壳聚糖⁃磺化石墨烯层层自组装涂层对硬质聚氨酯泡沫的阻燃抑烟性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.03.007

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (3): 38-43.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.03.007

壳聚糖⁃磺化石墨烯层层自组装涂层对硬质聚氨酯泡沫的阻燃抑烟性能研究

徐锦佳¹^,²(), 黄腾¹^,², 柏志成¹^,², 沈佳豪¹^,², 谢清怡¹, 朱俊辉¹, 戴进峰¹^,²(), 刘元强³, 詹先旭³

^1.浙江农林大学化学与材料工程学院，杭州 311300
^2.浙江省木材科学与技术重点实验室，杭州 311300
^3.德华兔宝宝装饰新材股份有限公司，浙江湖州 313200

收稿日期:2023-08-21 出版日期:2024-03-26 发布日期:2024-03-28
通讯作者: 戴进峰（1984-），男，博士，主要从事绿色阻燃剂设计及复合材料高性能化等研究，jinfengdai0601@gmail.com
E-mail:814967192@qq.com;jinfengdai0601@gmail.com
作者简介:徐锦佳(1998-)，女，在读硕士研究生，主要从事生物质复合材料阻燃改性，814967192@qq.com
基金资助:
国家自然基金项目(51903222);浙江省自然基金项目(LY21E030001);浙江农林大学人才引进启动基金资助项目(2017FR017);浙江农林大学学生创新创业训练计划项目(2023KX029)

Flame retardancy and smoke suppression of rigid polyurethane foam coated with chitosan⁃sulfonated graphene through layer⁃by⁃layer self⁃assembly

XU Jinjia¹^,²(), HUANG Teng¹^,², BAI Zhicheng¹^,², SHEN Jiahao¹^,², XIE Qingyi¹, ZHU Junhui¹, DAI Jinfeng¹^,²(), LIU Yuanqiang³, ZHAN Xianxu³

^1.College of Chemistry and Materials Engineering，Zhejiang A&F University，Hangzhou 311300，China
^2.Key Laboratory of Wood Science and Technology of Zhejiang Province，Zhejiang A & F University，Hangzhou 311300，China
^3.Dehua TB New Decoration Material Co，Ltd，Huzhou 313200，China

Received:2023-08-21 Online:2024-03-26 Published:2024-03-28
Contact: DAI Jinfeng E-mail:814967192@qq.com;jinfengdai0601@gmail.com

摘要/Abstract

摘要：

采用以水为溶液的层层自组装法（LBL）在硬质聚氨酯泡沫（RPUF）表面构筑了不同层数的壳聚糖⁃磺化石墨烯的生物基阻燃涂层，探索了不同层数（xBL）对RPUF阻燃、抑烟性能的影响。结果表明，覆有防火涂层的RPUF表现出优异的阻燃性、热稳定性和抑烟能力，且其性能随着涂覆层数增加而增强；与未处理的样品相比，经过5层自组装涂覆的RPUF⁃5BL可通过UL 94 V⁃0级，极限氧指数（LOI，35.1 %）和800 ℃残炭量（34.9 %，质量分数，下同）分别提高了78.2 %和85.6 %；热释放速率峰值（pHRR，163.9 kW/m²）、总产烟量（TSP，9.1 m²）、最大烟密度（MSD，22.9 %）和烟密度等级（SDR，14.9）分别下降了30.6 %、14.2 %、61.9 %和120.1 %。

关键词: 聚氨酯, 泡沫, 阻燃, 抑烟, 磺化石墨烯, 层层自组装

Abstract:

In this paper， a bio⁃based flame⁃retardant coating with different chitosan⁃sulfonated graphene layers was constructed on the surface of a RPUF by using a water⁃based layer⁃by⁃layer self⁃assembly method （LBL）. The influence of different layers on the flame retardancy and smoke suppression of the RPUF was intensively investigated. The results indicated that the RPUF coated with the flame⁃retardant coating exhibited excellent flame⁃retardant performance， high thermal stability， and good smoke suppression， which were also affecting by the numbers of coating layers. The 5⁃layer⁃self⁃assembly coated RPUF （RPU⁃5BL） reached a UL 94 V⁃0 rating in the vertical burning test along with a limiting oxygen index of 35.1 vol% and a char yield of 34.9 wt% at 800 ℃， which were increased by 78.2 % and 85.6 %， respectively， compared to the untreated RPUF. Moreover， the RPU⁃5BL exhibited a peak heat release rate of 163.9 kW/m²， a total smoke production of 9.1 m²， a maximum smoke density of 22.9 %， and a smoke density grade of 14.9， which decreased by 30.6%， 14.2%， 61.9%， and 120.1%， respectively， compared to the controlled sample.

Key words: polyurethane, foam, flame retardant, smoke suppression, sulfonated graphene, layer?by?layer self?assembly

中图分类号:

TQ323.8

徐锦佳, 黄腾, 柏志成, 沈佳豪, 谢清怡, 朱俊辉, 戴进峰, 刘元强, 詹先旭. 壳聚糖⁃磺化石墨烯层层自组装涂层对硬质聚氨酯泡沫的阻燃抑烟性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(3): 38-43.

XU Jinjia, HUANG Teng, BAI Zhicheng, SHEN Jiahao, XIE Qingyi, ZHU Junhui, DAI Jinfeng, LIU Yuanqiang, ZHAN Xianxu. Flame retardancy and smoke suppression of rigid polyurethane foam coated with chitosan⁃sulfonated graphene through layer⁃by⁃layer self⁃assembly[J]. China Plastics, 2024, 38(3): 38-43.

图/表 12

图1 层层自组装阻燃涂层RPUF的制备示意图

Fig.1 Diagram of preparation of layer⁃by⁃layer self⁃assembled flame retardant RPUF

图2 层层自组装阻燃涂层RPUF的切面

Fig.2 Layer⁃by⁃layer self⁃assembled flame retardant coating RPUF cross⁃section

图3 不同层数RPUF⁃xLB的质量变化（a）和界面形貌图（b）

Fig.3 Mass variation diagram of RPUF⁃xLB with different layers （a） and interface topography （b）

样品	RPUF	RPUF⁃1BL	RPUF⁃3BL	RPUF⁃5BL
d/μm	0	18.59	22.32	27.17

表1 不同RPUF⁃xLB的厚度

Tab.1 Thickness of different RPUF⁃xLB

图4 不同层数的RPUF⁃xLB的LOI变化（a）和UL 94垂直燃烧过程照片（b）

Fig.4 LOI of RPUF⁃xLB with different self⁃assembly layers （a） and the process photographs of UL 94 vertical burning tests（b）

样品	T₁/s	T₂/s	UL 94级别	LOI/%
RUPF	-	-	无	19.7±0.5
RUPF⁃1BL	-	-	V⁃2	26.5±0.5
RUPF⁃3BL	7.1±1.2	12.4±0.8	V⁃1	32.6±0.5
RUPF⁃5BL	3.8±0.4	5.4±0.4	V⁃0	35.1±0.5

表2 不同层数的RPUF⁃xLB阻燃性能

Tab.2 The flame retardant performance of RPUF⁃xLB with different self⁃assembly layers

图5 不同层数的RPUF⁃xLB的TGA（a）和DTG（b）曲线

Fig.5 TGA（a） and DTG curves（b） of RPUF⁃xLB with different layers

样品	T_d5%/℃	R_peak/T_peak（%·min^-1·℃^-1）	800 ℃残炭量/%
RPUF	293	13.2/352	18.8
RPUF⁃1BL	293	13.2/359	24.8
RPUF⁃3BL	283	11.2/406	31.6
RPUF⁃5BL	275	10.7/399	34.9

表3 不同层数的RPUF⁃xLB的TGA表

Tab.3 TGA data of RPUF⁃xLB with different layers

图6 不同层数RPUF⁃xLB的吸收率变化曲线（a）、最大烟密度和烟密度等级（b）

Fig.6 Curves of RPUF⁃xLB absorption rate （a） and maximum smoke density and smoke density grade （b） of different assembly layers

图7 不同层数的RPUF⁃xLB热释放速率（a）、总热释放（b）、总烟雾产生量（c）和增重率（d）

Fig.7 RPUF⁃xLB heat release rate （a）， total heat release （b）， total smoke generation （c） and mass loss （d） of different layers

样品	RPUF	RPUF⁃1BL	RPUF⁃3BL	RPUF⁃5BL
TTI/s	3±0.7	5±0.5	11±0.5	17±0.5
pHRR/kW·m^-2	236.1±5.2	180.4±3.2	164.1±2.5	163.9±2.3
THR/MJ·m^-2	45.8±1.2	42.1±1.1	40.0±1.1	39.0±0.8
残炭量/%	15.8±0.5	20.2±0.3	23.2±0.3	24.2±0.3
TSP/m²	10.6±0.1	9.7±0.1	9.3±0.1	9.1±0.1

表4 不同层数的RPUF⁃xLB的锥形量热分析表

Tab.4 Cone data of RPUF⁃xLB with different layers

图8 不同层数的RPUF⁃xLB燃烧后残留碳层的SEM照片

Fig.8 SEM of the residual carbon layer after combustion of RPUF⁃XLB with different layers

参考文献 25

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壳聚糖⁃磺化石墨烯层层自组装涂层对硬质聚氨酯泡沫的阻燃抑烟性能研究

Flame retardancy and smoke suppression of rigid polyurethane foam coated with chitosan⁃sulfonated graphene through layer⁃by⁃layer self⁃assembly

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