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新型高性能可持续聚氨酯纳米复合泡沫：耐火性、热稳定性、导热性和机械性能

时间：2023-09-06 来源： 浏览：

新型高性能可持续聚氨酯纳米复合泡沫：耐火性、热稳定性、导热性和机械性能

生物基能源与材料
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生物基科研前瞻 .

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由于有效的热绝缘性能，硬质聚氨酯泡沫在建筑和交通领域备受关注。然而，它们的一个缺点是对化石原料的高度依赖，这些能源正在日益枯竭，对环境造成污染且无法回收利用。因此这些材料在当前建筑中的应用面临新的限制。为了克服上述问题，用于合成聚氨酯的组分被生物质来源的组分取代，以显著减少对环境的影响并实现可持续发展。
近日， 越南河内国家大学 T uyet Minh Nguyen-Ha等人 利用 竹粉来源的生物基多元醇 制备了生物基硬质聚氨酯泡沫（B-PU），并引入了纳米二氧化硅（3-7 php）和不同环境友好型无卤阻燃剂（FRs），包括磷酸二乙酯铝（OP）、磷酸二铵（DAP）和氢氧化铝（ATH）。本研究旨在研究纳米二氧化硅和阻燃剂对B-PU的 阻燃性、表观密度和力学性能 等的影响。最优的B-PU具有21%以上的极限氧指数(LOI)值，并通过了 V-0级别 评定。此外，与原始B-PU相比，阻燃纳米复合泡沫的 抗压强度显著提高 。最后，与当前其他生物基绝缘板相比，B-PU泡沫及其纳米复合材料表现出 有效的热绝缘性能 和较低的热导率范围。本研究对于开发基于生物基聚氨酯纳米复合材料具有重要意义。
该研究以题为“Novel high-performance sustainable polyurethane nanocomposite foams: Fire resistance, thermal stability, thermal conductivity, and mechanical properties”的论文发表在《Chemical Engineering Journal》。

/ 生物基聚氨酯泡沫的制备 /
采用自由上升法制备了纳米复合泡沫材料（表1）。图1显示了添加和不添加纳米SiO 2 /FR时B-PU的合成步骤。先将多元醇、生物多元醇、二月桂酸二丁基锡（DBDL）、纳米SiO 2 、阻燃剂（FR）在金属杯中以1000转/分搅拌5 min，然后加入MDI，连续搅拌30 s，然后快速倒入70 × 70 × 140 mm的纸模中，使其自由膨胀。最后，将纳米复合泡沫干燥24 h。
表1. 聚氨酯泡沫试样的组成和密度。

图1. (a)合成工艺，(b) B-PU内外，(c) 7B-PU/SiO 2 样品照片。
/ 力学性能表征 /
B-PU泡沫的抗压强度和模量如图2所示，在纳米SiO 2 的存在下，7B-PU/SiO 2 在10%应变下的抗压强度和模量分别约为108.9和1400.3 KPa，高于不含纳米SiO 2 的泡沫的抗压强度和模量分别约为81.5和1078.3 KPa，说明纳米SiO 2 的加入使泡沫的细胞壁变硬，减小了泡沫的尺寸。此外，随着纳米颗粒在聚合物基体内部的分散，纳米复合材料中会产生多个裂纹面或裂纹分支，从而延缓了断裂过程。
7B-PU/5SiO 2 /ATH 250 的模量为2449.3 KPa，比7B-PU/5SiO 2 高，抗压强度降低80.4 KPa。这是由于ATH的刚度，导致该样品的模量增加。然而，ATH是矿物填料的金属氢氧化物，由于润湿性差，作为非补强填料。掺量较大 (41.29 wt %) 时，填料与填料之间的相互作用变得更加明显，导致团聚，强度变差。相比7B-PU/5SiO 2 的108.9 KPa, OP和DAP FRs具有更高的抗压强度 (分别为234.8和172.2 KPa)。7B-PU/5SiO 2 /OP 100 和7B-PU/5SiO 2 /DAP 80 的模量比7B-PU/5SiO 2 提高了3倍。OP和DAP的存在使细胞尺寸更均匀，细胞壁更厚，从而提高了力学性能。

图2. 含和不含FRs泡沫的抗压强度和模量。
/ 阻燃性能表征 /
作者在7B-PU/5SiO 2 中加入三种不同的阻燃剂来提高纳米复合材料的阻燃性能（图3）。 添加剂的含量在很大程度上取决于PU泡沫的来源和它们的作用方式。 当ATH、OP和DAP的最小用量分别为100、30和20 php时，阻燃填料对B-PU纳米复合泡沫的可燃性有显著影响。 与7B-PU和7B-PU/5SiO 2 相比，7B-PU/5SiO 2 /ATH 100 和7B-PU/5SiO 2 /OP 30 的灭火时间分别缩短为4 s和1 s。 此外，7B-PU/5SiO 2 /DAP 20 的火焰可以快速自熄。 添加100 php ATH, 30 php OP, 20 php DAP的7B-PU/5SiO 2 /FRs几乎通过了 块 燃测试和水平燃烧测试标准，但在垂直暴露的火方向上未能达到UL94 V-0等级。 因此，需要在泡沫配方中加入更多的填料来提高阻燃性，直到达到UL94可燃性标准中最难达到的V-0标准。 最终，在B-PU纳米复合泡沫配方中加入250 php ATH、100 php OP和80 php DAP即可达到V-0标准。 这些材料，即7B-PU/5SiO 2 /ATH 250 , 7B-PU/5SiO 2 /OP 100 和7B-PU/5SiO 2 /DAP 80 ，在阻滞燃烧试验中表现出自熄性能，并成功地完成了水平或垂直燃烧试验等级。

图3. 7B-PU/5SiO 2 无FRs和有FRs的块状燃烧、水平燃烧和垂直燃烧试验。
/ 导热性能表征 /
聚氨酯泡沫及其纳米复合材料的重要应用之一是作为一种有效的绝缘材料。通常情况下，生物基板的保温材料导热系数较高，如表2所示。在本研究中，与其他生物绝热板相比，B-PU泡沫及其纳米复合材料的导热系数较低，从而证明了其有效的绝热性能。这种保温性能来自于它们的多孔结构，这可以通过它们的密度值来体现。事实上，7B-PU泡沫板的密度非常小，约为42.3 kg/m 3 ，而其纳米复合材料的密度值略大，介于43.8至79.2 kg/m 3 之间。然而，这些值远小于其他生物基保温板，在58至645 kg/m 3 之间 (表2)。这是因为B-PU泡沫及其纳米复合材料含有大量空隙，这些空隙内的空气使其导热系数低。换句话说，这些材料的绝缘性能优于其他类型的绝缘生物基材料，如表2所示。因此，B-PU泡沫及其纳米复合材料具有显著的保温性能，是替代低效率或环境污染材料的生物保温材料的潜在材料。
表2. 生物基保温板的导热性。

/ 结论 /
生物基聚氨酯纳米复合泡沫具有较高的热稳定性、良好的阻燃性和自熄性。成功制备了含有ATH (41.29 wt %)、DAP (18.37 wt %) 和OP (21.95 wt %) 的阻燃纳米复合泡沫。FRs的加入有效地将LOI值提高到23-26%，并通过了垂直燃烧试验的V-0等级。FR添加剂可以获得更高的抗压强度 (63.32-125.92 Kpa)。B-PU纳米复合泡沫具有良好的保温性能，其导热系数在0.038 - 0.046 W·m -1 ·K -1 之间。该研究展示了一种非常有前途的方法，即利用生物质中的生物多元醇开发环境友好的高性能阻燃和隔热聚氨酯纳米复合材料，可作为未来开发下一代建筑生物保温材料的模板。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145585

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