桐油基阻燃聚氨酯泡沫的制备及其性能研究

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聚氨酯(PU)材料因具有独特的结构和力学性能使其被广泛应用于建筑保温、家具、胶粘剂、皮革和各种生物医学产品。聚氨酯泡沫是目前世界上性能最佳的隔热保温材料,采用可再生的天然生物质资源替代化石资源制备聚氨酯泡沫是国内外的研究热点之一。油桐是我国的林产特种资源,在我国的云南省、河南省、湖南省以及湖北省都有广泛种植,对桐油的深加工以及桐油副产品的再开发利用具有巨大的潜在价值。采用桐油(TO)为原料,经过甲酯化、环氧化及开环反应制备桐油基阻燃多元醇(TOBP),并制备了桐油基阻燃型聚氨酯泡沫(TO-RPUF)。对催化剂和产物的结构和性能进行了分析。主要研究内容和结论如下:1.新型环氧化催化剂的制备及表征:以磷钨酸、30%H2O2、十二烷基氯化吡啶为原料通过离子交换制备了磷钨酸季铵盐新型相转移催化剂,并通过红外(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、EDS能谱和扫描电镜(SEM)等分析手段对磷钨酸季铵盐型催化剂的元素组成和结构特征进行了表征,论证了催化剂具有Dawson结构特征。2.环氧化桐油甲酯(ETOME)的制备及性能研究:用桐油与甲醇发生酯交换反应制备桐油甲酯(TOME),利用磷钨酸季铵盐相转移催化剂催化TOME环氧化制备ETOME,考察了反应条件对环氧化反应的影响。确定了制备ETOME的适宜反应条件为:反应温度50℃,反应时间为3 h,n(C=C):n(H2O2)=1:1.6,m(TOME):m(催化剂)=1:0.03,在此条件下反应所得的ETOME的环氧值达到4.9%,黏度为1667 mPa·s,催化剂首次回收率达90%,热重分析表明ETOME的热稳定性明显高于TOME。3.桐油基阻燃多元醇(TOBP)和聚氨酯泡沫(PUF)的制备及性能研究:以甲苯作溶剂,利用所制备的ETOME与磷酸二乙酯发生开环反应制备TOBP,其羟值为223.6mgKOH/g,黏度为3270 mPa·s。反应适宜条件为:m(ETOME):m(溶剂)=1:1、m(ETOME):m(催化剂)=1:0.001、m(ETOME):m(磷酸二乙酯)=2.6:1,于80℃反应5 h之后得到桐油基阻燃多元醇。利用TOBP替代聚醚4110与PAPI共混发泡制备一系列聚氨酯泡沫。通过SEM照片发现所得到的PUF的泡孔比普通PUF更大、更均匀,燃烧剩余物的炭质层随着桐油基阻燃多元醇添加量的增加而变厚,在不添加阻燃剂的前提下极限氧指数最高可达到26.1%,具有良好的阻燃效果。热重分析表明,普通PUF的初始热降解温度为325.9℃,其在369.7℃的最大热失重速率为18.74%,其在温度达到500℃之后,残炭率保持在16.60%;添加了桐油基阻燃型多元醇的PUF,其初始热降解温度有所降低,由桐油基阻燃多元醇所制备的PUF的初始热降解温度为274.8℃,这是因为阻燃型聚氨酯泡沫体系在热降解的过程中释放出含磷分子,其热降解温度较低,随着桐油基阻燃型多元醇含量的增加,在燃烧过程中凝聚相中含磷阻燃基团增加,从而起到了良好的阻燃作用,使得聚氨酯泡沫材料的残炭率更高,聚氨酯泡沫的最终残炭率由16.60%逐渐上升到22.37%。
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