热塑性聚氨酯/微胶囊化聚磷酸铵/氢氧化铝复合材料的制备及性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.07.006

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (7): 36-42.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.07.006

热塑性聚氨酯/微胶囊化聚磷酸铵/氢氧化铝复合材料的制备及性能研究

彭建文¹, 刘新亮², 肖崇¹, 宋强¹, 彭中朝¹, 黄若森¹, 唐刚¹^,²^,³()

^1.博硕科技（江西）有限公司；江西吉安 330000
^2.安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山 243032
^3.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥 230026

收稿日期:2020-12-14 出版日期:2021-07-26 发布日期:2021-07-21
基金资助:
中国博士后科学基金资助(2017M610399)

Fabrication and Properties of Thermoplastic Polyurethane/Microencapsulated Ammonium Polyphosphate/Aluminum Hydroxide Composites

PENG Jianwen¹, LIU Xinliang², XIAO Chong¹, SONG Qiang¹, PENG Zhongchao¹, HUANG Ruosen¹, TANG Gang¹^,²^,³()

^1.ASAP Technology （Jiangxi） Co，Ltd，Ji’an 330000，China
^2.School of Architecture and Civil Engineering，Anhui University of Technology，Ma’anshan 243032，China
^3.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China

Received:2020-12-14 Online:2021-07-26 Published:2021-07-21
Contact: TANG Gang E-mail:gangtang@mail.ustc.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

通过溶胶?凝胶法制备了硅凝胶微胶囊化聚磷酸铵（MAPP），并通过红外光谱仪（FTIR）、热重分析仪（TG）对MAPP进行了表征；采用熔融共混技术将氢氧化铝（ATH）和MAPP加入到热塑性聚氨酯弹性体（TPU）中，制备出系列阻燃热塑性聚氨酯弹性体（TPU/FR）复合材料，并通过TG、微型量热计（MCC）研究了TPU/FR的热稳定性和燃烧行为。结果表明，在ATH与MAPP总含量为20 %（质量分数，下同）的情况下，相对于TPU/FR1（20 % ATH）复合材料，ATH与MAPP含量分别为5 %、15 %，10 %、10 %和15 %、5 %的TPU/FR复合材料在700 oC下的残炭量分别由16.7 %提高到29.7 %、25.1 %和20.9 %；热释放容量（HRC）分别从327.1 J/（g·K）降低到154.2、164.2和170.1 J/（g·K）；对比TPU/FR2（20 % MAPP）复合材料，TPU/FR4（15 % ATH，5 % MAPP）炭渣的致密性和石墨化程度显著提高，表明ATH与MAPP复合具有显著的阻燃协同作用。

关键词: 微胶囊化聚磷酸铵, 氢氧化铝, 热塑性聚氨酯, 复合材料, 阻燃

Abstract:

The microencapsulated ammonium polyphosphate （MAPP） with a silicone gel was prepared through a sol?gel method and then characterized with fourier transform infrared spectrometer and thermogravimetric analyzer （TG）. MAPP and aluminum hydroxide （ATH） were used as flame retardant to prepare a series of flame?retardant thermoplastic polyurethane composites （TPU/FR） by means of a melt?bending technology. TG， and microscale combustion calorimeter were used to analyze the thermal stability and combustion behaviors of the TPU/FR composites. The results indicated that with the fixed total loading of ATH and MAPP at 20 wt%， the composites achieved char yields of 29.7 wt%， 25.1 wt% and 20.9 wt% at mass ratios of ATH to MAPP of 5/15， 10/10 and 15/5 at 700 ℃， respectively， compared to the composites containing only 20 wt% ATH with a char yield of 16.7 wt%. Their heat release capacity decreased to 154.2， 164.2 and 170.1 J/（g·K） from 327.1 J/（g·K） of the composite only containing ATH. Moreover， compared to composites containing only 20 wt% of MAPP， there is a significant improvement in the compactness and graphitization degree of the carbon slag for TPU/FR4（15 wt% ATH，5 wt% MAPP）， indicating that a combination of ATH and MAPP generated a significant flame?retardant synergistic effect.

Key words: microencapsulated ammonium polyphosphate, aluminum hydroxide, thermoplastic polyurethane, composite, flame retardant

中图分类号:

TQ323.8

彭建文, 刘新亮, 肖崇, 宋强, 彭中朝, 黄若森, 唐刚. 热塑性聚氨酯/微胶囊化聚磷酸铵/氢氧化铝复合材料的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(7): 36-42.

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图/表 12

图1 MAPP制备工艺示意图

Fig.1 Preparation process of MAPP

样品名称	TPU/%	ATH/%	MAPP/%
TPU	100	0	0
TPU/FR1	80	20	0
TPU/FR2	80	0	20
TPU/FR3	80	5	15
TPU/FR4	80	10	10
TPU/FR5	80	15	5

表1 TPU和TPU/FR复合材料的原料组成

Tab.1 Formulation of TPU and TPU/FR composites

图2 MAPP和APP的FTIR谱图

Fig.2 FTIR spectra of MAPP and APP

图3 APP与MAPP的TG及DTG曲线

Fig.3 TG and DTG curves of APP and MAPP

样品名称	T _5%/oC	T_max1 /oC	T_max2 /oC	700 oC残炭量/%
APP	331	361	606	10.5
MAPP	295	300	569	32.3

表2 APP与MAPP的TG分析数据

Tab.2 TG data of APP and MAPP

图4 TPU和TPU/FR复合材料的TG及DTG曲线

Fig.4 TG and DTG curves of TPU and TPU/FR composites

样品名称	T_{5 %}/oC	T_{50 %}/oC	T_max1/oC	T_max2/oC	T_max3/oC	700 oC 残炭量/%
TPU	314	406	334	425	-	3.3
TPU/FR1	299	408	332	419	-	16.7
TPU/FR2	300	370	310	338	470	30.3
TPU/FR3	298	381	310	339	468	29.7
TPU/FR4	296	391	310	360	-	25.1
TPU/FR5	300	406	316	420	-	20.9

表3 TPU和TPU/FR复合材料的质量损失分析数据

Tab.3 TG data of TPU and TPU/FR composites

图5 TPU和TPU/FR复合材料的热释放速率曲线

Fig.5 Heat release rate of TPU and TPU/FR composites

样品名称	HRC/ J·（g·K）^-1	热释放速率峰值/W·g^-1	热释放速率峰值温度/oC	总热释放量/kJ·g^-1
TPU	510.2	127.5/509.7	374/443	30.8
TPU/FR1	327.1	124.1/322.8	365/446.6	24.0
TPU/FR2	253.8	234.5/35.6	351.5/477.1	16.9
TPU/FR3	154.2	153.7/118.0	326.6/381.7	18.1
TPU/FR4	164.2	160.9/160.6	331.3/409.1	20.2
TPU/FR5	170.1	169.5/170.2	327.8/418.7	19.6

表4 TPU和TPU/FR复合材料MCC测试结果

Tab.4 MCC test results of TPU and TPU/FR composites

图6 TPU和TPU/FR复合材料炭渣的SEM照片

Fig.6 SEM of TPU and TPU/FR composites char residue

图7 TPU和TPU/FR复合材料炭渣的拉曼光谱

Fig.7 Raman spectra of char residues of TPU and TPU/FR composites

图8 TPU/MAPP/ATH复合材料阻燃机理示意图

Fig.8 Schematic diagram of flame retardant mechanism of TPU/MAPP/ATH composite

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热塑性聚氨酯/微胶囊化聚磷酸铵/氢氧化铝复合材料的制备及性能研究

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