膨胀型阻燃剂的研制及其在聚氨酯涂料中的应用

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1、摘要聚氨酯(PU)涂料具有很多优异的性能，它是现有的有机树脂涂料中耐候性最好的涂料之一：具有优异的耐油性和耐化学药品性，是化工防腐最常选用的优良涂料品种之一；具有优良的附着性能，不仅与金属的附着力强，与非金属类材料也有良好的附着能力等等。因此它被广泛应用于工业、建筑等各个领域。但是，Pu涂料的耐燃性差，严重地阻碍了其优良性能的发挥。本文在合成膨胀型阻燃剂的基础上，将其添加到PU涂料中，制各了防火PU涂料，研究了防火涂料的性能和阻燃机理，并通过阻燃模型的建立分析了防火涂利的热传导行为。以三聚氯氰为原料，设

2、计并成功合成了一种新型三嗪类高分子化合物一一成炭剂(Carbonific)。采用红外光谱(FTIR)，”C核磁共振(MAS—NMR"C)及元素分析(ELA)等表征了该成炭剂的化学组成和结构，结果表明该成炭剂为三嗪环和氨基及乙醇胺的二聚体，对其溶解性、密度、熔点和热稳定性的分析表明，该成炭剂具有优良的热稳定性，较高的熔点，常温下不溶于常规溶剂等特性。以自行合成的新型成炭剂为基础，合成了一种新型单体型膨胀型阻燃剂(IFR)。根据FTIR、MAS．NMR"C以及ELA的分析绪果对其化学结构进行了表征，结果显示

3、该阻燃剂的化学连接方式为：作为二聚体的成炭剂中的两个氨基以1：l的比例分别与季戊四醇双磷酸酯酰氯中两端的氯原子进行了脱去HCI的反应。同时探讨了合成工艺如：物料配比、反应温度、时间及水的用量对最终产物产率的影响。测试表明，该阻燃剂也具有较高的熔点和优良的热稳定性。将成炭剂与聚磷酸铵(APP)配制构成复配型阻燃剂，以及单体型阻燃剂分别添加到Pu清漆中，制备出两个系列防火Pu涂料(APP／Carbonific／PU和IFR／PU)。采用正交试验研究了APP／Carbonific／PU体系的防火性能和体系各组

4、分含量的关系，得到最佳复配比例(APP／Carbonific／PU=l5：5：80)；通过综合IFR／PU体系防火性能及其它理化性能，发现IFR为20％质量百分含量(Wt)时，体系防火及其它综合性能优良。通过对上述防火涂料的流动性、触变性和贮存稳定性的研究，发现加入少量硅烷偶联剂(0．4％Wt)，能有效改善防火涂料的流动性能：加入膨润土(1％Wt)能提高防火涂料的贮存稳定性。同时对上述防火涂料的附着力、柔韧性、硬度和耐冲击性测试表明，由上述配比构成的防火涂料同时具备较好的物理性能。采用热失重(TGA)、

5、锥型量热仪法(ConeCalorimeter)对涂层的热稳定性及燃烧过程进行了全面的分析。根据TGA的分析结果，将涂膜的燃烧过程分为五个阶段，对每～阶段的燃烧物采用ELA、扫描电镜(SEM)、FTIR、MAS—NMR”C等方法加以表征和分析，深入地研究了复配型防火涂料的阻燃机理，结果发现起防火阻燃作用的是多孔膨胀性炭层，而这些炭层是由PU降解环化所形成的炭层，APP降解生成的磷酸等无机酸和PU降解生成的醇类酯化形成的炭层及APP降解生成的磷酸等无机酸和所合成的三嗪类成炭剂结合生成的酯类形成的炭层组成的。

6、对单体型膨胀型防火涂料的阻燃机理也采用TGA分析了其降解过程，采用FTIR分析了最终炭层的化学组成，结果表明该体系中起阻燃作用的是炭层中的胺类、芳香族及磷酸酯类化合物。对防火涂料的热传导过程还建立了相关数学模型用以预测膨胀炭层的热行为。在采用小室法测试PU防火涂料的防火性能时，作者发现几乎所有经测试过的基材的表面都存在一个窄小的椭圆形的炭层，这主要是由于在三维方向热传导的不同导致的。因此，本论文从膨胀型防火涂料体系的质量和能量守恒原理出发，结合实验中观察到的现象，并作了一系列必要的假设，建立了三维热传导

7、模型，并用此模型去解释与预测pu防火涂料的热传导行为。关键词：阻燃剂，聚氨酯涂料，成炭剂，膨胀型，阻燃机理SynthesisofIntumescentFlame—retardantAgentanditsApplicationinPolyurethaneCoatingsAbstractRecently，Polyurethane(Pu)-basedcoatingshaveanimportantplaceinthecoatingsindustry．Insomeapplications，theydominate

8、themarketbecauseoftheirhighlevelofquality．First，theycombineoutstandingresistancetosolventsandchemicalswithgoodweatherstability．Secondly，thefilmshaveexcellentmechanicalpropertiesandprovidetheideabalanceofhardnessandflexibil