CN111607219B - 一种低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于阻燃热塑性聚氨酯弹性体领域，具体涉及一种低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料及其制备方法。原料按质量份数构成如下：热塑性聚氨酯弹性体58.8‑60份，层状碳化钛/二氧化锰杂化物阻燃剂0‑1.2份。本发明所得的低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料有很好的抑烟效果，使材料燃烧时烟释放速率、总烟释放量以及有毒有害气体释放量显著降低，即在很大程度上降低了热塑性聚氨酯弹性体发生火灾时的危险性。

Description

一种低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于阻燃热塑性聚氨酯弹性体领域，具体涉及一种低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料及其制备方法。
背景技术
由于热塑性聚氨酯弹性体具有耐磨性、高硬性、耐低温、耐油等良好的性能，使其广泛应用于手机壳、输送管道、体育器材等生产生活用品中。但是，由于热塑性聚氨酯弹性体本身结构的特殊性，极易燃烧，燃烧时火焰剧烈并且伴有大量黑烟和有毒气体，热释放量大，同时具有严重的熔滴现象。传统的含卤阻燃剂在解决热塑性聚氨酯弹性体的易燃性上起到了很好的作用，但是它不能解决热塑性聚氨酯弹性体燃烧时放出大量黑烟和有毒气体的问题，反而在燃烧时会释放出大量污染环境的气体。
国内外研究人员也一直在研究无卤阻燃剂及其在热塑性聚氨酯弹性体中的应用。汪碧波等人以聚磷酸铵为阻燃剂，合成了一种均匀的立方体羟基锡酸锌，用于减少热塑性聚氨酯弹性体(TPU)复合材料的火灾危险性；焦传梅等人将铁粉与聚磷酸铵(APP)混合用于热塑性聚氨酯弹性体(TPU)复合材料的抑烟阻燃；陈希磊等人研究了气相二氧化硅对聚磷酸铵(APP)/热塑性聚氨酯弹性体(TPU)复合材料的抑烟阻燃协同作用；LiuLi等人将炭黑(CB)和聚磷酸铵(APP)熔融混合用于热塑性聚氨酯弹性体(TPU)材料的抑烟阻燃。然而，通过文献调研发现，含磷阻燃剂对于热塑性聚氨酯弹性体的阻燃抑烟都有一定效果，但是这些阻燃剂要么添加量过大，使材料力学性能降低；要么阻燃性能很好，而抑烟性能不是很好。同时，还发现大多数抑烟效果好的阻燃剂是通过改变碳层结构或者促进碳层生成达到抑烟效果。
层状碳化钛基杂化物作为一种新型高效阻燃剂，在燃烧时不会产生污染性气体。同时，由于层状碳化钛和二氧化锰作为金属化合物，具有很好的催化成碳作用，可能有利于热塑性聚氨酯弹性体的抑烟减毒，所以将层状碳化钛和二氧化锰杂化，与热塑性聚氨酯弹性体复合，可赋予热塑性聚氨酯弹性体抑烟减毒性能，而且阻燃剂为纳米杂化物，对复合材料的力学性能影响比较小。
发明内容
本发明针对热塑性聚氨酯弹性体燃烧生烟量大以及会产生有毒有害气体的缺点，提供了一种低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料及其制备方法，解决热塑性聚氨酯弹性体燃烧时产生大量烟气问题。
为实现上述目的，本发明的具体制备方案如下：
一种低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料，由热塑性聚氨酯弹性体和层状碳化钛/二氧化锰杂化物阻燃剂组成，以质量份数计，所述热塑性聚氨酯弹性体58.8-60份，层状碳化钛/二氧化锰杂化物阻燃剂0-1.2份；
进一步地，其热塑性聚氨酯弹性体和层状碳化钛/二氧化锰杂化物阻燃剂的质量配比为58.8：1.2，59.4：0.6，59.7：0.3中的任意一种；
进一步地，所述的阻燃剂为层状碳化钛/二氧化锰杂化物，杂化物中两者的质量比例为3：10。
其中，所述热塑性聚氨酯弹性体购于保定邦泰化学工业有限公司。
一种低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料的制备方法，具体步骤包括：
其中原料按重量份计，
(1)在离心试管中加入20毫升盐酸，1.56份氟化锂，1.00份碳铝钛，磁力搅拌下，35摄氏度油浴加热48小时，获得碳化钛，经过酸洗、水洗以及超声剥离得到层状碳化钛；
(2)取0.24份氯化锰和50毫升异丙醇混合超声搅拌2小时，加入步骤(1)中剥离后的层状碳化钛，机械搅拌30分钟，油浴加热至84摄氏度后加入0.127份高锰酸钾，机械搅拌30分钟，经过冷却、离心、水洗步骤后，干燥12小时，得到层状碳化钛/二氧化锰杂化物；
(3)取58.8-60份热塑性聚氨酯弹性体，将其溶于250毫升N,N-二甲基甲酰胺中，加入分散于乙醇的层状碳化钛/二氧化锰杂化物，超声搅拌1小时；
(4)将步骤(3)获得的溶液在磁力搅拌的条件下加入到去离子水中，待复合材料析出后，剪成块状，烘干，并在190摄氏度下密炼、压板得到低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料。
进一步地，步骤(1)中所述酸洗使用盐酸和去离子水，质量比为9：200；
进一步地，步骤(1)所述超声剥离碳化钛时间为30分钟，温度≦40℃，超声功率≧50W。
进一步地，步骤(2)以及步骤(3)中所述超声搅拌的功率为50W。
由于采用上述发明制备方法，与已有技术(只在热塑性聚氨酯弹性体中加入层状碳化钛或者二氧化锰)相比：锥形量热仪的数据表明，添加层状碳化钛/二氧化锰杂化物的热塑性聚氨酯弹性体总烟气产生量、生烟速率显著降低，同时一氧化碳和二氧化碳的释放速率及总释放量也显著降低，降低了热塑性聚氨酯弹性体复合材料的燃烧危险性。并且通过数据的综合比较，表明热塑性聚氨酯弹性体和复合材料质量配比为59.7：0.3时效果最佳。
附图说明
图1阻燃热塑性聚氨酯弹性体复合材料在燃烧过程中的CO释放曲线：
(a)CO释放速率 (b)总CO释放；
图2阻燃热塑性聚氨酯弹性体复合材料在燃烧过程中的CO2释放曲线：
(a)CO2释放速率 (b)总CO2释放；
图3阻燃热塑性聚氨酯弹性体复合材料在燃烧过程中的烟释放曲线：
(a)烟释放速率 (b)总烟释放。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。当然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料的配方(其中前三组为对照组，后三组为实施组)
表1低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料的配方
样品编号 TPU TC-MnO<sub>2</sub> TC MnO<sub>2</sub>
TPU 60g 0 0 0
TPU-TC-2.0 58.8g 0 1.2g 0
TPU-MnO<sub>2</sub>-2.0 58.8g 0 0 1.2g
TPU-TC-MnO<sub>2</sub>-2.0 58.8g 1.2g 0 0
TPU-TC-MnO<sub>2</sub>-1.0 59.4g 0.6g 0 0
TPU-TC-MnO<sub>2</sub>-0.5 59.7g 0.3g 0 0
实施例1：
一种低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料，按照以下步骤进行制备：
(1)获取20毫升盐酸，在磁力搅拌下加入1.56份氟化锂，1.00份碳铝钛，35摄氏度下油浴加热48小时，获得碳化钛，经过酸洗、水洗至pH接近中性，最后超声搅拌30分钟，其中超声温度≦40℃，超声功率≧50W，得到层状碳化钛。
(2)获取0.24份氯化锰和50毫升异丙醇混合超声2小时(超声功率50W)，加入0.8份步骤(1)中剥离后的层状碳化钛，机械搅拌30分钟，油浴加热至84摄氏度后加入0.127份高锰酸钾，机械搅拌30分钟，经冷却、离心、水洗三次及无水乙醇洗一次后，干燥12小时，得到层状碳化钛/二氧化锰杂化物。
(3)获取58.8份热塑性聚氨酯弹性体完全溶于250毫升的N,N-二甲基甲酰胺中，取1.2份的层状碳化钛/二氧化锰杂化物和25毫升无水乙醇混合超声搅拌3-5分钟，然后将层状碳化钛/二氧化锰杂化物加入到完全溶解的热塑性聚氨酯弹性体中，超声搅拌1小时(超声功率50W)。最后在磁力搅拌的同时将充分混合的复合材料加入到去离子水中，待复合材料析出后，剪成块状，烘干，最后经过密炼、压板，得到阻燃热塑性聚氨酯弹性体复合材料(TPU-Ti3C2Tx-MnO2-2.0)。
实施例2：
(1)获取20毫升盐酸，在磁力搅拌下加入1.56份氟化锂，1.00份碳铝钛，35摄氏度下油浴加热48小时，获得碳化钛，经过酸洗、水洗至pH接近中性，最后超声搅拌30分钟，其中超声温度≦40℃，超声功率≧50W，得到层状碳化钛。
(2)获取0.24份氯化锰和50毫升异丙醇混合超声2小时(超声功率50W)，加入步骤(1)中剥离后的层状碳化钛，机械搅拌30分钟，油浴加热至84摄氏度后加入0.127份高锰酸钾，机械搅拌30分钟，经冷却、离心、水洗三次及无水乙醇洗一次后，干燥12小时，得到层状碳化钛/二氧化锰杂化物。
(3)获取59.4份热塑性聚氨酯弹性体完全溶于250毫升的N,N-二甲基甲酰胺中，取0.6份的层状碳化钛/二氧化锰杂化物和25毫升无水乙醇混合超声搅拌3-5分钟，然后将层状碳化钛/二氧化锰杂化物加入到完全溶解的热塑性聚氨酯弹性体中，超声搅拌1小时。最后在磁力搅拌的同时将充分混合的复合材料加入到去离子水中，待复合材料析出后，剪成块状，烘干，最后经过密炼、压板，得到低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料(TPU-Ti3C2Tx-MnO2-1.0)。
实施例3：
(1)获取20毫升盐酸，在磁力搅拌下加入1.56份氟化锂，1.00份钛铝碳，35摄氏度下油浴加热48小时，获得碳化钛，经过酸洗、水洗至pH接近中性，最后超声搅拌30分钟，其中超声温度≦40℃，超声功率≧50W，得到层状碳化钛。
(2)获取0.24份氯化锰和50毫升异丙醇混合超声2小时(超声功率50W)，加入步骤(1)中剥离后的层状碳化钛，机械搅拌30分钟，油浴加热至84摄氏度后加入0.127份高锰酸钾，机械搅拌30分钟，经冷却、离心、水洗三次及无水乙醇洗一次后，干燥12小时，得到层状碳化钛/二氧化锰杂化物。
(3)获取59.7份热塑性聚氨酯弹性体完全溶于250毫升的N,N-二甲基甲酰胺中，取0.3份的层状碳化钛/二氧化锰杂化物和无水乙醇混合超声搅拌3-5分钟(超声功率50W)，然后将层状碳化钛/二氧化锰杂化物加入到完全溶解的热塑性聚氨酯弹性体中，超声搅拌1小时。最后在磁力搅拌的同时将充分混合的复合材料加入到去离子水中，待复合材料析出后，剪成块状，烘干，最后经过密炼、压板，得到阻燃热塑性聚氨酯弹性体复合材料(TPU-Ti3C2Tx-MnO2-0.5)。
比较例1：
获取60.0份热塑性聚氨酯弹性体完全溶于250毫升的N,N-二甲基甲酰胺中，超声搅拌1小时。最后在磁力搅拌条件下将充分混合的热塑性聚氨酯弹性体加入到去离子水中，待复合材料析出后，剪成块状，烘干，最后经过密炼、压板，得到纯热塑性聚氨酯弹性体材料(TPU)。
比较例2：
(1)获取20毫升盐酸，在磁力搅拌下加入1.56份氟化锂，1.00份碳铝钛，35摄氏度下油浴加热48小时，获得碳化钛，经过酸洗、水洗至pH接近中性，最后超声搅拌30分钟，得到层状碳化钛。
(2)获取58.8份热塑性聚氨酯弹性体完全溶于250毫升的N,N-二甲基甲酰胺中，取1.2份的层状碳化钛和无水乙醇混合超声搅拌3-5分钟，然后将层状碳化钛加入到完全溶解的热塑性聚氨酯弹性体中，超声搅拌1小时。最后在磁力搅拌的同时将充分混合的复合材料加入到去离子水中，待复合材料析出后，剪成块状，烘干，最后经过密炼、压板，得到低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料(TPU-Ti3C2Tx-2.0)。
比较例3：
(1)获取0.24份氯化锰和50毫升异丙醇混合超声2小时，油浴加热至84摄氏度后加入0.127份高锰酸钾，机械搅拌30分钟，经冷却、离心、水洗三次及无水乙醇洗一次后，60摄氏度真空干燥12小时，得到二氧化锰。
(2)获取58.8份热塑性聚氨酯弹性体完全溶于250毫升的N,N-二甲基甲酰胺中，取1.2份的二氧化锰和无水乙醇混合超声搅拌3-5分钟，然后将其加入到完全溶解的热塑性聚氨酯弹性体中，超声搅拌1小时。最后在磁力搅拌的同时将充分混合的复合物加入到去离子水中，待复合材料全部析出后，剪成块状，烘干，最后经过密炼、压板，得到阻燃热塑性聚氨酯弹性体复合材料(TPU-MnO2-2.0)。
将实施例1、2、3以及对比例1、2、3所得阻燃热塑性聚氨酯弹性体复合材料在锥形燃烧仪中进行燃烧测试，实验结果见表2。
表2 TPU及其复合材料在热流密度为35kW/m2条件下燃烧的锥形量热仪测试数据
Figure BDA0002563868190000071
Figure BDA0002563868190000081
根据表2和附图1-3对比，相对比于纯热塑性聚氨酯弹性体的对比例1，对比例2、3中加入二氧化锰或者层状碳化钛对热塑性聚氨酯弹性体有一定的阻燃和抑烟效果；通过实施例1、2、3与对比例进行对比，可以发现加入层状碳化钛/二氧化锰杂化材料的热塑性聚氨酯弹性体复合材料的烟释放以及有毒有害气体一氧化碳、二氧化碳的释放均有不同程度的减少，表明二氧化锰和层状碳化钛对热塑性聚氨酯弹性体燃烧的烟气释放以及毒性抑制起协同作用。通过实施例1、2、3之间进行对比，可以发现实施例3(TPU-Ti3C2TX-MnO2-0.5)的抑烟效果比另外两种更好一些。
本文中应用了具体的实施例对本发明的制备以及应用进行了阐述，而以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法以及核心思想。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰与改进，这些修饰与改进也应该落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料，其特征在于：由热塑性聚氨酯弹性体和层状碳化钛/二氧化锰杂化物阻燃剂组成，以质量份数计，所述热塑性聚氨酯弹性体58.8-60份，层状碳化钛/二氧化锰杂化物阻燃剂0.3-1.2份；其中层状碳化钛/二氧化锰杂化物阻燃剂的具体制备过程为：
(1)在离心试管中加入20毫升盐酸，1.56份氟化锂，1.00份碳铝钛，磁力搅拌下，35摄氏度油浴加热48小时，获得碳化钛，经过酸洗、水洗以及超声剥离得到层状碳化钛；
(2)取0.24份氯化锰和50毫升异丙醇混合超声搅拌2小时，加入步骤（1）中剥离后的层状碳化钛，机械搅拌30分钟，油浴加热至84摄氏度后加入0.127份高锰酸钾，机械搅拌30分钟，经过冷却、离心、水洗步骤后，干燥12小时，得到层状碳化钛/二氧化锰杂化物。
2.根据权利要求1所述的低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料，其特征在于：热塑性聚氨酯弹性体和层状碳化钛/二氧化锰杂化物阻燃剂的质量配比为58.8：1.2，59.4：0.6，59.7：0.3中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料，其特征在于：所述层状碳化钛/二氧化锰杂化物阻燃剂中二氧化锰与层状碳化钛的质量比例为3：10。
4.如权利要求1-3任一项所述低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：其中原料按重量份计，
（1）在离心试管中加入20毫升盐酸，1.56份氟化锂，1.00份碳铝钛，磁力搅拌下，35摄氏度油浴加热48小时，获得碳化钛，经过酸洗、水洗以及超声剥离得到层状碳化钛；
（2）取0.24份氯化锰和50毫升异丙醇混合超声搅拌2小时，加入步骤（1）中剥离后的层状碳化钛，机械搅拌30分钟，油浴加热至84摄氏度后加入0.127份高锰酸钾，机械搅拌30分钟，经过冷却、离心、水洗步骤后，干燥12小时，得到层状碳化钛/二氧化锰杂化物；
（3）取58.8-60份热塑性聚氨酯弹性体，将其溶于250毫升 N,N-二甲基甲酰胺中，加入分散于乙醇的层状碳化钛/二氧化锰杂化物，超声搅拌1小时；
（4）将步骤（3）获得的溶液在磁力搅拌的条件下加入到去离子水中，待复合材料析出后，剪成块状，烘干，并在190摄氏度下密炼、压板得到低烟热塑性聚氨酯弹性体复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述酸洗使用盐酸和去离子水，质量比为9：200。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述超声剥离碳化钛时间为30分钟，温度≦40℃，超声功率≧50W。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）以及步骤（3）中所述超声搅拌的功率为50W。
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