可膨脹石墨/聚氨酯彈性體復合材料的制備及性能研究

倪 波

(太原工業學院材料工程系，山西 太原 030008)

聚氨酯是一種綜合性能比較優異的高分子材料，已成為世界第六大合成材料，可用于制造塑料、橡膠、涂料、泡沫、彈性體、纖維、膠黏劑等，并廣泛運用于建筑行業、醫療衛生、石油化工、交通運輸、航空航天等方方面面[1]。

K.Kulesza等[2]利用NaH2PO4/NaHSO4阻燃體系對RPUF進行了改性研究，當復合阻燃劑在材料表面燃燒形成致密的碳層，可阻止了進一步燃燒，促進了其復合材料的熱穩定性。羅振揚等[3]采用全磷阻燃劑、鹵代磷酸酯阻燃劑以及二者復配對RPUF進行阻燃改性，測試結果證明，全磷阻燃劑的阻燃效果比鹵代磷酸酯類阻燃效果更好，而磷鹵配合阻燃效果優于單一阻燃劑。

本文采用可膨脹石墨(EG)對聚氨酯彈性體進行了阻燃改性，研究了可膨脹石墨/聚氨酯彈性體復合材料的極限氧指數、熱穩定性、力學性能等與可膨脹石墨含量之間的依賴關系。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

二苯基甲烷二異氰酸(MDI)，工業級，煙臺萬華聚氨酯有限公司；聚醚多元醇(PPG)，工業級，煙臺華大化學有限公司；可膨脹石墨，50目、80目、100目，青島巖海碳材料有限公司；3,3-二氯-4，4二胺基二苯甲烷(MOCA)，市售。

1.2 可膨脹石墨/聚氨酯彈性體(EG/PUE)復合材料的制備

PPG真空脫水后與一定量的MDI，80℃攪拌1h后得到預聚體；稱取一定量的MOCA，混合后120℃模壓成型。開模后100℃后固化16h，靜置一周。待測試。

1.3 性能表征

1.3.1 熱重分析

使用高鐵AI7000M型拉力試驗機，按照GB/T528-2009測試材料的拉伸強度。

1.3.2 熱重分析(TGA)

采用北京恒久HCT-3型熱重分析儀測試，升溫速率10℃/min，升溫區間為30～800℃，空氣氣氛下。

1.3.3 極限氧指數(LOI)

本文采用XZT-100型氧指數測定儀，根據GB/T2406.2-2009測試。

2 結果討論

2.1 燃燒性能測試

EG/PUE復合材料極限氧指數見表1。

表1 EG/PUE復合材料極限氧指數

可膨脹石墨(EG)可有效改善聚氨酯彈性體(PUE)的阻燃性能，隨其添加量的提高，LOI逐漸升高。另外，EG粒徑與復合材料的阻燃性之間存在有一定的線性關系，50目EG阻燃效果要遠優于80目和100目的EG。在50目的EG添加量為15%時，其極限氧指數達到27.0。EG的阻燃機理是石墨碳層中插有硫酸基團，其受熱之后產生SO2氣體而使之膨脹生成碳渣附著在材料表面，與此同時隔絕空氣，從而使之達到阻燃效果，大粒徑EG的膨脹倍率較大，因此可以形成較厚的碳層，實現較好的阻燃效果。

2.2 熱重分析

根據極限氧指數的實驗結果，選取阻燃性能最優的50目EG/PUE進行熱重分析。

圖1 EG/PUE復合材料TGA曲線

表2 EG/PUE復合材料TGA數據

由圖1、表2可以看出PUE的熱分解分為明顯的兩個階段，第一階段為硬段部分分解，第二階段為軟段部分分解。隨著EG添加量的增加，起始分解溫度逐漸提升，軟段的降解速率也有所緩解，EG的膨脹溫度大約在1000℃左右，在膨脹之前由于EG具有隔熱的作用，阻隔了熱量在體系中的傳遞，提高了體系的熱穩定性。

EG的加入能夠顯著的影響EG/PUE材料的力學性能，隨著可膨脹石墨添加量的增大，使得EG/PUE復合材料的拉伸強度減小；隨著EG粒徑減小，使得EG/PUE復合材料的拉伸強度增大，見圖2。這是因為，加入的EG粒徑太大，其在基體中界面結合力較差，并沒有很好的分散在基體中。而100目的EG，在其添加量超過10%時，復合材料的拉伸強度增大，這是因為100目的EG在基體中形成插層化合物，并均勻的分散于基體中，在含量較低時，其強度彌補了材料損失的塑性，而在含量超過10%時，能夠開始起到增強的效果。

圖2 不同含量、不同粒徑EG的EG/PUE拉伸強度

3 結論

(1)可膨脹石墨粒徑越大，增加量越多，復合材料阻燃性能越優異。

(2)可膨脹石墨對提升體系熱穩定性也有顯著提升。