阻燃木质素基聚氨酯漆膜材料的制备及研究

发布时间：2020-06-26 13:46

【摘要】：木质素是一种在自然界储量第二的可降解可再生的高分子化合物,含有大量苯环且富含羟基,可用作环保聚合物的原材料,比如聚氨酯、聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等。此外,由于木质素的高炭化能力,可将其作为碳源,应用于聚合物阻燃。本文利用未经处理的工业级木质素作为反应原料,对其在阻燃聚氨酯中的应用进行了探索。一方面采用异氰酸酯和木质素以及阻燃剂中间体9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)合成了同时含有成炭剂和高效阻燃元素磷的木质素基阻燃剂;另一方面,利用木质素上大量的羟基基团,代替部分的石油基多元醇与异氰酸酯反应制备更容易降解,成本更低的木质素基聚氨酯漆膜材料。本论文首先通过原位复合的方法将不同含量(5%,10%,15%)未经处理的工业级有机溶剂木质素(Lignin)与六亚甲基二异氰酸酯(HDI)和DOPO反应,制备出高效环保的木质素基阻燃剂(LHD)。然后用木质素代替部分的聚乙二醇200(PEG200)与HDI反应,制备出木质素基聚氨酯(LPU1),将LPU1作为基体材料加入LHD制备高效阻燃且环保的阻燃木质素基聚氨酯漆膜(FLPU1),对漆膜的阻燃性能、热稳定性、漆膜性能及阻燃机理进行研究分析。结果表明,加入木质素之后,木质素基聚氨酯漆膜LPU1材料的硬度可以达到3H,柔韧性为2 mm,附着力达到0等级,耐冲击性达到100 cm/1000g;对于FLPU1,当L15HD(木质素含量为15%的木质素基阻燃剂)含量为25%时,漆膜硬度达到4H,其他性能也有所提高,极限氧指数(LOI)值为30.2%,达到不燃的程度,得到综合性能优异的漆膜材料。本论文也从实用性和成本方面考虑,选用工业上常用的二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)与DOPO和木质素进行原位合成,制备木质素基阻燃剂(LMD)。然后利用木质素代替部分聚醚多元醇与MDI反应,加入聚乙二醇2000(PEG2000)调节聚氨酯漆膜的柔韧性,制备成本更低、更具有实用价值的木质素基聚氨酯(LPU2),将制备的LMD加入到LPU2中得到阻燃的木质素基聚氨酯(FLPU2),对其阻燃性、热稳定、漆膜性能等进行分析研究。结果表明,当木质素的添加量为15%时,漆膜性能达到了比较好的平衡,硬度为HB,附着力为0等级,柔韧性为2 mm,耐冲击性大于100cm/1000g;随着LMD含量的增加,FLPU2的硬度也逐渐增强,当L20MD的添加量大于20%时,漆膜的柔韧性和耐冲击性有所降低,因此LMD添加量为20%时漆膜综合性能最好,LOI值为27.5%,能够达到难燃的程度。以上研究结果表明,通过原位复合反应可将木质素直接应用于木质素基阻燃剂和阻燃木质素基聚氨酯的制备及其改性,通过木质素及氨基甲酸酯的相似结构,及木质素基阻燃剂与木质素基聚氨酯预聚物的共固化,可以增强漆膜材料的综合性能,降低成本,减小环境污染,从经济效益和社会效益来说都具有重要的意义。
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ323.8
【图文】：

苯丙烷,木质素,紫丁香基,愈创木基

或非水溶液电位滴定法、NMR 测定法、化学显色法等。除羟基外，木质素中含有的其它基团对木质素的改性及应用也有一定的作用。图1-1 木质素中存在的3种基本结构单元: (a) 对羟基苯基苯丙烷(H)；(b) 愈创木基苯丙烷(G)；(c) 紫丁香基苯丙烷(S).1.2.4 木质素的物理性质木质素的表观颜色是由一系列的发色基团造成的，如硫酸盐法和亚硫酸盐法提取得到的木质素中含有多种发色基团，会呈现棕色或红棕色。木质素结构中存在许多极性基团，羟基含量较高，会在分子间和分子内形成氢键，影响其溶解性能。木质素的溶解性与其提取分离方法有关，主要是由其分子量和溶剂的极性决定的，一般可分为 3 种类型：(1)溶于水的木质素，如木质素磺酸盐；(2)溶于乙醇、甲醇、苯酚和二氧六环等有机溶剂的木质素，如有机溶剂木质素；(3)在水和有机溶剂中均不溶解的木质素

模型图,燃烧过程,聚合物,模型

4 聚氨酯的阻燃性能研究现状概述4.1 聚氨酯的燃烧过程聚合物燃烧过程伴随着光、热、烟的释放，是一个相对复杂的放热氧合物的燃烧一般经历五个阶段：受热分解、点燃、燃烧传播及加速、充分、燃烧衰减[62,63]。当聚合物受到的外部热源的热量增加时，聚合物内部过玻璃化转变温度时，聚合物链段中的化学键断裂，发生降解产生挥发性。聚合物继续受热达到燃点且有氧气存在时，可燃性挥发物质开始燃烧，发三阶段，聚合物燃烧释放的热量传递，致使火焰迅速蔓延，聚合物化学键提供燃料，燃烧加速。第四阶段，聚合物燃烧进行到一定程度，燃烧放出解产物升至足够高的温度，增大传热量，进入充分及稳定燃烧阶段。最后表面热量减少后，化学键裂解速率下降，挥发性可燃物浓度降低，燃烧衰合物燃烧完毕[64-67]。图 2 为聚合物的燃烧过程模型[68]。聚氨酯中含有大燃烧过程基本符合五个燃烧阶段的理论。

【相似文献】