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聚氨酯(PU)是一种有机高分子材料,因优异的性能被广泛应用于航空航天、汽车密封、电子电器、建筑保温、化工及国防等领域。传统聚氨酯材料是以石油基聚醚/聚酯多元醇和异氰酸酯为主要原料制备而成。随着石油/石化资源的不断减少,环境污染不断加重,可再生生物质资源代替石油基多元醇得到不断的重视和发展。蓖麻油(CO)及其衍生物因来源广泛、可再生和成本低廉等优点,广泛用于弹性体、胶粘剂和涂料等领域。蓖麻油及其衍生物分子链中通常含有羟基、酯基、双键和羧基等反应活性基团,可以进行酯化、水解、加成、环氧化等化学反应改性为羟基,再与异氰酸酯反应制备聚氨酯材料。蓖麻油及其衍生物的应用和发展,对聚氨酯材料行业的可持续发展具有重要的意义。但蓖麻油基聚氨酯材料也存在氧指数低,易燃烧等缺点,极大限制了蓖麻油基聚氨酯材料的广泛应用。因此,蓖麻油基聚氨酯材料的阻燃改性一直是研究的热点。本文在综述了聚合物(聚氨酯)阻燃机理和阻燃研究进展的基础上,主要针对添加型阻燃剂阻燃效率偏低、降低聚氨酯力学性能等缺点,制备了聚磷酸铵(APP)与次磷酸铝(AHP)复配协同阻燃体系,含磷、氮的阻燃聚氨酯预聚体和蓖麻油/蓖麻酸基阻燃多元醇,用于制备本体阻燃聚氨酯材料,制备了具有优良阻燃性能和热稳定性能的阻燃聚氨酯材料,并深入研究了其热降解机理和阻燃机理。主要的研究内容和结果如下:1.以蓖麻油为基础多元醇,聚磷酸铵(APP)与次磷酸铝(AHP)复配协同阻燃体系,制备了阻燃聚氨酯密封胶(FRPUS)。研究了APP/AHP阻燃体系对FRPUS阻燃性能、热稳定性能和力学性能的影响;采用热重红外连用(TGA-FTIR)、热重质谱连用(TGA-MS)和高温裂解质谱(Py-GS-MS)研究裂解气相产物,红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)研究残炭等方法探讨了其热降解机理和阻燃机理。结果表明:APP与AHP的质量比为5:1,添加量为50%时,FRPUS的极限氧指数(LOI)值达到35.1%,较纯PUS提高74.6%;热释放速率峰值(pHRR)和总释放热(THR)分别下降了82.3%和68.8%。APP与AHP复合增强了FRPUS高温时碳层的热稳定性和成碳质量。TGA-FTIR和TGA-MS测试表明APP/AHP阻燃体系有效降低了可燃性气体的产生,同时产生了不可燃气体和含磷自由基捕捉剂;TGA和热降解动力学表明APP/AHP提高了阻燃体系的热稳定性。结合残炭分析,表明APP/AHP阻燃体系的阻燃机理为气相阻燃机理和凝聚相阻燃机理相结合。2.将含磷、氮的聚氨酯预聚体(FRPUP)与蓖麻油交联固化,制备阻燃聚氨酯密封胶(FRPUS)。通过红外光谱(FTIR)、核磁共振氢谱(1H NMR)、核磁共振碳谱(13C NMR)和核磁共振磷谱(31P NMR)对FRPUP结构进行表征。在此基础上,研究了FRPUS的热降解行为和阻燃行为。结果表明:FRPUP可以将FRPUS的LOI值由18.3%提高到23.0%,提高了20.4%,pHRR和THR分别下降了48%和14%。FRPUP提高了聚氨酯的热分解温度和残炭量,降低了热降解速率。FRPUP的阻燃机理为气相阻燃机理和凝聚相阻燃机理相结合。FRPUP使FRPUS的硬度和拉伸强度降低,断裂伸长率增大。3.以可再生资源蓖麻酸、苯氧基磷酰二氯等原料成功合成了蓖麻酸基阻燃多元醇(FRPE),制备了生物基本体阻燃聚氨酯密封胶(FRPE/PUS),其结构分别由FTIR、1H NMR和13C NMR进行了表征。研究结果表明:FRPE降低了聚氨酯的热释放速率和总热释放热,分别下降了52%和11%,LOI值达到24.1%,提高31.7%,阻燃性能得到改善。通过TGA、TGA-FTIR和TGA-MS等深入研究了FRPE/PUS的热降解过程,结果表明阻燃多元醇FRPE提高了聚氨酯的热分解温度和残炭量,降低了热降解速率;未改变聚氨酯的热降解气相产物的种类,改变了气相产物的释放时间和释放量。结合残炭的FTIR、SEM和XPS等分析,FRPE在气相和凝聚相中起作用,属于气相阻燃机理和凝聚相阻燃机理。FRPE提高了聚氨酯的硬度、拉伸强度和储能模量。4.以可再生资源蓖麻油和9,10-二氢-9-氧杂-10-膦菲-10-氧化物(DOPO)为原料,成功合成和表征了一种新颖的含磷、氮阻燃蓖麻油基多元醇(FRPE),其结构分别由FTIR、1H NMR和13C NMR进行了表征,与阻燃二元醇(BHAPE)共混用于聚氨酯泡沫本质阻燃改性。研究结果表明:用于制备阻燃聚氨酯泡沫(FRPE/BHAPE/PUF)的FRPE与BHAPE的最佳质量比为6:4。FRPE/BHAPE/PUF的LOI值增大到25.4%,较4110基聚氨酯泡沫(4110/PUF)提高30.3%;FRPE/BHAPE混合阻燃聚醚明显降低了聚氨酯泡沫(PUF)的热释放速率(HRR)和总热释放(THR),提高了聚氨酯泡沫的热稳定性。通过残炭FTIR、XPS和SEM等分析,气相裂解产物TGA-FTIR和TGA-MS等分析手段,说明FRPE/BHAPE混合阻燃多元醇的阻燃机理为气相和凝聚相阻燃机理相结合。