聚氨酯(PU)是聚氨基甲酸酯的简称,因其具有良好的弹性、耐磨性、分子可剪裁及加工简便等优点,广泛应用于各行各业。传统的聚氨酯合成中含有较多有机溶剂的使用,随着人们环保意识的增强,各国法律法规的不断完善,以及对挥发性有机物和有毒物质的限制,环保型聚氨酯越来越受到化工行业的青睐。水性聚氨酯(WPU)作为一类重要的环保型聚氨酯,以水作为分散剂,在加工过程中很少使用有机溶剂,因此,具有无毒、不污染环境等优点。随着有机溶剂价格的不断上涨,水性聚氨酯性能的不断提高,这种环境友好型材料的应用领域也在不断扩大。水性聚氨酯作为一种绿色环保材料,广泛应用于纺织工业、木材加工、皮革涂饰、汽车行业等领域,而涉及的领域都存在易燃的风险,如果让水性聚氨酯具备一定的阻燃特性,就可以保护基材、降低材料表面燃烧速率甚至燃烧自熄,能及时发现并防止大面积火灾的发生和扩大,从而可以保护人们的人身财产安全。所以,对水性聚氨酯进行阻燃化处理,让它更好的应用于各个领域,这是水性聚氨酯材料功能化的发展方向,也是未来高分子材料具备多种功能集于一体的趋势。传统的高分子材料的阻燃处理常常使用含卤阻燃剂,由于含卤阻燃剂在燃烧过程中会放出使人窒息甚至死亡的有毒气体氯化氢、溴化氢等。在人们对环保越来越重视的今天,由于含卤阻燃剂不符合环境保护、危害人身安全等局限性,这类阻燃剂正逐步被环保型阻燃剂所取代。在考虑环保性及安全性等要求下,硼系阻燃剂、硅系阻燃剂作为环保型阻燃剂的重要品种,已经引起人们的关注和重视。本文选用分子结构中含有硼元素(B)的反应型阻燃剂硼酚醛(FB)以及含有硅元素(Si)的有机硅阻燃剂(KH550、SP)来制备阻燃水性聚氨酯。本文以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚醚二元醇(N-210)、硼酚醛(FB)、1,4-丁二醇(BDO)、三羟甲基丙烷(TMP)、二羟甲基丙酸(DMPA)等为主要原料合成了一系列硼酚醛阻燃改性的水性聚氨酯。通过对样品的红外、吸水率、拉伸测试、热分析(TGA)、极限氧指数(LOI)、微型燃烧量热(MCC)等测试,研究了硼酚醛的加入对水性聚氨酯乳液稳定性、耐水性、力学性能、热性能、阻燃性能的影响。测试结果表明,一定含量的硼酚醛的加入使得聚氨酯的耐水性得到提高,拉伸强度和硬度提高,热稳定性得到显著提高,热分解速率降低明显,残炭率显著增加。当硼酚醛含量占聚氨酯预聚体质量分数为10%时,氧指数为29%,聚氨酯材料由易燃变为难燃。因此,聚氨酯的阻燃性能得到很大提高,UL-94垂直燃烧测试结果显示,聚氨酯的阻燃性能已达到UL-94V-1级。一方面,由于硼酚醛中含有硼酯键,硼酯键的键能远大于醚键,从而提高树脂的耐热性。而且由于硼原子的存在,树脂在裂解过程中可以形成具有致密结构的玻璃碳,而这种玻璃碳能有效地阻止氧气进入,抑制树脂的进一步燃烧,以提高阻燃性能。另一方面,由于硼化合物的加入,在高温条件下,可以在树脂表面生成致密的玻璃态结构层,研究认为这层玻璃态物质为氧化硼,可有效阻止氧气等可燃性气体进入材料内部,从而阻止材料的进一步燃烧,因此,树脂的高温稳定性和抗氧化性得到很大提高。以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚醚二元醇(N-210)、1,4-丁二醇(BDO)、二羟甲基丙酸(DMPA)、有机硅(KH550、SP)等为主要原料合成了一系列有机硅阻燃改性的水性聚氨酯。通过红外光谱、吸水率、扫描电镜-X射线光谱仪(SEM-EDX)、拉伸测试、热分析(TGA)、极限氧指数(LOI)、微型燃烧量热(MCC)等测试,研究了有机硅的加入对聚氨酯(PU)乳液稳定性、耐水性、接触角、力学性能、热性能、阻燃性能等性能的影响。测试结果表明,有机硅的加入使得聚氨酯的接触角明显增大,硅原子向涂膜表面迁移,涂膜的耐水性显著提高,热稳定性显著提高,热分解速率明显降低,涂膜高温下热分解后的残炭率增加明显。当KH550和SP含量占聚氨酯预聚体质量分数分别为6.5%和12.6%时,聚氨酯的氧指数达到28%,材料由易燃变为难燃。因此,聚氨酯的阻燃性能得到很大提高,UL-94垂直燃烧测试结果也显示,PU的阻燃性能已达到UL-94V-1级。有机硅的分子结构中含有硅氧键,而主链含硅氧基团的有机硅改性聚氨酯实际上是一种本质阻燃高聚物。其原因是这类基团的存在能够促进材料在高温下成炭,而炭层中的硅氧基团又有助于形成连续的、抗氧化的硅酸盐保护层,因此,可显著提高材料的氧指数以及抗高温氧化性能,并保护炭层下的基材免受破坏。一般认为,硅氧基团的阻燃作用是按凝聚相阻燃机理进行的,是通过生成裂解炭层和提高炭层的抗氧化性来实现的。由于聚合物中的硅可赋予材料耐氧原子流(氧自由基)的能力,能够提高材料的抗氧化能力。并且,含硅聚合物在受热分解时,可以生成二氧化碳、水蒸气和二氧化硅,会降低材料燃烧时生成的烟量和腐蚀性气体含量。
