摘要
聚氨酯硬泡（RPUF）作为一种常见的高分子工程材料，因其重量轻、强度高、隔音、隔热和耐腐蚀等性能优点而被广泛应用于保温隔热和承重领域，尤其是用于建筑外墙。然而，由于内部的多孔结构，使其极易燃烧，极限氧指数（LOI）值低于20%。材料的易燃性能对人身安全和财产安全构成了极大的威胁与隐患。向聚合物中引入阻燃剂可以有效地改善其阻燃性能，而最早应用的含卤阻燃剂因其巨大的环境破坏问题已被多国严禁使用。无机型添加剂因为成本、工艺和环保优势已广泛应用于工业生产中，但常因为用量过大和与聚合物基体相容性差等原因严重影响了其复合材料的力学性能，牺牲了复合材料的综合性能。 对无机填料进行表面改性不仅能够改善其与基体的相容性，还可能因协同效应进一步提高无机型阻燃剂的阻燃性能，进而提高其复合材料的综合性能。本论文针对常用的无机添加型阻燃剂，利用生物质和金属有机配合物对其进行表面改性，制备得到两种无机有机杂化阻燃剂，进而对其和RPUF复合材料的化学结构和表面形貌进行研究；此外，对复合材料的热性能、力学性能、阻燃性能进行了探究，并从凝聚相和气相探究了无机有机杂化阻燃剂的阻燃机理。研究分为以下两部分。 利用生物质聚多巴胺（PDA）在碱性条件下，在氢氧化铝（ATH）表面原位聚合得到无机有机杂化阻燃剂ATH@PDA，并利用小分子有机硅烷偶联剂氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）改性ATH得到ATH@APTES，进一步通过一步法制备相应的RPUF复合材料，对其综合性能进行对比。研究表明RPUF/ATH@PDA复合材料（填充量为15wt.%）相较于RPUF，玻璃化转变温度和导热系数有所提高，热稳定性无明显变化，但残碳量提高了4.9wt.%；力学性能明显增强，极限弯折强度提高了26.5%，极限弯折率提高了39.4%；阻燃性能显著提升，锥形量热仪测试（CCT）表明热释放速率（HRR）和热释放总量（THR）分别降低了39.9%和33.6%，并且降低了二氧化碳的生成量。并通过对残炭和燃烧气体的分析，探究了阻燃剂在凝聚相和气相中发挥的炭化、屏障和火焰抑制作用。 利用PDA良好的粘附性，将金属有机框架（MOFs）ZIF-67均匀分布在经PDA改性的聚磷酸铵（APP）表面上，制备了A@P-Z无机有机杂化阻燃剂，并对比由APP和ZIF-67物理共混的阻燃体系，以填充量10wt.%制备了相应的RPUF复合材料。研究表明由于A@P-Z表面的官能团和粗糙的表面形貌，改善了阻燃剂与基体的相容性，提高了复合材料的力学性能。阻燃性能与RPUF相比，RPUF/A@P-Z的THR、烟释放总量（TSP）和一氧化碳生成量峰值（pCOP）分别减低了45.9%、53.4%和38.1%，表现出优异的阻燃性能和抑烟性能。通过对残炭的化学成分及形貌分析，发现A@P-Z促进了RPUF复合材料在凝聚相形成致密的高度石墨化残炭，增强了炭化和屏障效应，并产生难熔金属氧化物，提高了残炭的稳定性、抑烟和CO抑制作用。A@P-Z在气相中不仅抑制了易燃气相有机组分的产生，还通过释放具有淬灭作用的自由基和具有稀释作用的不燃气体进一步发挥了火焰抑制效应。
NETL