水滑石改性聚氨酯泡沫阻燃特性实验研究进展

水滑石改性聚氨酯泡沫阻燃特性实验研

究进展

摘要：随着化工产业日新月异的发展，目前，聚氨酯泡沫被大量用于工业制

造生产和人们日常生活，但是聚氨酯泡沫属于一种极易燃烧的材料，所以关于聚

氨酯泡沫阻燃性能方面的研究引起了人们的广泛关注。本项目旨在研究利用水滑

石提升聚氨酯泡沫的阻燃性能，为聚氨酯泡沫的生产制造提供很好的参考价值，

可大量避免由于聚氨酯泡沫燃烧而引发的火灾，从而使得聚氨酯泡沫被人们安全

使用。

关键词：水滑石，聚氨酯泡沫，阻燃性能

聚氨酯是一类以多异氰酸酯与聚酯或聚醚多元醇作为基本原料制备而成的有

机高分子材料。因其微观结构中存在多个氨基甲酸酯基团，故其又被称为聚氨基

甲酸酯。聚氨酯作为一种常见的高分子材料，由于其具有许多优良的性能，相关

材料制品种类繁多，包括聚氨酯泡沫塑料、密封胶、粘合剂、涂料、纤维和橡胶等。其中聚氨酯泡沫材料的生产占聚氨酯所有制品中很大一部分比例，聚氨酯材

料以其性能方面的优势，已经逐渐成为最近几年发展速度最快的有机高分子材料

之一。聚氨酯泡沫具有优良的物理力学性能、声学性能、电学性能,尤其是硬质

聚氨酯泡沫塑料的热导率特别低，是一种优质的绝热保温保冷材料。聚氨酯泡沫

塑料的密度大小及软硬程度均可以随着原料及配方的不同而发生改变，而且成型

施工方便，因此应用范围十分广泛。软质聚氨酯主要是具有热塑性的线性结构，

它相比于其他发泡材料具有更好的稳定性、耐化学性、回弹性和力学性能，具有

更小的压缩变型性，同时隔热、隔音、抗震、防毒性能良好。因此用作包装、隔音、过滤材料。硬质泡沫质量轻、隔音、绝热性能优越、耐化学药品，电性能好，易加工，吸水率较低。它主要用于建筑、汽车、航空工业等保温隔热的结构材料。但是近几十年来，聚氨酯材料的火灾事故频繁发生，材料的安全性问题变得越来

越重要。聚氨酯泡沫塑料由于含可燃的碳氢链段、密度小、比表面积大，未经阻

燃处理的聚氨酯是可燃物，遇火会燃烧并分解，产生大量和等有毒气体，造成严重的财产损失和人员伤亡。特别是聚氨酯软泡开孔率较高，可燃成分多，燃烧时由于较高的空气流通性而源源不断地供给氧气，易燃且不易自熄。所以针对聚氨酯泡沫进行阻燃改性就显得尤为关键。

近年来，聚氨酯泡沫材料在学术和工业等领域得到越来越多的关注。添加少量的无机阻燃剂可以有效地提高泡沫材料的多方面的性能，比如热稳定性和阻燃性能。水滑石作为无机阻燃剂的优点是水滑石化学组成的多样性使得其可用于多种聚氨酯材料中，水滑石可以被不同的有机阴离子表面活性剂改性，还可以通过与硅烷偶联剂的接枝反应对水滑石的表面进行改性，这些在提高水滑石与聚氨酯泡沫之间的相容性的同时，也使得水滑石的种类更加多样化。在水滑石的阻燃应用方面，可以将一些含有阻燃元素的无机阴离子、阴离子表面活性剂或者硅烷偶联剂对水滑石作为不同的改性，在水滑石自身阻燃作用的基础上，进一步提高水滑石的阻燃作用。

1聚氨酯泡沫（PUF）所用阻燃剂的主要类别

目前对于聚氨酯阻燃的研究主要集中在将阻燃元素接入聚氨酯分子中的反应性阻燃和外部添加阻燃剂阻燃。阻燃剂选择方面，磷系和卤系研究较多，氮系、硅系阻燃剂的研究较少，凝聚相阻燃是磷系阻燃剂的主要阻燃机理。随着国家和人民对生命安全的重视，对高品质产品的要求和对环保的重视，迫使聚氨酯泡沫阻燃剂不断向更加安全、高效、绿色环保的方向发展。

1.1无机阻燃剂

无机阻燃剂的热稳定性较好、不易挥发，分解时会吸收大量的能量从而会使聚合物表面的温度降低。大多数无机添加型阻燃剂在高温下分解时将会释放出、、等不燃性气体，进而稀释空气中的可燃性气体，达到到阻燃的作用。但无机阻燃剂的缺点也较多，它们的添加量比较大，与基体材料的相容性较差，在提高阻燃性能的同时会导致材料的其他性能的降低。

1.2膨胀型阻燃剂

膨胀型阻燃剂分为物理膨胀和化学膨胀。化学膨胀阻燃剂是以氮磷碳为主要

成分且不含卤素的一类阻燃剂，配方相对复杂，使其自身就具有协同作用，以可

膨胀石墨为代表的物理型阻燃剂阻燃效率较高。当含聚氨酯泡沫

的膨胀型阻燃剂燃烧时，在其表面形成均匀的碳泡沫层，泡沫层具有隔热、隔氧、抑烟、防跌落的效果，它可以防止有毒气体和腐蚀性气体的产生和扩散，符合绿

色环保的趋势，但是由于片层间含有大量杂质，影响了聚合物的力学性能亟

待开发。目前主要研究方向包括、聚磷酸铵( ) 和三聚氰胺多磷酸盐等

类型。

1.3氨基阻燃剂

氨基阻燃剂含有磷和氮，不含卤素，主要成分是双环笼型磷大分子。氨基树

脂对软质聚氨酯泡沫塑料的热解具有催化成炭效果，是一种阻燃性能好的环保型

阻燃剂，主要研究有三聚氰胺聚磷酸盐类阻燃剂。这些阻燃剂是无卤的、低毒的

和无腐蚀性的、热稳定性好、紫外线辐射稳定、阻燃性好、价格低廉，但其分散

性较差，粒度和粒度分布较严格。

1.4纳米材料阻燃剂

纳米材料阻燃剂的阻燃机理属于固相阻燃，即纳米改性材料燃烧时会生成一

种炭化保护层(含有插层结构的硅酸盐片层)，对聚氨酯进行隔氧保护，从而使聚

氨酯获得阻燃性能。但是与磷酸酯类阻燃剂不同的是，纳米材料阻燃剂所生成的

炭化层不仅具有阻燃性能，而且还具有很好的热稳定性能和低透气性能。常见的

纳米材料阻燃剂有纳米蒙脱土、纳米、碳纳米管、纳米石墨、纳米等。

2水滑石材料的组成及其阻燃性能

水滑石材料属于阴离子型层状化合物。水滑石类化合物是一类具

有层状结构的新型无机功能材料, 的主体层板化学组成与其层板阳离子特性、层板电荷密度或者阴离子交换量、超分子插层结构等因素密切相关。

在受热时，其结构水合层板羟基及层间离子以水和的形式脱出，起到降低燃

烧气体浓度，阻隔的阻燃作用；的结构水层板羟基以及层间离子在不

同的温度内脱离层板，从而可在较低的范围内（200~800℃）释放阻燃物质。在