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通用塑料

聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料用阻燃劑的研究

August.7
中國塑協(xié)通訊
  摘要:無鹵阻燃軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料(FPUF)具有低煙、無毒、無腐蝕性等環(huán)境友好的優(yōu)勢。較全面地綜述了改善軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料阻燃性能的方法。反應(yīng)型含磷阻燃劑通過化學(xué)改性賦予材料阻燃性,具有持久阻燃劑很少損害材料機械性能的特點。結(jié)果表明,三(一縮二丙二醇)亞磷酸酯(TDGP)反應(yīng)型阻燃劑阻燃FPUF時,含磷量不足1%,阻燃效果可達(dá)自熄級別。
  關(guān)鍵詞:反應(yīng)型阻燃劑;無鹵;聚氨酯;軟質(zhì)
  1 前言
  聚氨酯泡沫塑料(PUF)是用量最大的一種聚氨酯產(chǎn)品,它在聚氨酯制品中所占的比例超過55%。它的主要特點是多孔性,密度低,比強度高。根據(jù)原料品種的不同以及配方的用量的變化,可以制成不同密度、不同性能的軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料(FPUF)和硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料(RPUF),廣泛地應(yīng)用于家具用品、汽車工業(yè)、運動器材、建筑裝飾、運輸和隔熱材料中。
  但是,PUF在空氣中極易燃燒,特別是軟質(zhì)泡沫塑料,由于密度小、比表面積較大、絕熱性好,其燃燒問題尤為突出,其本身氧指數(shù)僅為14~16,故極易著火燃燒。而且在燃燒的時候還會產(chǎn)生大量的有毒氣體和煙塵,對人體健康和環(huán)境都有極壞的影響。這幾年來,國外對PUF的阻燃給予了極大的關(guān)注,并頒布了若干有關(guān)PUF阻燃法規(guī)和阻燃要求。例如在西歐,用于汽車內(nèi)的FPUF必須滿足機動車輛安全標(biāo)準(zhǔn) (MVSS)302所規(guī)定的阻燃要求;在美國,用于家具坐墊的FPUF必須通過CAL TB117阻燃測試;在英國,明確規(guī)定了凡是在英國銷售的家具(包括FPUF)必須為阻燃產(chǎn)品,必須符合BS5852的標(biāo)準(zhǔn)要求;在德國也建立了相應(yīng)的法規(guī)限制非阻燃泡沫塑料的生產(chǎn)和使用。正是因為這些因素,聚氨酯泡沫塑料阻燃技術(shù)已經(jīng)成為聚氨酯工業(yè)中僅次于氯氟烴發(fā)泡劑取代技術(shù)的熱門課題。
  我國PU軟質(zhì)泡沫塑料工業(yè)起步較晚,1968年才開始生產(chǎn),八十年代發(fā)展十分迅速,目前生產(chǎn)PU軟質(zhì)泡沫塑料的廠家遍布全國。但我國目前生產(chǎn)和市售的PU泡沫幾乎全是非阻燃產(chǎn)品。由于非阻燃PU軟質(zhì)泡沫塑料在我國的大量生產(chǎn)和應(yīng)用,國內(nèi)也經(jīng)常發(fā)生因PU軟質(zhì)泡沫塑料著火釀成重大火災(zāi)的案例,這已開始引起我國消防部門、鐵道、航空航運、公路運輸?shù)扔嘘P(guān)部門的關(guān)注,對PU軟質(zhì)泡沫塑料之類的泡沫也提出了阻燃要求:公安部四川消防科學(xué)研究所起草制定的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8624《建筑材料燃燒性能分級》 (修訂稿)中規(guī)定,泡沫材料阻燃性能應(yīng)達(dá)到B2級或B2級以上,其氧指數(shù)應(yīng)不低于26,且按GB 8332進(jìn)行水平燃燒試驗,其平均燃燒時間≤90s,平均燃燒長度應(yīng)小于50mm。因此,研究開發(fā)阻燃PU軟質(zhì)泡沫塑料已成為我國的當(dāng)務(wù)之急。
  2  軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的阻燃方法 
  阻燃FPUF的具體方法如下:
  (1)添加法 在泡沫塑料制品發(fā)泡配方中加入含磷、氯、溴、銻、鋁、硼、氮等阻燃元素的添加型阻燃劑,使制得的泡沫塑料具有阻燃性能。從理論上講,這種方法最為簡便,發(fā)泡和阻燃可以一步完成;但發(fā)泡工藝要求很高。大量的試驗證明,絕大多數(shù)阻燃劑在發(fā)泡過程中都會導(dǎo)致泡沫塌泡、收縮或開裂,僅有為數(shù)不多的阻燃劑可以使用,且這些阻燃劑單獨添加時阻燃效果都不顯著。
  從目前阻燃劑的發(fā)展方向來看,主要從不含鹵系等有機阻燃劑方向發(fā)展,著重于無機阻燃劑。因為無機阻燃劑燃燒的煙氣毒性小,甚至沒有,而且價格比有機阻燃劑便宜。
  (2)結(jié)構(gòu)改性 一方面,在泡沫塑料的分子鏈中引入具有阻燃作用的元素,如磷、鹵等,常用的是阻燃多元醇。另一方面,或在生產(chǎn)PU軟質(zhì)泡沫塑料的主要原料——聚醚多元醇、異氰酸酯分子中引入阻燃元素,使制得的PU軟質(zhì)泡沫塑料分子中含有阻燃元素,從而獲得阻燃性能。此法制得的泡沫塑料具有一定的阻燃性和耐火焰穿透性,而且耐熱性優(yōu)良,燃燒時生煙較少,但這種方法多用于阻燃硬質(zhì)聚氨酯泡沫。
  此種方法雖然具有阻燃性能持久性好、對物理機械性能影響較小等優(yōu)點,但在聚醚多元醇或異氰酸酯中引入阻燃元素的反應(yīng)需要專用設(shè)備,生產(chǎn)過程較復(fù)雜。目前國內(nèi)尚未生產(chǎn)出性能較好的PU軟質(zhì)泡沫塑料,而用阻燃聚醚多元醇或異氰酸酯,原料不易購買。同時,在原料分子中引入阻燃元素的量有限,提高的阻燃效果也畢竟有限。若引入的阻燃元素或加入的反應(yīng)型阻燃劑量過大,又會引起原料的反應(yīng)活性或其它性能改變,給發(fā)泡反應(yīng)造成困難,因此目前在工業(yè)上比較少見。
  (3)后處理法  后處理法又可分為浸漬法與防火涂層法,即用含有阻燃劑的液體浸漬或涂敷聚氨酯泡沫塑料制品,然后取出并干燥。由于浸漬法是在發(fā)泡成形后進(jìn)行浸漬處理,所以不會影響發(fā)泡反應(yīng),不受發(fā)泡工藝限制;但是只適合薄的泡沫片,并且所得泡沫材料觸感也不佳,所以在實際生產(chǎn)中,這類方法也較為少用。防火涂層法的實際意義較大,但不屬于泡沫塑料本身的阻燃化方法,而且它更適用于硬質(zhì)泡沫。
  3 軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料適用的阻燃劑
  鹵系阻燃劑
  目前用于阻燃FPUF的含鹵阻燃劑大多是含溴有機化合物,如多溴二苯醚、二溴苯基縮水甘油醚等。 FPUF中溴元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到12%~14%時,就能得到滿意的阻燃效果;如果復(fù)配了磷系阻燃劑,則含 0.5%磷和4%的溴即可使聚氨酯泡沫具有自熄性。但是鹵系阻燃劑因其毒性和對環(huán)境與生物體的危害是其進(jìn)一步發(fā)展的絆腳石。
  有機磷系阻燃劑
  目前適用于阻燃FPUF的磷系阻燃劑主要是添加型的,應(yīng)用最廣的是含鹵磷(膦)酸酯(包括它們的齊聚物)。除磷(膦)酸酯的阻燃效果以外,它還能提高聚氨酯的增塑性能、穩(wěn)定性、抗遷移性,因此磷(膦)酸酯作為聚氨酯的阻燃劑是目前研究的熱點。國外早就開發(fā)生產(chǎn)了分子量較高的二聚和齊聚磷 (膦)酸酯,揮發(fā)性低、耐水解性好,具有代表性的是Monsanto公司的phosgardC-22-R和phosgard2XC-20,以及Olin公司的Thermolin101。這些分子量高的二聚或齊聚磷(膦)酸酯國內(nèi)尚處于研究開發(fā)階段,由于產(chǎn)品成本高等因素還沒有工業(yè)化。
  反應(yīng)型有機磷系阻燃劑主要是含磷的多元醇,具有阻燃效率高、粘度低、相容性好、對材料性能影響小等優(yōu)點。
  無機磷系阻燃劑
  無機磷系阻燃劑主要包括紅磷、磷酸鹽和聚磷酸銨等。
  紅磷是一種性能優(yōu)良的阻燃劑,但易吸潮、氧化,并放出劇毒氣體,呈深紅色,因此對紅磷進(jìn)行表面處理是研究的主要方向,其中微膠囊化是最有效的方法。
  磷酸鹽和聚磷酸銨及其相應(yīng)的膨脹型阻燃劑,成為目前磷系阻燃劑比較活躍的研究領(lǐng)域。P—N元素協(xié)同阻燃性能好,熱穩(wěn)定性好,因而發(fā)展迅速。國內(nèi)研究的籠狀磷酸酯與APP復(fù)配的膨脹型阻燃體系具有良好的耐熱性和阻燃性。
  氮系阻燃劑
  目前已經(jīng)應(yīng)用的氮系阻燃劑主要是三聚氰胺(MA)及其鹽(氰脲酸鹽、磷酸鹽及雙氰胺鹽),他們可以單獨使用,也可作為混合膨脹型阻燃劑的組分。這類阻燃劑阻燃效率較佳且價廉。它們的問題是在基體中分散性較差,引起加工困難,因此對粒度及其在基體中的分布要求較嚴(yán)。
  在組合聚醚中加入這類阻燃劑后一般需不停地攪拌,以使料液均勻。阻燃劑會使物料粘度增加,降低物料的流動性,對泡沫性能有一定的負(fù)面影響;顆粒越細(xì)越有利于阻燃性能的發(fā)揮,并減輕對泡沫物性的不利影響,有時需采用協(xié)效劑。
  4 實驗室TDGP阻燃FPUF
  實驗室用三(一縮二丙二醇)亞磷酸酯(TDGP,tri-(dipropylene glycol)—Phosphate)反應(yīng)型阻燃劑阻燃FPUF,該阻燃劑含有三個羥基活性官能團,能和TDI反應(yīng)進(jìn)入FPUF分子鏈中。并運用LOI、TGA方法對其阻燃性能和熱行為進(jìn)行研究。
  以聚醚多元醇330N為100份計量反應(yīng),阻燃體系的氧指數(shù)(LOI)隨體系磷含量變化的規(guī)律見下圖:
  從圖中可以清楚看出,當(dāng)含磷量為0.78%時,TDGP阻燃的FPUF已達(dá)到了自熄級別。單位百分磷含量提高LOI為10%,但并不是含磷量越高,阻燃效果越好,當(dāng)TDGP的用量為25份時,LOI出現(xiàn)最佳點。
  結(jié)束語
  目前,聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的用量越來越大,同時火災(zāi)的危險性也越來越大。為了消除火災(zāi)隱患,就必須對聚氨酯軟質(zhì)泡沫進(jìn)行阻燃處理。從目前的情況來看,聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料所用的阻燃劑應(yīng)朝著無鹵、無銻、無醛等方面進(jìn)行研究。(阻燃材料國家專業(yè)實驗室  北京理工大學(xué)  虞振飛  劉吉平*  陳輝  郭春花  劉強)

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