蒙脫土/聚氨酯復合材料的制備與阻燃性能的研究*

楊 娟,王啟強

（綿陽職業技術學院，四川 綿陽 621000）

聚氨酯是聚氨基甲酸酯的簡稱,是指在高分子主鏈上含有重復基團氨基甲酸酯(-NHCOO-）的高分子化合物通稱為聚氨酯。可廣泛應用于泡沫、橡膠、合成革、粘合劑、涂料等。其中聚氨酯泡沫塑料是聚氨酯合成材料的主要品種之一,占聚氨酯總產量的一半以上[1]。由于其高彈性、保溫性、耐磨性、耐溶劑性、耐生物老化性等優點,被廣泛應用于家具、汽車、航空航天、土木建筑等領域,特別是高層建筑的外墻保溫中[2]。但是近年來,我國因保溫材料引發火災事故時有發生,在社會上造成了惡劣的影響,使人們對保溫材料的使用望而怯步。面對頻發的火災事故,如何有效地提高聚氨酯泡沫材料的防火性能,將其安全的應用到建筑中,已成為當今社會關注的焦點問題[3]。

蒙脫土(MMT）是膨潤土礦的主要成分,有獨特的層狀結構,因其良好的膨脹性、吸水性、吸附性、阻隔性、阻燃性及熱穩定性等優點,且資源尤為豐富,價格低廉,可用于輕工、石油、涂料、建筑、沙漠治理、污水處理等多種領域,被人們譽為 “萬能材料”[4]。特別是在制備聚合物/蒙脫土納米復合材料領域起著舉足輕重的作用。因而成為諸多學者研究和開發的熱點之一[5]。

本文將以蒙脫土作為阻燃成分,利用其獨特的層狀結構和優異的膨脹性、吸附性、阻隔性、阻燃性及熱穩定性等優點,制備無機有機雜化結構的聚氨酯復合材料,首先,利用不同種類蒙脫土對所制備的復合材料的阻燃性能進行對比；其次,分別從插層溫度、插層時間及蒙脫土用量等因素考查對阻燃性能的影響,最后,利用試樣燃燒時的火焰高度、燃燒時間以及燃燒現象分析得出的制備蒙脫土/聚氨酯復合材料的最佳配方。

1 實 驗

1.1 實驗原料

聚醚多元醇-330(分析純）,江蘇省海安石油化工廠；異氰酸酯(分析純）,湖北楚盛威化工有限公司；鈉基蒙脫土、有機蒙脫土,石家莊靈壽縣潤宇礦產品加工廠；二月桂酸二丁基錫,山東西亞化學股份有限公司；硅油；蒸餾水,自制。

1.2 實驗儀器與設備

LSJB120數顯型小型攪拌機,常州勵岸寶機械設備科技有限公司；HH-WO-2L水浴鍋,鄭州予創儀器設備有限公司；101-0恒溫烘箱,深圳市易世達儀器設備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 蒙脫土/聚氨酯復合材料的制備

采用預聚體法經原位插層聚合制備復合材料[6],依次稱取25 g聚醚多元醇-330,蒙脫土用量10%、20%、30%、40%、50%,0.25 g硅油,0.2 g二月桂酸二丁基錫；加入裝有攪拌器、溫度計的三口瓶中,開始攪拌,緩慢升溫至設定溫度,攪拌1～4 h,停止反應,倒出預聚體,待冷卻至室溫加入25 g異氰酸酯、蒸餾水攪拌均勻,隨后,倒入模具中并在10 MPa的壓力下發泡成型；脫模,放入80℃的烘箱中熟化5 h；得到復合材料試樣。

1.3.2 性能測試

1.3.2.1 制品的裁樣及稱量

從烘箱中取出已熟化好的制品,按一定厚度(1 cm）裁樣,依次放入分析天平中稱量并記錄,利用游標卡尺讀取其尺寸計算出試樣的平均體積。計算得出每個試樣的密度,備用。

1.3.2.2 垂直燃燒法[7]

在試樣燃燒的過程中通過對燃燒時的火焰高度測量,對燃燒時間的測定及燃燒時所伴有的燃燒現象的觀察判斷出阻燃效果較優的試樣及影響其阻燃效果的主要因素。

1.3.2.3 觀察法[8]

分別從樣品密度、試樣燃燒時的火焰高度、燃燒時間及燃燒現象等綜合判斷蒙脫土插層時間、蒙脫土用量及插層溫度等條件因素對其阻燃性能的影響,并以此作為依據選出阻燃性能良好的樣品參數。

2 結果與討論

2.1 蒙脫土種類對其密度及阻燃性能的影響

以蒙脫土插層時間為1 h,插層溫度為100℃,蒙脫土用量均為40%試樣為參照,分別從蒙脫土種類、密度、火焰高度、燃燒時間、燃燒現象等方面進行對比。結果見表1所示。

表1 蒙脫土種類對其密度及阻燃性能的影響Table 1 Influence of montmorillonite species on its density and flame retardant properties

由表1可知,相同條件下,鈉基蒙脫土/聚氨酯試樣在燃燒時火焰旺盛,燃燒劇烈且伴有大量黑煙。由此,在制備蒙脫土/聚氨酯納米材料時選用火焰微小的、伴有自熄現象具有一定阻燃性能的有機蒙脫土作為添加組分。

2.2 蒙脫土/聚氨酯復合材料密度的影響因素

材料的密度越大,燃燒越困難,阻燃性越好。這是因為材料密實,透氣性小,不易于周圍空氣充分交流,氧氣的可及性低,故燃燒困難。同時也可認為材料密度增大,單位面積重量增大,燃燒時所需要的氧氣就越多,但燃燒物周圍單位時間內所能供應的氧氣變化不大,造成氧氣相對不足,使燃燒性相對較低。由此,分別從插層溫度、插層時間、蒙脫土用量等方面考查其對密度的影響[9]。

2.2.1 插層溫度

有機蒙脫土加入量為40%,插層時間為1 h,制備出一定規格的試樣進行稱量并計算其密度。如表2所示。

表2 不同插層溫度下蒙脫土/聚氨酯復合材料的密度Table 2 Density of montmorillonite/polyurethane composites at different intercalation temperatures

由表2可知,在有機蒙脫土加入量、插層時間一定的條件下,隨著插層溫度的升高對復合材料的密度有一定影響,具體表現為:在60～80℃之間時,復合材料的密度變化不大,從常溫～70℃、80～90℃、90～100℃這三個溫度區間的一般規律可以描述為:蒙脫土插層的溫度越高,泡孔越小從而使得聚氨酯復合材料的密度越大。

2.2.2 插層時間

蒙脫土加入量為40%,插層溫度為100℃,制備出一定規格的試樣進行稱量并計算其密度,如表3所示。

表3 不同插層時間下蒙脫土/聚氨酯復合材料的密度Table 3 Density of montmorillonite/polyurethane composites at different intercalation times

由表3可知,隨著插層時間的延長對蒙脫土/聚氨酯復合材料的密度沒有較大影響。

2.2.3 蒙脫土用量

插層溫度同為100℃,插層時間為1 h,制備出一定規格的試樣進行稱量并計算其密度,如表4所示。

表4 不同蒙脫土含量下蒙脫土/聚氨酯復合材料的密度Table 4 Density of montmorillonite/polyurethane composites with different montmorillonite contents

由表4可知,隨著有機蒙脫土加入量的增加,該復合材料的密度隨之提高,主要是由于蒙脫土的密度大于聚氨酯的密度。

2.3 燃燒性能

2.3.1 插層溫度對蒙脫土/聚氨酯復合材料燃燒性能的影響

利用以上討論結果,在插層時間為1 h,蒙脫土含量為40%的條件下制備蒙脫土/聚氨酯復合材料,制樣后進行燃燒性能測試,結果如表5所示。

表5 插層溫度對蒙脫土/聚氨酯復合材料燃燒性能的影響Table 5 Influence of intercalation temperature on combustion performance of montmorillonite/polyurethane composites

由表5可知,插層時間、蒙脫土含量一定的條件下,插層溫度對火焰高度、燃燒時間及燃燒現象并無明顯影響,即蒙脫土的插層溫度對其試樣的燃燒性能的影響不大。

2.3.2 插層時間對蒙脫土/聚氨酯復合材料燃燒性能的影響

利用以上討論結果,在插層溫度為100℃,蒙脫土含量為40%的條件下制備蒙脫土/聚氨酯復合材料,制樣后進行燃燒性能測試。結果如表6所示。

表6 插層時間對蒙脫土/聚氨酯復合材料燃燒性能的影響Table 6 Effects of intercalation time on combustion properties of montmorillonite/polyurethane composites

由表6可知,插層溫度、蒙脫土含量一定的條件下,插層時間對燃燒現象的影響并不明顯,但其對試樣燃燒時的火焰高度及燃燒時間有較大影響,具體表現為:蒙脫土的插層時間越長試樣在燃燒時的火焰高度越低,燃燒時間短,由此可知,蒙脫土的插層時間越長則聚醚多元醇基體對有機蒙脫土的吸附效果就越好即插層效果就越好,阻燃效果就越好。

2.3.3 蒙脫土用量對蒙脫土/聚氨酯復合材料燃燒性能的影響

利用以上討論結果,在插層溫度為100℃,時間為4 h的條件下制備蒙脫土/聚氨酯復合材料,制樣后進行燃燒性能測試,結果如表7所示。

由表7可知,插層溫度、插層時間一定的條件情況下,蒙脫土的含量越多,對試樣燃燒時的火焰高度、試樣的燃燒時間及燃燒現象的影響越大,具體表現為:蒙脫土含量越多,燃燒時試樣的火焰高度就越低,試樣的燃燒時間就越短,燃燒時的燃燒現象即表現為燃燒時無煙、熄滅快等,由此可以判斷出有機蒙脫土的加入量越多則阻燃性能越優良。

表7 蒙脫土用量對蒙脫土/聚氨酯復合材料燃燒性能的影響Table 7 Influence of montmorillonite dosage on combustion properties of montmorillonite/polyurethane composites

3 結 論

(1）采用預聚體法經原位插層聚合制備蒙脫土/聚氨酯復合材料,分別對添加鈉基蒙脫土、有機蒙脫土的聚氨酯復合材料時的密度、試樣燃燒時的火焰高度、燃燒時間等實驗結果的對比,反應出在制備該復合材料選擇蒙脫土種類時應首要考慮阻燃性能更為良好的有機蒙脫土。

(2）結合實驗數據與分析得出:插層溫度為100℃,插層時間為4 h,在有機蒙脫土含量達到40%時制備的復合材料阻燃性能最優。具體表現為其密度均大于其他不利于燃燒,火焰高度為0.7 cm,燃燒時間僅為29 s且燃燒時無煙危害小。