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基于光谱学分析的聚氨酯弹性体/聚磷酸铵/氢氧化铝复合材料阻燃机理研究

         
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摘要

采用熔融共混技术,将聚磷酸铵(APP)和氢氧化铝(ATH)引入到聚氨酯弹性体(TPU)中,制备了一系列热塑性聚氨酯/聚磷酸铵/氢氧化铝(TPU/APP/ATH)复合材料.采用傅里叶红外光谱(FTIR)、X-射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、激光拉曼光谱研究了T PU和阻燃T PU(FR-T PU)复合材料燃烧后炭渣的微观形貌、表面结构、元素组成、键合状态和石墨化程度,结合阻燃性能测试,揭示APP和AT H的协同阻燃机制.SEM分析表明相较于APP与ATH单独使用,TPU/APP/ATH炭层的空洞结构更少,炭渣的致密性更高.XPS分析表明FR-T PU的炭渣中C元素含量相比于纯T PU有所降低,O元素的含量有所上升,其中TPU/APP10/ATH10的C元素含量从88.2％ 降至69.24％,O元素的含量从8.07％ 升至17.78％,P和Al元素含量相较于单独添加分别从11.74％ 和16.36％ 下降至3.91％ 和3.31％.在此基础上,通过对C元素的分峰拟合发现T PU炭渣中C—C/C—H,C—O/C—N和C=O/C=N含量分别为61.05％,35.65％ 和3.30％;TPU/APP10/ATH10炭渣中三种结构含量分别为45.38％,45.00％ 和9.63％,说明ATH和APP复配使用有利于C元素形成酯、醚、羰基、羧酸(盐)、酯基等结构.通过对O元素的分峰拟合发现,T PU炭渣中O2/H2 O,—O—,=O三种结构含量分别为28.75％,44.36％ 和26.89％;TPU/APP10/ATH10炭渣中O2/H2O,—O—,=O三种结构含量分别为44.33％,32.78％ 和22.89％,说明APP和ATH的加入有利于炭渣中O元素形成O2/H2O结构.通过对N元素的分峰拟合发现,TPU炭渣中—NH—,=N结构的N元素含量分别为40.93％ 和59.07％;TPU/APP10/ATH10中—NH—,=N结构的N元素含量分别47.17％ 和52.83％,说明ATH与APP复配使用促进了—NH—结构的形成.拉曼测试表明,相比于单独使用,A PP和A T H复配使用,炭层的石墨化程度更好,致密性更高.以上分析结合阻燃测试可以得出TPU/APP/ATH复合材料阻燃机制:ATH受热分解生成氧化铝,吸收热量并释放大量水蒸气,有效促进A PP降解,生成不燃性的氨气和聚磷酸,氨气和水蒸气稀释可燃性气体的浓度.随着温度继续升高,氧化铝可继续与聚磷酸反应生成偏磷酸铝[Al(PO3)3],同步催化聚氨酯基体成炭,形成高度石墨化炭层,石墨化炭层与偏磷酸铝一起覆盖在基体表面,有效抑制燃烧区域物质以及能量的输运,从而达到阻燃目的.

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