磷-氮協效阻燃水性聚氨酯的性能
李 芬 1 ,2 , 3 ,羅運軍 1 ,李曉萌 1 ,李 杰 1(1北京理工大學材料科學與工程學院,北京100081 ;2淮南師范學院化學與化工系,安徽 淮南232001 ;3 安徽理工大學材料科學與工程學院,安徽 淮南232001 )
關鍵詞:水性聚氨酯;阻燃;磷 - 氮協效
DOI : 10.3969 / j.issn.0438 - 1157.2012.02.045
中圖分類號: O?。叮常薄 ?文獻標志碼: A
文章編號: 0438-1157 (2012 ) 02-0653-05
引 言
目前,市場上基本上采用添加型阻燃劑與水性 聚氨酯復配的方式對織物進行阻燃整理,這種方式 具有涂層不透明、阻燃劑添加量大、耐水洗性差等 缺點。而反應型阻燃水性聚氨酯可以克服這些缺點,在顯著提高織物阻燃性的同時并不影響織物手 感。所以,反應型阻燃水性聚氨酯的研究具有重要 的意義和價值,成為國內外研究的熱點之一。 Lee 等 [ 1 ] 采用含鹵的聚酯多元醇合成出了穩定的阻燃水性聚氨酯,具有較好的阻燃效果。陳鶴等 [ 2 - 3 ] 以二 溴新戊二醇與甲苯二異氰酸酯反應合成出阻燃水性聚氨酯。喻志剛 [ 4 ] 通過磷酸二異辛酯與聚酯多元醇 的酯交換反應制得阻燃預聚體并分散在硅溶膠中, 得到磷硅協同的阻燃水性聚氨酯。羅運軍等 [ 5 - 7 ] 分 別用有機磷多元醇、有機磷多元醇與羥基型二氮己 環、有機磷多元醇與有機硅多元醇制備出反應型阻 燃水性聚氨酯,對織物的阻燃效果顯著。在已有研 究的基礎上,本文作者 [ 8 - 9 ] 進一步采用磷 - 氮系阻燃 劑 N , N - 雙 ( 2 - 羥甲基)氨基乙基膦酸二甲酯與異 氰酸酯反應合成出反應型磷 - 氮協效阻燃水性聚氨 酯,應用在織物上,具有阻燃效果好、涂層透明、 織物顯原色、耐水洗性好的特點。本研究對合成得 到的磷 - 氮協效阻燃水性聚氨酯的性能進行研究, 氧指數測試表明,阻燃劑含量為15% (質量分數) 時,聚氨酯的 LOI達到30.2% 。阻燃劑結構中同 時含有氮和磷,氮和磷一起促進碳化反應,大幅增 加殘炭量,炭層可顯著改善材料的阻燃性能,從而 顯示出磷 - 氮協同阻燃作用。
1 實驗部分
1.1 原料試劑與儀器設備 聚丙二醇:工業品,天津石化三廠, 90℃真空 脫水3h ;二羥甲基丙酸:工業品,北京林氏精化 新材料有限公司, 85℃ 真空干燥 4h ; N , N - 雙 ( 2 - 羥甲基)氨乙基膦酸二甲酯,實驗室自制, 80℃ 真 空脫水4h ;甲苯二異氰酸酯:化學純,上海試劑 廠;丁酮:分析純,北京益利精細化學品 公司, 4A 分子篩除水;三乙胺:化學純,北京益利精細 化學品公司。
LFY - 606B型數顯氧指數測定儀,山東省紡織 科學研究院儀器研究所; TGA / DSC 1 型熱失重 儀,瑞士 METTLER TOLEDO公司; DSC 1型差 示掃描量熱儀,瑞士 METTLER TOLEDO 公司; S - 4800型掃描電鏡,日本日立公司; AGS - J型力 學試驗機,日本島津公司。
1.2 磷 - 氮協效阻燃水性聚氨酯的合成
按文獻[ 8 ]方法使聚丙二醇、二羥甲基丙酸、 N , N - 雙 ( 2 - 羥甲基)氨基乙基膦酸二甲酯與甲苯 二異氰酸酯反應得到反應型磷 - 氮協效阻燃水性聚 氨酯 ( PU )乳液。 N , N - 雙 ( 2 - 羥甲基)氨基乙基 膦酸 二 甲 酯 含 量 分 別 為 0 、 5% 、 10% 、 15% 、 20% 的 水 性 聚 氨 酯, 記 為 PU0 、 PU1 、 PU2 、 PU3 、 PU4 。
1.3 乳膠膜的制備
將阻燃水性聚氨酯乳液置于聚四氟乙烯模板 中,室溫靜置7d ,待水分緩慢揮發后放入75℃真 空干燥箱中干燥2d ,得到厚度約0.5mm 的透明、 無氣泡、表面平整的乳膠膜。
1.4 性能測試
氧指數 ( LOI )測試:按非自撐材料的制樣 標準,將乳膠膜制成 150mm×50mm 的長方形樣 條,每組15個,取火焰在距頂端50mm 處正好熄 滅時的氧濃度為該樣品的氧指數。 TG 測試: N 2 氛圍,升溫速率10℃ · min -1 。 SEM 測試:電子 束能量15keV ,樣品掃描前噴金處理。 DSC測試: N 2 氛圍,升溫速率10℃ · min -1 。力學性能測試: 按國標1040 - 92測試,每組5個樣條。
2 結果與討論
2.1 氧指數 ( LOI)分析 不同阻燃劑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值均明顯大于未阻燃改性的,且隨著阻燃 劑含量的增加, LOI值呈現先增大、后降低的規 律。在阻燃劑含量為15% ( PU3 )時,聚氨酯的 LOI達到30.2% (比未阻燃改性的 PU0的值提高 了6.3% )。其中,繼續增加阻燃劑的含量到20% 時,聚氨酯的 LOI 值反而下降,其原因可能是當 聚氨酯結構中磷含量較大時,體系分子鏈更容易斷 裂發生熱裂解,致使聚合物中磷元素在未充分發生 阻燃作用前即已損失。
根據LOI對材料的燃燒性難易分級 [ 10 ] , PU0 屬于易燃級; PU1為可燃級; PU2與 PU4介于可 燃與難燃級之間;而PU3已降低到難燃級。
2.2 TG分析
阻燃劑含量分別為0 ( PU0 )和15% ( PU3 ) 的水性聚氨酯熱失重曲線及熱失重微分曲線分別如 圖1和圖2所示。從圖1和圖2可知, PU0的分解 分為兩個階段,第一階段為188~332℃ ;第二階 段332~433℃ ,是PU0的主要分解階段。而 PU3 的分解分為3個階段,第一階段為 173~251℃ ;第二階段251~310℃ ;第三階段為310~441℃ , 是PU3的主要分解階段。
表2為不同阻燃劑含量聚氨酯的 TG 數據。在 表2中,比較不同阻燃劑含量聚氨酯質量損失5% 時的溫度 ( T 5% )和主要分解階段最大分解速率溫 度 ( T main )發現,結構中含有阻燃劑成分的聚氨酯 的 T 5% 和 T main 均比未阻燃改性聚氨酯 PU0的小。 表明引入阻燃劑后,聚氨酯的熱分解溫度降低。
由表2 ,比較不同阻燃劑含量聚氨酯的主要分 解階段最大分解速率 ( v main )發現,引入阻燃劑 后,聚氨 酯 的 v main 減 小。其 中, PU0 的 v main 是 0.0182% · ℃ -1 ;而 PU3 的 為 0.0131% · ℃ -1 , 比PU0的減小了38.9% 。說明引入阻燃劑后,雖 然降低了聚氨酯的熱分解溫度,但是延緩了整個聚 合物材料的分解速率,表現出良好的阻燃性能。
同PU0相比 PU3的熱分解過程明顯復雜得 多,分解溫度降低,并出現3個分解階段,其原因 可能是: PU0受熱到205.9~315.0℃時,聚氨酯 主鏈上氨基甲酸酯分解成異氰酸酯與多元醇,然后 進一步分解為胺類、烯烴和 CO 2 [ 11 - 12 ] 。而 PU3中 阻燃劑 N , N - 雙 ( 2 - 羥甲基)氨乙基膦酸二甲酯是 以硬段的形式接入到聚氨酯結構中的,在受熱情況 下于 145~350℃時會發生P — C鍵斷裂和膦酸酯片 斷脫烴基的過程 [ 13 ] 。因此同PU0相比, PU3除了 存在與 PU0 相同成分的分解外,還存在阻燃劑成 分的分解。
不同阻燃劑含量的聚氨酯在 480℃ 下的殘炭率 如表 2 所 示。 在 480℃ 時, PU0 的 殘 炭 量 為 0.97% 。加入阻燃劑后, PU 的殘炭量均明顯高于 PU0 的,并且隨著阻燃劑含量的增加,殘炭量大 幅上升, PU4的殘炭量為11.40% ,比 PU0提高 了1075% 。從圖1 和表2可以得出結論:將阻燃 劑引入到聚氨酯結構中會使其分解溫度降低,同時 高溫時阻燃劑會加速聚氨酯的成碳。
N , N - 雙 ( 2 - 羥甲基)氨乙基膦酸二甲酯改性 的阻燃聚氨酯殘炭量大的原因:一是因為磷 - 氮阻 燃劑在較低溫度下先行分解,生成穩定的含磷化合 物 [ 12 ] ,并形成隔熱炭層保護內部材料,從而降低 了聚合物在高溫環境下的失重,使其在高溫區的殘 炭量遠遠高于未改性的聚氨酯。二是因為阻燃劑結 構中含有氮,氮容易和磷一起促進碳化反應,使改 性的阻燃聚氨酯的殘炭量增加。炭層難以燃燒、隔 氧隔熱,通常情況下,殘炭率越高,說明該材料的 阻燃性能越好。因此, N , N - 雙 ( 2 - 羥甲基)氨乙 基膦酸二甲酯改性的阻燃聚氨酯顯示出優異地磷 - 氮協同阻燃作用。
2.3 殘炭SEM分析
觀察了阻燃劑含量分別為0 ( PU0 )和15% ( PU3 )的水性聚氨酯在 TG 測試后的炭層形貌, 其SEM 圖如圖3所示。從圖3 ( a )和圖3 ( b )可以 看出,未阻燃改性的PU0所形成的炭層疏松多孔,這些孔洞成為物質的傳輸通道,有助于傳氧傳熱, 使燃燒更加劇烈。
從圖 3 ( c )和圖 3 ( d )中可以看到,阻燃改性 后的 PU3所形成的炭層致密、光滑,這種致密的 炭層覆蓋在材料的表面,能夠很好地隔絕氧氣和熱 量,具有較強的阻燃能力。 PU3 的炭層表現出典 型的凝聚相阻燃機理的炭層形貌。因為 N , N - 雙 ( 2 - 羥甲基)氨基乙基膦酸二甲酯在受熱時首先分 解為一種非燃性液態膜的磷酸,覆蓋在材料表面, 起到隔絕作用;隨溫度升高,磷酸逐步聚合成聚磷 酸 [ 12 ] 。聚磷酸熱穩定性高,迅速使高聚物脫水碳 化,在材料表面形成致密光滑無孔洞的碳層。炭層 起到隔 氧 隔 熱、抑 煙 的 作 用,并 防 止 產 生 熔 滴 現象。
2.4 DSC分析
通常,軟段的玻璃化轉變溫度可用來表征聚氨 酯微相分離的程度,而 DSC是表征聚合物玻璃化 轉變溫度的一個重要方法 [ 14 - 15 ] 。不同阻燃劑含量 的磷 - 氮協效阻燃水性聚氨酯的 DSC曲線如圖4所 示,由圖4可知,所有的聚氨酯均有兩個玻璃化轉 變溫度。已有研究表明,聚氨酯的軟段玻璃化溫度 越低,表示其微相分離程度越高 [ 16 ] 。 PU0的軟段 玻璃 化 溫 度 ( T gs ) 為 -12.72℃ , PU1 的 T gs 為-14.56℃ ,向低溫方向移動,表明 PU1的軟硬 段之間的極性差增大,相分離程度增加。繼續增加 阻燃劑的含量, PU2 的 T gs 為 -12.06℃ , PU3 的為-1.76℃ , PU4的為-11.35℃ 。 PU 的 T gs 先向 高溫移動、最后移向低溫,表明聚氨酯的相分離程 度先減小、最后增大。有研究 [ 17 ] 表明,當硬段含 量為40%以下時,軟段是連續相,硬段分散在軟 段基料中;當硬段含量為 40% ~60% 時,軟段、 硬段均可能是連續相,形成咬合或連通形態;當硬 段含量為 60% 以上時,硬段是連續相,軟段分散 在硬段基料中。本文合成的聚氨酯中,阻燃劑的含 量為 10% ( PU2 )時,硬段含量為 48% ,因此其 微相結構處于軟硬段連通或咬合的形態中,軟硬段 之間具有較好的相容性,導致相分離程度減小。在 阻燃劑 的 含 量 為 15% ( PU3 )時,硬 段 含 量 為 56% ,微相分離程度進一步減小。增加阻燃劑含量 到 20% ( PU4 )時,硬段含量為 63% ,此時,聚 氨酯的微相結構發生變化,硬段變成連續相,有利 于硬段的規整排列和緊密堆積,提高了微相分離 程度。
PU0的硬段玻璃化溫度 ( T g , h )為74.70℃ ,同 PU0相比,不同阻燃劑含量的PU 的 T g , h 隨著阻燃 劑含量的增加越來越小,向低溫方向移動。因為阻 燃劑 N , N - 雙 ( 2 - 羥甲基)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 結 構,有較大的空間位阻,導致硬段之間相互靠攏聚 集受阻礙,分子間作用力減小, T g , h 減小 [ 2 ] 。
2.5 力學性能分析
不同阻燃劑含量的阻燃水性聚氨酯的力學性能 數據如表3所示。隨著阻燃劑含量的增加,聚氨酯 乳膠膜的斷裂伸長率降低;拉伸強度增大。這可能 是由于阻燃劑在聚氨酯結構中屬于硬段部分,當阻 燃劑含量增加時,硬段含量也相應增大,使得聚氨酯乳膠膜變硬,導致斷裂伸長率降低,拉伸強度 增大。
3 結 論
采用 N , N - 雙 ( 2 - 羥甲基)氨基乙基膦酸二甲 酯與甲苯二異氰酸酯反應制備出本質阻燃的磷 - 氮 協效阻燃水性聚氨酯,本文對其阻燃性能、熱失 重、殘炭形貌、玻璃化轉變和力學性能進行研究。 實驗結果 表 明:阻 燃 劑 含 量 為 15% 時,聚 氨 酯 LOI 達到 30.2% ,使 PU 從易燃級降低到難燃級。 阻燃改性后的聚氨酯熱分解溫度降低,最大分解速 率下降,殘炭量隨著阻燃劑含量的增加大幅上升。 SEM 測試表明形成的炭層致密,光滑,無孔洞。 隨阻燃劑含量的增加,相分離程度呈現先增大、再 減小,然后再增大的規律;拉伸強度逐漸增大,而 斷裂伸長率逐漸減小。
將該阻燃水性聚氨酯應用于織物上 [ 9 ] ,測試其 垂直燃燒性能,達到 GB / T 5455 — 1997B1 級標 準,阻燃效果顯著。
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