磷-氮协效阻燃水性聚氨酯的性能
李 芬 1 ,2 , 3 ,罗运军 1 ,李晓萌 1 ,李 杰 1(1北京理工大学材料科学与工程学院,北京100081 ;2淮南师范学院化学与化工系,安徽 淮南232001 ;3 安徽理工大学材料科学与工程学院,安徽 淮南232001 )
关键词:水性聚氨酯;阻燃;磷 - 氮协效
DOI : 10.3969 / j.issn.0438 - 1157.2012.02.045
中图分类号: O 631 文献标志码: A
文章编号: 0438-1157 (2012 ) 02-0653-05
引 言
目前,市场上基本上采用添加型阻燃剂与水性 聚氨酯复配的方式对织物进行阻燃整理,这种方式 具有涂层不透明、阻燃剂添加量大、耐水洗性差等 缺点。而反应型阻燃水性聚氨酯可以克服这些缺点,在显著提高织物阻燃性的同时并不影响织物手 感。所以,反应型阻燃水性聚氨酯的研究具有重要 的意义和价值,成为国内外研究的热点之一。 Lee 等 [ 1 ] 采用含卤的聚酯多元醇合成出了稳定的阻燃水性聚氨酯,具有较好的阻燃效果。陈鹤等 [ 2 - 3 ] 以二 溴新戊二醇与甲苯二异氰酸酯反应合成出阻燃水性聚氨酯。喻志刚 [ 4 ] 通过磷酸二异辛酯与聚酯多元醇 的酯交换反应制得阻燃预聚体并分散在硅溶胶中, 得到磷硅协同的阻燃水性聚氨酯。罗运军等 [ 5 - 7 ] 分 别用有机磷多元醇、有机磷多元醇与羟基型二氮己 环、有机磷多元醇与有机硅多元醇制备出反应型阻 燃水性聚氨酯,对织物的阻燃效果显著。在已有研 究的基础上,本文作者 [ 8 - 9 ] 进一步采用磷 - 氮系阻燃 剂 N , N - 双 ( 2 - 羟甲基)氨基乙基膦酸二甲酯与异 氰酸酯反应合成出反应型磷 - 氮协效阻燃水性聚氨 酯,应用在织物上,具有阻燃效果好、涂层透明、 织物显原色、耐水洗性好的特点。本研究对合成得 到的磷 - 氮协效阻燃水性聚氨酯的性能进行研究, 氧指数测试表明,阻燃剂含量为15% (质量分数) 时,聚氨酯的 LOI达到30.2% 。阻燃剂结构中同 时含有氮和磷,氮和磷一起促进碳化反应,大幅增 加残炭量,炭层可显著改善材料的阻燃性能,从而 显示出磷 - 氮协同阻燃作用。
1 实验部分
1.1 原料试剂与仪器设备 聚丙二醇:工业品,天津石化三厂, 90℃真空 脱水3h ;二羟甲基丙酸:工业品,北京林氏精化 新材料有限公司, 85℃ 真空干燥 4h ; N , N - 双 ( 2 - 羟甲基)氨乙基膦酸二甲酯,实验室自制, 80℃ 真 空脱水4h ;甲苯二异氰酸酯:化学纯,上海试剂 厂;丁酮:分析纯,北京益利精细化学品 公司, 4A 分子筛除水;三乙胺:化学纯,北京益利精细 化学品公司。
LFY - 606B型数显氧指数测定仪,山东省纺织 科学研究院仪器研究所; TGA / DSC 1 型热失重 仪,瑞士 METTLER TOLEDO公司; DSC 1型差 示扫描量热仪,瑞士 METTLER TOLEDO 公司; S - 4800型扫描电镜,日本日立公司; AGS - J型力 学试验机,日本岛津公司。
1.2 磷 - 氮协效阻燃水性聚氨酯的合成
按文献[ 8 ]方法使聚丙二醇、二羟甲基丙酸、 N , N - 双 ( 2 - 羟甲基)氨基乙基膦酸二甲酯与甲苯 二异氰酸酯反应得到反应型磷 - 氮协效阻燃水性聚 氨酯 ( PU )乳液。 N , N - 双 ( 2 - 羟甲基)氨基乙基 膦酸 二 甲 酯 含 量 分 别 为 0 、 5% 、 10% 、 15% 、 20% 的 水 性 聚 氨 酯, 记 为 PU0 、 PU1 、 PU2 、 PU3 、 PU4 。
1.3 乳胶膜的制备
将阻燃水性聚氨酯乳液置于聚四氟乙烯模板 中,室温静置7d ,待水分缓慢挥发后放入75℃真 空干燥箱中干燥2d ,得到厚度约0.5mm 的透明、 无气泡、表面平整的乳胶膜。
1.4 性能测试
氧指数 ( LOI )测试:按非自撑材料的制样 标准,将乳胶膜制成 150mm×50mm 的长方形样 条,每组15个,取火焰在距顶端50mm 处正好熄 灭时的氧浓度为该样品的氧指数。 TG 测试: N 2 氛围,升温速率10℃ · min -1 。 SEM 测试:电子 束能量15keV ,样品扫描前喷金处理。 DSC测试: N 2 氛围,升温速率10℃ · min -1 。力学性能测试: 按国标1040 - 92测试,每组5个样条。
2 结果与讨论
2.1 氧指数 ( LOI)分析 不同阻燃剂含量的阻燃水性聚氨酯的 LOI 值 如表 1 所示。由表 1 可知,阻燃改性的水性聚氨酯 的LOI值均明显大于未阻燃改性的,且随着阻燃 剂含量的增加, LOI值呈现先增大、后降低的规 律。在阻燃剂含量为15% ( PU3 )时,聚氨酯的 LOI达到30.2% (比未阻燃改性的 PU0的值提高 了6.3% )。其中,继续增加阻燃剂的含量到20% 时,聚氨酯的 LOI 值反而下降,其原因可能是当 聚氨酯结构中磷含量较大时,体系分子链更容易断 裂发生热裂解,致使聚合物中磷元素在未充分发生 阻燃作用前即已损失。
根据LOI对材料的燃烧性难易分级 [ 10 ] , PU0 属于易燃级; PU1为可燃级; PU2与 PU4介于可 燃与难燃级之间;而PU3已降低到难燃级。
2.2 TG分析
阻燃剂含量分别为0 ( PU0 )和15% ( PU3 ) 的水性聚氨酯热失重曲线及热失重微分曲线分别如 图1和图2所示。从图1和图2可知, PU0的分解 分为两个阶段,第一阶段为188~332℃ ;第二阶 段332~433℃ ,是PU0的主要分解阶段。而 PU3 的分解分为3个阶段,第一阶段为 173~251℃ ;第二阶段251~310℃ ;第三阶段为310~441℃ , 是PU3的主要分解阶段。
表2为不同阻燃剂含量聚氨酯的 TG 数据。在 表2中,比较不同阻燃剂含量聚氨酯质量损失5% 时的温度 ( T 5% )和主要分解阶段最大分解速率温 度 ( T main )发现,结构中含有阻燃剂成分的聚氨酯 的 T 5% 和 T main 均比未阻燃改性聚氨酯 PU0的小。 表明引入阻燃剂后,聚氨酯的热分解温度降低。
由表2 ,比较不同阻燃剂含量聚氨酯的主要分 解阶段最大分解速率 ( v main )发现,引入阻燃剂 后,聚氨 酯 的 v main 减 小。其 中, PU0 的 v main 是 0.0182% · ℃ -1 ;而 PU3 的 为 0.0131% · ℃ -1 , 比PU0的减小了38.9% 。说明引入阻燃剂后,虽 然降低了聚氨酯的热分解温度,但是延缓了整个聚 合物材料的分解速率,表现出良好的阻燃性能。
同PU0相比 PU3的热分解过程明显复杂得 多,分解温度降低,并出现3个分解阶段,其原因 可能是: PU0受热到205.9~315.0℃时,聚氨酯 主链上氨基甲酸酯分解成异氰酸酯与多元醇,然后 进一步分解为胺类、烯烃和 CO 2 [ 11 - 12 ] 。而 PU3中 阻燃剂 N , N - 双 ( 2 - 羟甲基)氨乙基膦酸二甲酯是 以硬段的形式接入到聚氨酯结构中的,在受热情况 下于 145~350℃时会发生P — C键断裂和膦酸酯片 断脱烃基的过程 [ 13 ] 。因此同PU0相比, PU3除了 存在与 PU0 相同成分的分解外,还存在阻燃剂成 分的分解。
不同阻燃剂含量的聚氨酯在 480℃ 下的残炭率 如表 2 所 示。 在 480℃ 时, PU0 的 残 炭 量 为 0.97% 。加入阻燃剂后, PU 的残炭量均明显高于 PU0 的,并且随着阻燃剂含量的增加,残炭量大 幅上升, PU4的残炭量为11.40% ,比 PU0提高 了1075% 。从图1 和表2可以得出结论:将阻燃 剂引入到聚氨酯结构中会使其分解温度降低,同时 高温时阻燃剂会加速聚氨酯的成碳。
N , N - 双 ( 2 - 羟甲基)氨乙基膦酸二甲酯改性 的阻燃聚氨酯残炭量大的原因:一是因为磷 - 氮阻 燃剂在较低温度下先行分解,生成稳定的含磷化合 物 [ 12 ] ,并形成隔热炭层保护内部材料,从而降低 了聚合物在高温环境下的失重,使其在高温区的残 炭量远远高于未改性的聚氨酯。二是因为阻燃剂结 构中含有氮,氮容易和磷一起促进碳化反应,使改 性的阻燃聚氨酯的残炭量增加。炭层难以燃烧、隔 氧隔热,通常情况下,残炭率越高,说明该材料的 阻燃性能越好。因此, N , N - 双 ( 2 - 羟甲基)氨乙 基膦酸二甲酯改性的阻燃聚氨酯显示出优异地磷 - 氮协同阻燃作用。
2.3 残炭SEM分析
观察了阻燃剂含量分别为0 ( PU0 )和15% ( PU3 )的水性聚氨酯在 TG 测试后的炭层形貌, 其SEM 图如图3所示。从图3 ( a )和图3 ( b )可以 看出,未阻燃改性的PU0所形成的炭层疏松多孔,这些孔洞成为物质的传输通道,有助于传氧传热, 使燃烧更加剧烈。
从图 3 ( c )和图 3 ( d )中可以看到,阻燃改性 后的 PU3所形成的炭层致密、光滑,这种致密的 炭层覆盖在材料的表面,能够很好地隔绝氧气和热 量,具有较强的阻燃能力。 PU3 的炭层表现出典 型的凝聚相阻燃机理的炭层形貌。因为 N , N - 双 ( 2 - 羟甲基)氨基乙基膦酸二甲酯在受热时首先分 解为一种非燃性液态膜的磷酸,覆盖在材料表面, 起到隔绝作用;随温度升高,磷酸逐步聚合成聚磷 酸 [ 12 ] 。聚磷酸热稳定性高,迅速使高聚物脱水碳 化,在材料表面形成致密光滑无孔洞的碳层。炭层 起到隔 氧 隔 热、抑 烟 的 作 用,并 防 止 产 生 熔 滴 现象。
2.4 DSC分析
通常,软段的玻璃化转变温度可用来表征聚氨 酯微相分离的程度,而 DSC是表征聚合物玻璃化 转变温度的一个重要方法 [ 14 - 15 ] 。不同阻燃剂含量 的磷 - 氮协效阻燃水性聚氨酯的 DSC曲线如图4所 示,由图4可知,所有的聚氨酯均有两个玻璃化转 变温度。已有研究表明,聚氨酯的软段玻璃化温度 越低,表示其微相分离程度越高 [ 16 ] 。 PU0的软段 玻璃 化 温 度 ( T gs ) 为 -12.72℃ , PU1 的 T gs 为-14.56℃ ,向低温方向移动,表明 PU1的软硬 段之间的极性差增大,相分离程度增加。继续增加 阻燃剂的含量, PU2 的 T gs 为 -12.06℃ , PU3 的为-1.76℃ , PU4的为-11.35℃ 。 PU 的 T gs 先向 高温移动、最后移向低温,表明聚氨酯的相分离程 度先减小、最后增大。有研究 [ 17 ] 表明,当硬段含 量为40%以下时,软段是连续相,硬段分散在软 段基料中;当硬段含量为 40% ~60% 时,软段、 硬段均可能是连续相,形成咬合或连通形态;当硬 段含量为 60% 以上时,硬段是连续相,软段分散 在硬段基料中。本文合成的聚氨酯中,阻燃剂的含 量为 10% ( PU2 )时,硬段含量为 48% ,因此其 微相结构处于软硬段连通或咬合的形态中,软硬段 之间具有较好的相容性,导致相分离程度减小。在 阻燃剂 的 含 量 为 15% ( PU3 )时,硬 段 含 量 为 56% ,微相分离程度进一步减小。增加阻燃剂含量 到 20% ( PU4 )时,硬段含量为 63% ,此时,聚 氨酯的微相结构发生变化,硬段变成连续相,有利 于硬段的规整排列和紧密堆积,提高了微相分离 程度。
PU0的硬段玻璃化温度 ( T g , h )为74.70℃ ,同 PU0相比,不同阻燃剂含量的PU 的 T g , h 随着阻燃 剂含量的增加越来越小,向低温方向移动。因为阻 燃剂 N , N - 双 ( 2 - 羟甲基)氨乙基膦酸二甲酯位于聚 氨酯的硬段中,分子中存在 CO ( P O ) OC 结 构,有较大的空间位阻,导致硬段之间相互靠拢聚 集受阻碍,分子间作用力减小, T g , h 减小 [ 2 ] 。
2.5 力学性能分析
不同阻燃剂含量的阻燃水性聚氨酯的力学性能 数据如表3所示。随着阻燃剂含量的增加,聚氨酯 乳胶膜的断裂伸长率降低;拉伸强度增大。这可能 是由于阻燃剂在聚氨酯结构中属于硬段部分,当阻 燃剂含量增加时,硬段含量也相应增大,使得聚氨酯乳胶膜变硬,导致断裂伸长率降低,拉伸强度 增大。
3 结 论
采用 N , N - 双 ( 2 - 羟甲基)氨基乙基膦酸二甲 酯与甲苯二异氰酸酯反应制备出本质阻燃的磷 - 氮 协效阻燃水性聚氨酯,本文对其阻燃性能、热失 重、残炭形貌、玻璃化转变和力学性能进行研究。 实验结果 表 明:阻 燃 剂 含 量 为 15% 时,聚 氨 酯 LOI 达到 30.2% ,使 PU 从易燃级降低到难燃级。 阻燃改性后的聚氨酯热分解温度降低,最大分解速 率下降,残炭量随着阻燃剂含量的增加大幅上升。 SEM 测试表明形成的炭层致密,光滑,无孔洞。 随阻燃剂含量的增加,相分离程度呈现先增大、再 减小,然后再增大的规律;拉伸强度逐渐增大,而 断裂伸长率逐渐减小。
将该阻燃水性聚氨酯应用于织物上 [ 9 ] ,测试其 垂直燃烧性能,达到 GB / T 5455 — 1997B1 级标 准,阻燃效果显著。
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