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水性聚氨酯膨胀型阻燃涂料的研究

2020/10/29

      21 世纪以来,随着高聚物材料阻燃技术的不断发展,对阻燃剂的综合性能的要求也越来越高,既要达到规定的难燃级别,又要有良好的物理性能和机械强度、非腐蚀性、少烟性、光稳定性、耐老化性及热稳定性等。由于膨胀型阻燃体系可均匀地分散于聚合物中,聚合物在燃烧时各组分又能协同起作用,能够满足对阻燃剂越来越高的要求,故未来的水性聚氨酯阻燃涂料必然向膨胀型阻燃发展。但膨胀型阻燃剂仍存在许多不足之处:膨胀型阻燃剂与聚氨酯相容性差,并且膨胀型阻燃剂的相对分子量低,聚氨酯涂料在干燥过程中,阻燃剂易向表面迁移,产生“霜白”现象,使聚氨酯的力学性能大幅度下降,另外,外观变差;膨胀型阻燃剂易吸湿,导致聚氨酯耐水性能下降。未来的发展趋势和研究方向为:

(1)阻燃剂的表面处理

      为了使材料既具有阻燃性又能使其机械性能达到实用标准,用表面活性剂处理阻燃剂以增加阻燃剂与聚氨酯的相容性是一条很重要的途径。常用的表面处理剂有硅烷偶联剂、钛酸偶联剂、硬脂酸钠等。

(2)阻燃剂的微细化处理

      阻燃剂因其颗粒太大而容易产生应力集中会影响材料的机械性能,因此阻燃剂的微细化处理是阻燃技术中的关键一环。

(3)研究各种阻燃剂之间的协同效应

      阻燃剂之间的协同效应是指某些阻燃剂进行复配后,可降低阻燃剂用量,并且提高阻燃剂的阻燃性能,使材料物理机械性能的损失降到最小程度。


      膨胀型阻燃剂具备无卤、低烟、低毒的独特特性,是近年来国内外广为关注的新型复合型阻燃剂。膨胀型阻燃剂包括 3 个组分,即酸源、碳源和发泡源,对于特定的体系,有时并不需要 3 个组分同时存在,此时聚合物本身可以充当其中的某一组分。由于具有膨胀产生多孔泡沫层的特性,故可广泛用于木材、塑料等易燃基材的保护,亦可用于钢材的保护,防止钢材由于受热和火焰的作用导致其力学强度减弱。膨胀型阻燃涂料在火焰或高温下,体系中的酸源、碳源和发泡源与熔体相互作用膨胀而形成具有隔热、隔质作用的多孔状碳阻挡层,能有效地阻止火焰的蔓延,是目前应用比较广泛的阻燃涂料。
      水性聚氨酯涂料膨胀型和非膨胀型阻燃体系的性能差别进行了研究。试验中膨胀型阻燃体系选择 APP-PER-MEL 复合膨胀型阻燃体系,非膨胀型阻燃体系选用 Mg(OH) 2/Al (OH) 3,试验结果发现APP-PER-MEL 膨胀型阻燃体系比 Mg(OH) 2/Al (OH) 3非膨胀型阻燃体系对水性聚氨酯涂料的阻燃效果要好, APP-PER-MEL 膨胀型阻燃体系添加量为 50%时碳化时间为 263 s,而同样添加量的 Mg(OH) 2/Al (OH) 3体系仅为 123 s。用丙烯酸丁酯改性蒙脱土,然后将改性后的蒙脱土来改性聚氨酯,再添加膨胀型阻燃剂,制得的聚氨酯具有较好的阻燃防火性能和较高热稳定性,燃烧等级达到 FV-0 级。用丙烯酸酯改性水性聚氨酯,然后加入三聚氰胺和季戊四醇,明显提高涂料的阻燃性能,而且不会破坏涂料的耐水性能并且无毒无污染,工艺简单。参考国外文献,以新戊二醇、三氯氧磷及苯并咪唑衍生物等为原料,合成得到 3 种新型单组分磷氮膨胀阻燃剂,此阻燃剂集酸源、碳源和发泡源于一身,可避免因配比误差而引起的阻燃效果下降的问题。

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