新型环保阻燃剂的合成及其在硬质聚氨酯泡沫塑料中的应用

发布时间：2017-05-20 00:01

  本文关键词：新型环保阻燃剂的合成及其在硬质聚氨酯泡沫塑料中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：硬质聚氨酯泡沫塑料(RPUF)是一种性能优良的隔热保温材料，具有质轻、保温性好、缓冲减震性能优良、粘结性强等优点，可广泛应用于建筑、管道、冷藏等领域。然而，RPUF非常容易燃烧，且燃烧时会产生大量的烟雾，易造成人员伤亡，增加救火的难度，限制了RPUF的推广和应用。本论文旨在研究保持RPUF良好力学性能的同时，，提高其阻燃抑烟性能，为RPUF的推广和应用提供科学依据。 本论文首先从分子结构设计出发，通过化学合成制备得到了一种新型功能型膨胀型阻燃剂——二苯基-磷基-（三乙氧基-硅基）丙胺(DPTP)。利用元素分析、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、核磁共振(NMR)等方法表征了其分子结构。热重分析(TGA)和高温灼烧实验结果表明，DPTP无论在氮气还是空气氛围中，都具有优异的成炭能力。扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、拉曼光谱分析发现，DPTP残炭具有较完整的石墨晶体结构。 对RPUF的阻燃性能研究发现，加入10phr DPTP后，RPUF的的极限氧指数(LOI)由18.2上升到27.3，并显著降低了热释放速率、总热释放量及质量损失速率。此外，RPUF的压缩强度与材料的泡孔结构有密切关系，DPTP具有“稳定泡沫”和“增塑作用”，少量加入可适当提高RPUF的压缩强度；随着添加份数的增加，RPUF的压缩强度有所下降。 从有机-无机协同阻燃机理出发，成功将DPTP接枝插层到蒙脱土片层中，制得了有机-无机杂化阻燃剂D-MMT，并对其结构进行了表征。研究表明，DPTP的接枝率为32.9%；改性后蒙脱土层间距增大，且受热时具有优良的热稳定性及成炭能力。通过XRD、偏光显微镜和SEM分析发现，D-MMT在RPUF基体材料中以纳米级片层分散，改善了泡沫的泡孔结构，较好地提高了RPUF的压缩强度。 对RPUF的阻燃性能研究发现，与纯RPUF相比，加入10phr D-MMT后，RPUF的热释放速率峰值降低了33.6%、总热释放量降低了47.1%、烟释放速率峰值降低了78.6%、总烟释放量降低了68.%，压缩强度增大到203KPa，说明制备了集阻燃、抑烟、增强一体的复合材料。 对D-MMT阻燃机理的探讨发现，当复合材料燃烧时，DPTP通过膨胀成炭，并释放不可燃行气体来阻燃，纳米级片层分散的MMT通过“迷宫效应”延长可燃性气体传递路径和有效阻隔热量的渗透，发挥出较好的阻燃作用。DPTP在燃烧过程中形成的炭层能填补MMT片层边缘之间的空隙与间隔，从而形成密实、完整的炭层；而分散在炭层中的MMT也起到了坚固炭层的作用，因此，通过有机-无机协同作用，有效阻隔了热质的传递，较好地增强了材料的阻燃和抑烟性能。
【关键词】：硬质聚氨酯泡沫塑料 无卤阻燃剂 有机-无机协同阻燃 阻燃性能 结构
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ328
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-33
• 1.1 硬质聚氨酯泡沫塑料概述13-14
• 1.2 硬质聚氨酯泡沫塑料的制备14-21
• 1.2.1 基本反应14-17
• 1.2.1.1 异氰酸酯与羟基反应14-15
• 1.2.1.2 异氰酸酯与水反应15
• 1.2.1.3 脲基甲酸酯反应15-16
• 1.2.1.4 缩二脲反应16-17
• 1.2.2 泡沫体形成原理17
• 1.2.3 硬质聚氨酯泡沫塑料制备方法17-18
• 1.2.3.1 预聚体法17
• 1.2.3.2 半预聚体法17-18
• 1.2.3.3 一步法18
• 1.2.4 硬质聚氨酯泡沫塑料基本配方及各组分的作用18-21
• 1.2.4.1 多元醇18-19
• 1.2.4.2 异氰酸酯19-20
• 1.2.4.3 催化剂20
• 1.2.4.4 发泡剂20
• 1.2.4.5 泡沫稳定剂20-21
• 1.3 硬质聚氨酯泡沫塑料主要结构特点21
• 1.4 硬质聚氨酯泡沫塑料主要性能特点21-22
• 1.5 硬质聚氨酯泡沫塑料阻燃研究22-30
• 1.5.1 硬质聚氨酯泡沫塑料燃烧热降解机理22-25
• 1.5.2 硬质 PU 泡沫塑料常用阻燃剂25-28
• 1.5.2.1 无机阻燃剂25
• 1.5.2.2 卤系阻燃剂25-26
• 1.5.2.3 有机磷系阻燃剂26
• 1.5.2.4 氮系阻燃剂26
• 1.5.2.5 有机硼系阻燃剂26-27
• 1.5.2.6 膨胀型阻燃剂27-28
• 1.5.3 硬质聚氨酯泡沫塑料阻燃机理28-30
• 1.5.3.1 添加型阻燃机理28-29
• 1.5.3.2 反应型阻燃机理29-30
• 1.6 硬质聚氨酯泡沫塑料阻燃研究展望30-31
• 1.7 本论文研究的目的意义、主要内容及创新之处31-33
• 1.7.1 本论文研究的目的意义31-32
• 1.7.2 本论文研究的主要内容32
• 1.7.3 本论文的特色与创新之处32-33
• 第二章 二苯基-磷基-（三乙氧基-硅基）丙胺(DPTP)的合成与表征33-45
• 2.1 引言33-34
• 2.2 实验部分34-36
• 2.2.1 主要设备及仪器34
• 2.2.2 主要原料34
• 2.2.3 试样的制备34-35
• 2.2.4 测试与表征35-36
• 2.3 结果与讨论36-44
• 2.3.1 含硅功能型阻燃剂的红外光谱(FTIR)分析36-37
• 2.3.2 含硅功能型阻燃剂的元素分析37
• 2.3.3 含硅功能型阻燃剂的核磁共振氢谱(1H-NMR)分析37-38
• 2.3.4 含硅功能型阻燃剂的热重(TG)分析38-39
• 2.3.5 含硅功能型阻燃剂的成炭及形貌分析39-41
• 2.3.6 含硅功能型阻燃剂的成炭结构分析41-43
• 2.3.7 含硅功能型阻燃剂的阻燃机理分析43-44
• 2.4 本章小结44-45
• 第三章 功能型阻燃剂 DPTP 对硬质聚氨酯泡沫塑料阻燃性能的影响45-62
• 3.1 引言45
• 3.2 实验部分45-48
• 3.2.1 主要设备及仪器45-46
• 3.2.2 主要试剂46
• 3.2.3 试样的制备46-47
• 3.2.3.1 阻燃硬质聚氨酯泡沫塑料制备方法及配方46
• 3.2.3.2 硬质聚氨酯泡沫塑料的制备步骤46-47
• 3.2.4 测试与表征47-48
• 3.3 结果与讨论48-61
• 3.3.1 DPTP 对硬质聚氨酯泡沫塑料结构的表征48-51
• 3.3.1.1 偏光显微分析48-49
• 3.3.1.2 SEM 分析49-51
• 3.3.2 DPTP 对硬质聚氨酯泡沫塑料的力学性能的影响51-52
• 3.3.3 DPTP 对阻燃硬质聚氨酯泡沫塑料的热稳定性的影响52-54
• 3.3.4 DPTP 对硬质聚氨酯泡沫塑料的燃烧性能的影响54-61
• 3.3.4.1 极限氧指数54-55
• 3.3.4.2 锥形量热55-59
• 3.3.4.3 残炭分析及阻燃机理59-61
• 3.4 本章小结61-62
• 第四章 DPTP 接枝插层蒙脱土协同阻燃硬质聚氨酯泡沫塑料的研究62-84
• 4.1 引言62-63
• 4.2 实验部分63-66
• 4.2.1 主要设备及仪器63
• 4.2.2 主要试剂63
• 4.2.3 试样的制备63-64
• 4.2.3.1 D-MMT 的制备63-64
• 4.2.3.2 阻燃硬质聚氨酯泡沫塑料复合材料的制备64
• 4.2.4 测试与表征64-66
• 4.3 结果与讨论66-82
• 4.3.1 D-MMT 的结构表征66-69
• 4.3.1.1 D-MMT 的红外光谱（FTIR）分析66-67
• 4.3.1.2 D-MMT 的 X-射线衍射(XRD)分析67
• 4.3.1.3 D-MMT 的热重(TG)分析67-69
• 4.3.2 硬质聚氨酯泡沫/改性蒙脱土复合材料的结构表征69-72
• 4.3.2.1 XRD 分析69-70
• 4.3.2.2 偏光显微分析70-71
• 4.3.2.3 SEM 分析71-72
• 4.3.3 硬质聚氨酯泡沫/改性蒙脱土复合材料的力学性能分析72-74
• 4.3.4 硬质聚氨酯泡沫/改性蒙脱土复合材料的热稳定性分析74-76
• 4.3.5 硬质聚氨酯泡沫/改性蒙脱土复合材料的阻燃性能分析76-82
• 4.3.5.1 极限氧指数76
• 4.3.5.2 锥形量热76-80
• 4.3.5.3 残炭分析及阻燃机理80-82
• 4.4 本章小结82-84
• 结论84-85
• 参考文献85-93
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果93-94
• 致谢94-95
• 附件95

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