CN114591481B - 一种可膨胀石墨阻燃聚氨酯泡沫及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可膨胀石墨阻燃聚氨酯泡沫及其制备方法，所述阻燃聚氨酯泡沫由以下原料制备：20‑24g的聚醚多元醇、20‑24g的异氰酸酯、2.5‑10g的可膨胀石墨和0.025‑2g的海藻精；所述制备方法包括以下步骤：将海藻精研磨处理后，加入到聚醚多元醇中混合后机械搅拌均匀，得到物质A；将可膨胀石墨加入到异氰酸酯中混合后机械搅拌均匀，得到物质B；然后将物质A和物质B混合后搅均，放入模具中，常温常压下发泡熟化。本发明通过可膨胀石墨和海藻精之间的协同作用得到的聚氨酯泡沫，在降低可膨胀石墨使用量的条件下，使聚氨酯泡沫表现出优异的阻燃性能、热稳定性能和力学性能。

Description

一种可膨胀石墨阻燃聚氨酯泡沫及其制备方法
技术领域
本发明涉及阻燃聚氨酯技术领域，尤其是涉及一种可膨胀石墨阻燃聚氨酯泡沫及其制备方法。
背景技术
聚氨酯泡沫应用广泛，但极易燃烧，且燃烧热值高，烟密度大，烟气有毒性，容易引起窒息死亡。可膨胀石墨(EG)是传统的膨胀型阻燃剂，对聚氨酯有很好的阻燃性，当与火源接触时，会迅速膨胀成“蠕虫状”，通过体积扩大快速将火焰熄灭。但在聚氨酯泡沫中单独添加可膨胀石墨时，燃烧时产生的松散的“蠕虫状”炭层，非常容易脱落，严重影响可膨胀石墨的阻燃抑烟性能，且添加可膨胀石墨后对材料力学性能影响较大，故常需要与其它阻燃剂复配使用。
传统的卤素阻燃剂具有毒性，严重危害人们的生命安全，且石油资源的日益枯竭，石油基化学品的使用给人类带来的许多负面的问题。因此绿色、可再生、环境友好型资源代替石油基原料的研究，成为目前学术界关注重点。
海藻精是以海洋生物海藻为主要原料提取而成的纯天然物质，海藻精价格低廉，是一种天然的绿色、可再生资源，目前主要用作肥料，在其他领域尤其阻燃方向还未曾有过研究报道。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可膨胀石墨阻燃聚氨酯泡沫及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可膨胀石墨阻燃聚氨酯泡沫，由以下原料制备：20-24g的聚醚多元醇、20-24g的异氰酸酯、2.5-10g的可膨胀石墨和0.025-2g的海藻精。
进一步地，由以下原料制备：21.25g的聚醚多元醇、21.25g的异氰酸酯、7.5g的可膨胀石墨和0.025-2g的海藻精。
进一步地，由以下原料制备：21.25g的聚醚多元醇、21.25g的异氰酸酯、7.5g的可膨胀石墨和0.05g的海藻精。
一种可膨胀石墨阻燃聚氨酯泡沫的制备方法，包括以下步骤：
(1)将海藻精放入研钵中研磨，得到预处理的海藻精；
(2)称取聚醚多元醇、异氰酸酯、可膨胀石墨以及预处理的海藻精，将预处理的海藻精加入到聚醚多元醇中，混合后搅拌均匀，得到物质A；
(3)将可膨胀石墨加入到异氰酸酯中，混合后搅拌均匀，得到混合物B；
(4)然后将物质A和物质B混合后机械搅拌均匀，放入到模具中，常温常压下，发泡熟化20-24h。
本发明的有益效果是：
本发明采用的海藻精阻燃协效剂，具有良好的热稳定性能，在添加少量海藻精的情况下，通过与可膨胀石墨复配，聚氨酯复合材料的极限氧指数得到了较大提高，达31.9％，力学性能影响较少，其压缩应变有较大的提升。
本发明采用的海藻精，以海藻为原料提取而成的纯天然物质，价格低廉，是一种绿色、可再生资源，目前主要用作肥料，但是本发明通过少量海藻精与可膨胀石墨复配，较大地提高了材料的热稳定性能，碳层更加致密结实，膨胀度提高，大幅度降低了CO2释放速率，对可膨胀石墨/硬质聚氨酯泡沫阻燃性能有很明显的提升。
附图说明
图1为热重曲线；
图2为锥形量热残炭照片；
图3为CO2释放速率曲线；
图4为CO释放速率曲线；
图5为力学性能测试曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
一种可膨胀石墨阻燃聚氨酯泡沫的制备方法，包括以下步骤：
(1)将海藻精放入研钵中研磨后，放入到100目的筛子中过筛，得到预处理的海藻精；
(2)称取21.25g聚醚多元醇、21.25异氰酸酯、7.5g可膨胀石墨以及预处理的海藻精，将预处理的海藻精加入到聚醚多元醇中，混合后机械搅拌均匀，得到混合物A；
(3)将可膨胀石墨加入到异氰酸酯中，混合后机械搅拌均匀，得到混合物B；
(4)然后将物质A和物质B混合后机械搅拌均匀，放入到12cm×12cm×12cm的模具中，常温常压下，发泡熟化20-24h。
海藻精的用量及聚氨酯泡沫的极限氧指数(LOI)如表1所示：
表1不同含量海藻精协同可膨胀石墨的聚氨酯泡沫材料
海藻精质量(g) 极限氧指数(％)
对比例一 0.00 26.6
实施例一 0.025 30.0
实施例二 0.05 31.9
实施例三 0.075 28.3
实施例四 0.1 27.8
实施例五 0.125 27.9
实施例六 0.15 28.1
实施例七 0.25 27.5
实施例八 0.375 27.5
实施例九 0.5 27.3
实施例十 1 27.8
实施例十一 1.5 27.8
实施例十二 2 27.3
对比例二
将上述实施例中的海藻精替换成海藻酸钠，当海藻酸钠的质量为0.1g时，聚氨酯泡沫的极限氧指数(LOI)最高，为28.4％，因此对比例二与实施例二基本相同，不同之处在于将海藻精替换成海藻酸钠，添加海藻精有利于提高聚氨酯泡沫的极限氧指数。
对比例三
将上述实施例中的海藻精替换成海藻酸钴，当海藻酸钴的质量为0.2g时，聚氨酯泡沫的极限氧指数(LOI)最高，为27.9％，因此对比例三与实施例四基本相同，不同之处在于将海藻精替换成海藻酸钴。
通过上述分析可知，当可膨胀石墨的添加量为7.5g时，海藻精的添加量越少，在硬质聚氨酯泡沫中效果越明显，当海藻精的添加量达到0.05％时，氧指数为31.9％，达到难燃级别；而海藻酸钠和海藻酸钴的添加量大，对硬质聚氨酯泡沫的阻燃性提升较低。
对比例四
本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于去掉可膨胀石墨和海藻精，得到硬质聚氨酯泡沫纯样(纯RPUF)。
对实施例二及对比例一至四进行测试，测试结果如下：
(1)热重分析(TG)，如图1所示，700℃下的最终剩碳率，实施例二的剩碳率最高，为31.15％，较对比例一(为22.78％)提高36.7％，较对比例二(为16.01％)提高了94.6％，较对比例三(为13.52％)提高了130.4％，较对比例四(为9.24％)提高了237.1％。以上结果说明了海藻精与可膨胀石墨复配后，具有很好的协效作用，对材料的热稳定性和阻燃性能有非常好的效果。
(2)锥形量热测试后剩余炭层的照片，如图2所示，A(a)：对比例四；B(b)：对比例一；C(c)：对比例二；D(d)：对比例三；E(e)：实施例二。对比例四纯RPUF燃烧后只有极少量残炭，锡纸很大面积被烧穿。对比添加可膨胀石墨、海藻酸钠、海藻酸钴和海藻精样品的残炭照片，锡纸均没有被烧穿，但只加入可膨胀石墨的样品残炭量较少，炭层较薄，且残炭松散易脱落，有较大的裂纹；而添加海藻精的聚氨酯/可膨胀石墨材料燃烧后碳层高度最高，残碳量最多，形成的碳层也最致密，完整较厚的炭层有效的隔绝了氧气，同时也阻碍了热量传递和燃烧产生的气体逸出，从而实现了对材料的阻燃。以上结果说明海藻精相对于海藻酸钠和海藻酸钴，与可膨胀石墨有更好地协效作用，能促进形成致密较厚的碳层，较大地提高了材料的阻燃性能。
(3)CO2释放速率，如图3所示，实施例二的CO2峰值为0.60％，较对比例四(0.79％)降低了31.7％，较对比例一(0.66％)降低了8.4％，较对比例二(0.63％)降低了3.4％，低CO2释放速率代表材料燃烧不完全，同样证明材料具有较好的阻燃性，因此从这个角度来看，添加了海藻精的实施例二阻燃性能最佳，与可膨胀石墨的协同阻燃效应最好。
(4)CO释放速率，如图4所示，可以看出，纯硬质聚氨酯泡沫的CO的释放率是最高的，其他几种复合阻燃材料的CO释放率相差不大，即均具备较好的阻燃效果。
(5)力学性能测试，将制备好的样品切割成50mm×50mm×50mm立方体，进行压缩性能测试，结果如表2和图5所示，实施例二添加海藻精的阻燃聚氨酯泡沫，破坏时的压缩应力高于其他所有对比例，甚至高于硬质聚氨酯泡沫纯样，实施例二添加海藻精样品的压缩强度远高于对比例二、对比例三和对比例四，甚至与硬质聚氨酯泡沫纯样的压缩强度相当。这说明海藻精与可膨胀石墨复配后对硬质聚氨酯泡沫材料的力学性能影响较小，相对于仅加入可膨胀石墨的聚氨酯材料力学性能有很大提升，材料的柔韧性提高。
表2硬质聚氨酯泡沫材料的力学性能
破坏时的压缩应力/MPa 压缩强度/MPa
对比例四 0.73 0.77
对比例一 0.51 0.51
对比例二 0.61 0.61
对比例三 0.58 0.58
实施例二 0.74 0.74
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种可膨胀石墨阻燃聚氨酯泡沫，其特征在于，由以下原料制备：21.25g的聚醚多元醇、21.25g的异氰酸酯、7.5g的可膨胀石墨和0.05g的海藻精；
所述的一种可膨胀石墨阻燃聚氨酯泡沫的制备方法，包括以下步骤：
（1）将海藻精放入研钵中研磨，得到预处理的海藻精；
（2）称取聚醚多元醇、异氰酸酯、可膨胀石墨以及预处理的海藻精，将预处理的海藻精加入到聚醚多元醇中，混合后搅拌均匀，得到物质A；
（3）将可膨胀石墨加入到异氰酸酯中，混合后搅拌均匀，得到混合物B；
（4）然后将物质A和混合物B混合后搅拌均匀，放入模具中，常温常压下，发泡熟化20-24h。
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