基于TG-FTIR与XPS的硬质聚氨酯泡沫/膨胀石墨复合材料阻燃机理研究
发布时间：2021-07-15 14:03
采用热重-傅里叶红外光谱（TG-FTIR）研究硬质聚氨酯泡沫（RPUF）和硬质聚氨酯泡沫/膨胀石墨复合材料（RPUF/EG）燃烧过程中气相产物生成及变化规律,采用扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱仪（XPS）研究其炭渣的微观形貌、元素组成及键合状态,结合阻燃性能测试阐明RPUF/EG复合材料阻燃机理。SEM分析表明RPUF/EG复合材料燃烧后炭渣中存在大量"蠕虫状"结构。TG-FTIR分析表明RPUF/EG复合材料热解分为两个阶段,第一个阶段对应于聚氨酯分子链硬段的降解,第二个阶段对应于聚氨酯分子链软段的降解,降解产物有异氰酸酯化合物、胺类化合物、碳氢化合物、芳香族化合物、 CO、 CO2以及酯类化合物, RPUF/EG硬段降解产物强度高于PRUF的降解。XPS分析表明RPUF炭渣中C, N和O元素含量分别为77.63%, 10.30%和12.07%, RPUF/EG30炭渣三种元素含量分别为82.18%, 9.18%和8.35%。在此基础上,通过对C元素的分峰拟合发现RPUF炭渣中C—C/C—H, C—O/C—N和CO/CN含量分别为51.38%, 38...
【文章来源】：光谱学与光谱分析. 2020,40(05)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
RPUF以及RPUF/EG30炭渣扫描电镜照片
采用TG-FTIR对比研究RPUF以及RPUF/EG30热解过程中的气相产物, 以揭示其阻燃机理。 图2为RPUF和RPUF/EG30氮气条件下TG-FTIR测试的3D图谱, 可见其降解特征峰主要分布在3 700～3 800, 3 300～3 400, 2 200～2 400, 1 700～1 800, 1 500～1 600和1 100～1 300cm-1几个波数区间。图3为RPUF和RPUF/EG30在最大热失重速率时的红外光谱, 3 730 cm-1对应于氨基甲酸酯中N—H键伸缩振动[9], 3 370 cm-1对应于裂解产生的水分子的O—H伸缩振动, 2 290 cm-1为裂解产生的异氰酸酯化合物中—NCO基团特征峰, 2 360 cm-1为裂解产生的CO2特征峰, 1 730 cm-1为羰基化合物的特征峰, 1 510 cm-1为芳香族化合物特征峰, 1 260和1 110 cm-1为酯类化合物特征峰[10]。 RPUF以及RPUF/EG30中都出现上述产物特征峰, 说明膨胀石墨作为一种添加型阻燃剂, 并未改变聚氨酯分子链裂解历程。
图3为RPUF和RPUF/EG30在最大热失重速率时的红外光谱, 3 730 cm-1对应于氨基甲酸酯中N—H键伸缩振动[9], 3 370 cm-1对应于裂解产生的水分子的O—H伸缩振动, 2 290 cm-1为裂解产生的异氰酸酯化合物中—NCO基团特征峰, 2 360 cm-1为裂解产生的CO2特征峰, 1 730 cm-1为羰基化合物的特征峰, 1 510 cm-1为芳香族化合物特征峰, 1 260和1 110 cm-1为酯类化合物特征峰[10]。 RPUF以及RPUF/EG30中都出现上述产物特征峰, 说明膨胀石墨作为一种添加型阻燃剂, 并未改变聚氨酯分子链裂解历程。图4(a)为RPUF和RPUF/EG30总的裂解产物释放强度曲线(Gram-Schmidt曲线)。 可见硬质聚氨酯泡沫的热解分为两个阶段, 第一个阶段对应于聚氨酯分子链硬段的降解, 降解产物主要为异氰酸酯化合物、 胺类化合物、 直链碳氢化合物、 CO2以及酯类化合物[11], 第二个阶段对应于聚氨酯分子链软段的降解[12]。 由图4(a)可见, RPUF/EG30第一阶段裂解产物的强度明显高于RPUF, 第二阶段裂解产物的强度明显低于RPUF, 这主要是在第一阶段中, 膨胀石墨中含有大量酸性物质(H2SO4, HNO3), 在燃烧过程中分解产生大量酸性气体使得膨胀石墨迅速膨胀形成“蠕虫状”结构, 同时酸性气体促进了聚氨酯分子链第一阶段的硬段降解; 而进入高温阶段后, 膨胀石墨形成的“蠕虫状”结构作为微反应器, 促进第二阶段聚氨酯分子链软段裂解产物在其中反应, 使得部分裂解产物滞留在凝聚相成炭, 进入气相的裂解产物明显减少[13]。 图4(b)和(c)分别为RPUF和RPUF/EG30热解生成的碳氢化合物以及CO2强度随时间变化曲线, 可见碳氢化合物和CO2释放区间在750～1 250 s区间, 属于第一阶段产物, RPUF/EG30这两种产物强度皆强于RPUF。 图4(d)为RPUF和RPUF/EG30热解产生CO强度随时间变化曲线, 可见CO释放区间主要在2 000～2 500 s区间, 属于第二阶段产物, RPUF/EG30生成的CO强度明显弱于RPUF。 上述现象与Gram-Schmidt曲线结果高度一致。
【参考文献】：
期刊论文
[1]低浓度酸对糖类物质的碳化现象研究[J]. 张昕,贺安琪,康廷国,夏锦明,翁诗甫,徐怡庄,吴瑾光. 光谱学与光谱分析. 2014(09)
本文编号：3285846
【文章来源】：光谱学与光谱分析. 2020,40(05)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
RPUF以及RPUF/EG30炭渣扫描电镜照片
采用TG-FTIR对比研究RPUF以及RPUF/EG30热解过程中的气相产物, 以揭示其阻燃机理。 图2为RPUF和RPUF/EG30氮气条件下TG-FTIR测试的3D图谱, 可见其降解特征峰主要分布在3 700～3 800, 3 300～3 400, 2 200～2 400, 1 700～1 800, 1 500～1 600和1 100～1 300cm-1几个波数区间。图3为RPUF和RPUF/EG30在最大热失重速率时的红外光谱, 3 730 cm-1对应于氨基甲酸酯中N—H键伸缩振动[9], 3 370 cm-1对应于裂解产生的水分子的O—H伸缩振动, 2 290 cm-1为裂解产生的异氰酸酯化合物中—NCO基团特征峰, 2 360 cm-1为裂解产生的CO2特征峰, 1 730 cm-1为羰基化合物的特征峰, 1 510 cm-1为芳香族化合物特征峰, 1 260和1 110 cm-1为酯类化合物特征峰[10]。 RPUF以及RPUF/EG30中都出现上述产物特征峰, 说明膨胀石墨作为一种添加型阻燃剂, 并未改变聚氨酯分子链裂解历程。
图3为RPUF和RPUF/EG30在最大热失重速率时的红外光谱, 3 730 cm-1对应于氨基甲酸酯中N—H键伸缩振动[9], 3 370 cm-1对应于裂解产生的水分子的O—H伸缩振动, 2 290 cm-1为裂解产生的异氰酸酯化合物中—NCO基团特征峰, 2 360 cm-1为裂解产生的CO2特征峰, 1 730 cm-1为羰基化合物的特征峰, 1 510 cm-1为芳香族化合物特征峰, 1 260和1 110 cm-1为酯类化合物特征峰[10]。 RPUF以及RPUF/EG30中都出现上述产物特征峰, 说明膨胀石墨作为一种添加型阻燃剂, 并未改变聚氨酯分子链裂解历程。图4(a)为RPUF和RPUF/EG30总的裂解产物释放强度曲线(Gram-Schmidt曲线)。 可见硬质聚氨酯泡沫的热解分为两个阶段, 第一个阶段对应于聚氨酯分子链硬段的降解, 降解产物主要为异氰酸酯化合物、 胺类化合物、 直链碳氢化合物、 CO2以及酯类化合物[11], 第二个阶段对应于聚氨酯分子链软段的降解[12]。 由图4(a)可见, RPUF/EG30第一阶段裂解产物的强度明显高于RPUF, 第二阶段裂解产物的强度明显低于RPUF, 这主要是在第一阶段中, 膨胀石墨中含有大量酸性物质(H2SO4, HNO3), 在燃烧过程中分解产生大量酸性气体使得膨胀石墨迅速膨胀形成“蠕虫状”结构, 同时酸性气体促进了聚氨酯分子链第一阶段的硬段降解; 而进入高温阶段后, 膨胀石墨形成的“蠕虫状”结构作为微反应器, 促进第二阶段聚氨酯分子链软段裂解产物在其中反应, 使得部分裂解产物滞留在凝聚相成炭, 进入气相的裂解产物明显减少[13]。 图4(b)和(c)分别为RPUF和RPUF/EG30热解生成的碳氢化合物以及CO2强度随时间变化曲线, 可见碳氢化合物和CO2释放区间在750～1 250 s区间, 属于第一阶段产物, RPUF/EG30这两种产物强度皆强于RPUF。 图4(d)为RPUF和RPUF/EG30热解产生CO强度随时间变化曲线, 可见CO释放区间主要在2 000～2 500 s区间, 属于第二阶段产物, RPUF/EG30生成的CO强度明显弱于RPUF。 上述现象与Gram-Schmidt曲线结果高度一致。
【参考文献】：
期刊论文
[1]低浓度酸对糖类物质的碳化现象研究[J]. 张昕,贺安琪,康廷国,夏锦明,翁诗甫,徐怡庄,吴瑾光. 光谱学与光谱分析. 2014(09)
本文编号：3285846
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