蓋廣清 張兵

【摘 要】本文以秸稈纖維為增強(qiáng)材料，以氫氧化鎂和和膨脹石墨作為協(xié)同阻燃劑，制備出一種難燃的聚氨酯復(fù)合保溫材料。當(dāng)秸稈摻量為6份，膨脹石墨10份，氫氧化鎂15份時(shí)，制備樣品的密度為45kg/m3，壓縮強(qiáng)度為0.43MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.022W/（mK），氧指數(shù)達(dá)到30%。

【關(guān)鍵詞】聚氨酯；秸稈纖維；氫氧化鎂；可膨脹石墨

中圖分類號(hào)： TQ165 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）05-0018-002

【Abstract】In this paper，straw fiber is used as reinforcement material and magnesium hydroxide and expanded graphite are used as a synergistic flame retardant to prepare a flame-retardant polyurethane composite thermal insulation material.When the straw content is 6 parts，the expanded graphite is 10 parts，and the magnesium hydroxide is 15 parts， the prepared sample has a density of 45kg/m3，a compression strength of 0.43MPa，a thermal conductivity of 0.022 W/（mK），and an oxygen index of 30%.

【Key words】Polyurethane；Straw fiber；Magnesium hydroxide；Expandable graphite

0 引言

近年來，全國推廣超低能耗建筑，對(duì)外墻保溫材料的保溫性能要求越來越高。傳統(tǒng)EPS板、石棉板厚度不斷提高，甚至達(dá)到30cm以上，占用空間大，安全性下降。而硬質(zhì)聚氨酯具導(dǎo)熱系數(shù)更低，可以大大降低墻體厚度，是達(dá)到現(xiàn)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和超低能耗建筑的理想材料。然而，聚氨酯保溫材料在推廣應(yīng)用中存在兩大問題一是價(jià)格高，二是阻燃性差。因此，通過摻雜改性降低成本以及提高阻燃性成為近年來的研究熱點(diǎn)[1-5]。

本文以秸稈纖維為填充增強(qiáng)材料，不僅提高強(qiáng)度還降低了成本，同時(shí)利用膨脹石墨（EG）和氫氧化鎂（MH）協(xié)同阻燃，制備出一種難燃的聚氨酯復(fù)合保溫材料，具有很好的推廣前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

異氰酸酯（2208型聚合MDI），聚醚多元醇（902型，羥值490KOHmg/g），三乙醇胺，二丁基錫二月桂酸酯，氫氧化鎂（≦3um），膨脹石墨（150um），均為市售。秸稈纖維，自制，短切破碎1-5mm。

1.2 試樣制備

1.2.1 秸稈纖維預(yù)處理

以干燥的玉米秸稈為原料，利用高速粉碎機(jī)粉碎，分選出粒徑為1-5mm的秸稈纖維，在12%的氫氧化鈉溶液中浸泡24小時(shí)，沖洗烘干，備用。

1.2.2 聚氨酯硬泡的制備

將三乙醇胺和二丁基錫二月桂酸酯及泡沫穩(wěn)定劑和少量水加入聚醚多元醇中，初步分散后再加入設(shè)定量的預(yù)處理的秸稈纖維，機(jī)械攪拌均勻，記作A組分，30度恒溫；將一定量的EG和（或）MH阻燃劑加入異氰酸酯中，攪拌均勻，記作B組分，30度恒溫。高速攪拌30s，快速注入模具中，迅速合模，放入100℃的烘箱熟化4h，開模取出樣品，除去表面硬表皮，得到秸稈、EG和MH填充的硬質(zhì)聚氨酯泡沫復(fù)合材料。秸稈纖維的質(zhì)量份數(shù)取0—8份，阻燃劑總質(zhì)量份數(shù)為0-30份。聚氨酯泡沫復(fù)合材料的基礎(chǔ)配方如表1所示。實(shí)驗(yàn)中首先固定復(fù)合阻燃劑用量為25份，其中EG10份，MH15份，其它組分參考表1配方，改變秸稈用量，研究秸稈用量對(duì)硬質(zhì)泡沫壓縮強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)和氧指數(shù)的影響。再根據(jù)研究得出的最佳秸稈摻量，研究單一阻燃劑和復(fù)合阻燃劑對(duì)硬泡阻燃性能的影響。

1.3 測(cè)試與表征

導(dǎo)熱系數(shù)是依據(jù)GB/T3399-1982，利用耐馳科學(xué)儀器商貿(mào)有限公司的熱流導(dǎo)熱儀（HFM436）測(cè)試；表觀密度是按照GB/T 6343-2009測(cè)試；壓縮強(qiáng)度是依據(jù)GB/T8813-2008，利用深圳蘭博三思的電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試；氧指數(shù)是根據(jù)GB/T2406.1-2008，利用南京江寧科學(xué)儀器有限公司的氧指數(shù)測(cè)定儀測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 秸稈用量對(duì)硬泡壓縮強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)和氧指數(shù)的影響

通過固定復(fù)合阻燃劑用量為25份，其中EG10份，MH15份，研究秸稈用量對(duì)硬泡聚氨酯壓縮強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)和氧指數(shù)的影響，結(jié)果如圖1所示。從秸稈用量對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響曲線可以看出，初期，隨著秸稈用量增加，硬泡的壓縮強(qiáng)度逐漸增加，這是因?yàn)榻斩捓w維分布在泡孔壁周圍，可承受一部分的壓力，導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度有所增加。后期，隨著秸稈用量繼續(xù)增加，破壞了泡孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度下降。當(dāng)秸稈用量為6%時(shí)，壓縮強(qiáng)度為0.43MPa，達(dá)最大值。從秸稈用量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響曲線可以看出，初期，秸稈用量增加，導(dǎo)熱系數(shù)變化較小，后隨著秸稈用量增加，導(dǎo)熱系數(shù)略有增加從0.0213到0.0237W/（mK），當(dāng)秸稈用量為6%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.022 W/（mK）。從秸稈用量對(duì)氧指數(shù)影響曲線可以看出，隨著秸稈用量增加，硬泡的氧指數(shù)呈現(xiàn)出先逐漸增加，達(dá)到一定值后又出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)?，初期，秸稈用量適當(dāng)增加，提高了硬泡的密實(shí)度，進(jìn)而提高了阻燃性能，氧指數(shù)提高，然而，當(dāng)用量繼續(xù)增加時(shí)，氧指數(shù)變化不大，甚至有下降趨勢(shì)，可能是過多的秸稈破壞了聚氨酯的交聯(lián)反應(yīng)。當(dāng)秸稈用量為6%時(shí)，氧指數(shù)達(dá)到30%。

由此可見，復(fù)合阻燃劑用量為25份，秸稈用量為6%時(shí)，壓縮強(qiáng)度為0.43MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.022W/（mK），氧指數(shù)達(dá)到30以上。

2.2 阻燃劑對(duì)硬泡阻燃性能的影響

實(shí)驗(yàn)固定其它原料不變，固定秸稈用量為6%，分別研究單一阻燃劑EG和MH對(duì)硬泡阻燃性能的影響，再研究復(fù)配阻燃劑對(duì)硬泡阻燃性能的影響，同時(shí)研究阻燃劑對(duì)硬泡其它性能（如密度、壓縮強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)）的影響。

2.2.1 EG和MH單一阻燃對(duì)硬泡阻燃性能的影響

單一阻燃劑EG和MH對(duì)硬泡阻燃性能的影響如圖2曲線1、2所示?？梢钥闯?，未添加阻燃劑時(shí)，氧指數(shù)為19%，此時(shí)秸稈纖維摻量為6%。從圖中1、2兩條曲線可以看出，初期，隨著阻燃劑用量增加，氧指數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)用量達(dá)到一定值后，變化趨于平緩，后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。而且，用EG為阻燃劑時(shí)，當(dāng)摻量為20份時(shí)，氧指數(shù)達(dá)最大值，為23.5%；用MH為阻燃劑時(shí)，當(dāng)摻量為25份時(shí)，氧指數(shù)達(dá)最大值，為24.3%。這主要是因?yàn)?，可EG粒徑相對(duì)較大，摻量較多時(shí)會(huì)影響聚氨酯泡孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使氧指數(shù)下降。同樣，MH作為粉料，過多也會(huì)影響聚氨酯泡孔結(jié)構(gòu)。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定氧指數(shù)超過27為難燃材料，由此可見，在聚氨酯泡沫中添加較高單一組分的阻燃劑也很難滿足難燃材料的氧指數(shù)要求。

2.2.2 EG和MH復(fù)配對(duì)硬泡阻燃性能的影響

實(shí)驗(yàn)固定其它原料不變，秸稈用量為6份，可膨脹石墨為10份，改變MH用量為0、5、10、15、20、25份。研究復(fù)配阻燃劑對(duì)硬泡阻燃性能的影響。如圖2中曲線3所示。當(dāng)MH用量為15份時(shí)，硬泡的氧指數(shù)達(dá)到30以上，繼續(xù)增加MH用量則氧指數(shù)變化較小，甚至下降。由此可見，EG和MH復(fù)合阻燃明顯優(yōu)于單一阻燃效果，這是由于阻燃劑的協(xié)同作用效果。復(fù)合阻燃劑中兩種阻燃劑的機(jī)理不同，EG在受熱后在材料中形成隔離層，阻止材料進(jìn)一步燃燒；而MH受熱分解成氧化鎂和水蒸氣，同時(shí)具有水蒸氣降溫和氧化鎂隔離作用。

2.3 復(fù)合阻燃劑對(duì)硬泡密度、導(dǎo)熱系數(shù)和壓縮強(qiáng)度的影響

通過調(diào)整發(fā)泡劑用量，使硬泡密度在44-46kg/m3范圍內(nèi)，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)和壓縮強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表2所示。阻燃劑摻量為0，秸稈用量為6%時(shí)，制備的硬泡聚氨酯，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0213 W/（mK），添加阻燃劑后，導(dǎo)熱系數(shù)略有升高，從0.0213 W/（mK）～0.0226W/（mK），但仍屬于高效保溫材料。從表2可以看出，阻燃劑對(duì)硬泡壓縮強(qiáng)度的影響是先增大后減小，阻燃劑用量在一定范圍內(nèi)增加，分布在泡孔壁周圍，可承受一部分的壓力，導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度有所增加，阻燃劑過量時(shí)，由于膨脹石墨片層之間存在較大孔隙，且粒徑較大，破壞泡孔結(jié)構(gòu)，微米級(jí)的氫氧化鎂過量也會(huì)破壞泡孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度下降。

3 結(jié)論

本文以秸稈纖維為增強(qiáng)材料，以氫氧化鎂和和膨脹石墨作為協(xié)同阻燃劑，制備出一種難燃的聚氨酯復(fù)合保溫材料，聚氨酯復(fù)合保溫材料的最佳改性工藝條件為：秸稈最佳摻量為6份，復(fù)合阻燃劑用量為25份，其中膨脹石墨10份，氫氧化鎂15份。此工藝制備的樣品密度約為45kg/m3，壓縮強(qiáng)度為0.43MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.022W/（mK），氧指數(shù)達(dá)到30。由此可見，膨脹石墨和氫氧化鎂復(fù)合阻燃明顯優(yōu)于單一阻燃效果，證明二者具有較好的協(xié)同阻燃效果。秸稈纖維改性在很大程度上降低了硬質(zhì)聚氨酯泡沫的成本，有利于推廣應(yīng)用。

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