨酯纳米材料时选用火焰微小的、伴有自熄现象具有一定阻燃性能的有机蒙脱土作为添加组分。

2.2 蒙脱土/聚氨酯复合材料密度的影响因素

材料的密度越大,燃烧越困难,阻燃性越好。这是因为材料密实,透气性小,不易于周围空气充分交流,氧气的可及性低,故燃烧困难。同时也可认为材料密度增大,单位面积重量增大,燃烧时所需要的氧气就越多,但燃烧物周围单位时间内所能供应的氧气变化不大,造成氧气相对不足,使燃烧性相对较低。由此,分别从插层温度、插层时间、蒙脱土用量等方面考查其对密度的影响[9]。

2.2.1 插层温度

有机蒙脱土加入量为40%,插层时间为1 h,制备出一定规格的试样进行称量并计算其密度。如表2所示。

表2 不同插层温度下蒙脱土/聚氨酯复合材料的密度Table 2 Density of montmorillonite/polyurethane composites at different intercalation temperatures

由表2可知,在有机蒙脱土加入量、插层时间一定的条件下,随着插层温度的升高对复合材料的密度有一定影响,具体表现为:在60～80℃之间时,复合材料的密度变化不大,从常温～70℃、80～90℃、90～100℃这三个温度区间的一般规律可以描述为:蒙脱土插层的温度越高,泡孔越小从而使得聚氨酯复合材料的密度越大。

2.2.2 插层时间

蒙脱土加入量为40%,插层温度为100℃,制备出一定规格的试样进行称量并计算其密度,如表3所示。

表3 不同插层时间下蒙脱土/聚氨酯复合材料的密度Table 3 Density of montmorillonite/polyurethane composites at different intercalation times

由表3可知,随着插层时间的延长对蒙脱土/聚氨酯复合材料的密度没有较大影响。

2.2.3 蒙脱土用量

插层温度同为100℃,插层时间为1 h,制备出一定规格的试样进行称量并计算其密度,如表4所示。

表4 不同蒙脱土含量下蒙脱土/聚氨酯复合材料的密度Table 4 Density of montmorillonite/polyurethane composites with different montmorillonite contents

由表4可知,随着有机蒙脱土加入量的增加,该复合材料的密度随之提高,主要是由于蒙脱土的密度大于聚氨酯的密度。

2.3 燃烧性能

2.3.1 插层温度对蒙脱土/聚氨酯复合材料燃烧性能的影响

利用以上讨论结果,在插层时间为1 h,蒙脱土含量为40%的条件下制备蒙脱土/聚氨酯复合材料,制样后进行燃烧性能测试,结果如表5所示。

表5 插层温度对蒙脱土/聚氨酯复合材料燃烧性能的影响Table 5 Influence of intercalation temperature on combustion performance of montmorillonite/polyurethane composites

由表5可知,插层时间、蒙脱土含量一定的条件下,插层温度对火焰高度、燃烧时间及燃烧现象并无明显影响,即蒙脱土的插层温度对其试样的燃烧性能的影响不大。

2.3.2 插层时间对蒙脱土/聚氨酯复合材料燃烧性能的影响

利用以上讨论结果,在插层温度为100℃,蒙脱土含量为40%的条件下制备蒙脱土/聚氨酯复合材料,制样后进行燃烧性能测试。结果如表6所示。

表6 插层时间对蒙脱土/聚氨酯复合材料燃烧性能的影响Table 6 Effects of intercalation time on combustion properties of montmorillonite/polyurethane composites

由表6可知,插层温度、蒙脱土含量一定的条件下,插层时间对燃烧现象的影响并不明显,但其对试样燃烧时的火焰高度及燃烧时间有较大影响,具体表现为:蒙脱土的插层时间越长试样在燃烧时的火焰高度越低,燃烧时间短,由此可知,蒙脱土的插层时间越长则聚醚多元醇基体对有机蒙脱土的吸附效果就越好即插层效果就越好,阻燃效果就越好。

2.3.3 蒙脱土用量对蒙脱土/聚氨酯复合材料燃烧性能的影响

利用以上讨论结果,在插层温度为100℃,时间为4 h的条件下制备蒙脱土/聚氨酯复合材料,制样后进行燃烧性能测试,结果如表7所示。

由表7可知,插层温度、插层时间一定的条件情况下,蒙脱土的含量越多,对试样燃烧时的火焰高度、试样的燃烧时间及燃烧现象的影响越大,具体表现为:蒙脱土含量越多,燃烧时试样的火焰高度就越低,试样的燃烧时间就越短,燃烧时的燃烧现象即表现为燃烧时无烟、熄灭快等,由此可以判断出有机蒙脱土的加入量越多则阻燃性能越优良。