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随着全球经济的快速发展,能源和环境问题已成当今世界发展的两大主题。目前,我国建筑能耗占总能耗的30%,建筑节能已成为我国可持续发展的重要举措。硬质聚氨酯泡沫(RPUF)由于卓越的隔热保温性能广泛应用于建筑外墙保温。但是,由于硬质聚氨酯泡沫是有机高分子材料,存在极易燃烧的问题,一旦发生火灾,将会造成巨大人员伤亡和财产损失,因此有必要对硬质聚氨酯泡沫进行阻燃改性研究。本文首先综述了近几十年外墙保温技术以及阻燃技术,探讨上述技术在硬质聚氨酯泡沫阻燃中应用的可行性。其次,将可膨胀石墨(EG)、次磷酸铝(AHP)、二乙基次膦酸铝(ADP)分别用于硬质聚氨酯泡沫阻燃,研究其对硬质聚氨酯泡沫泡孔结构、物理性能、阻燃性能、燃烧性能、热稳定性、烟密度等特性的影响;最后采用阻燃协效技术,将EG与AHP、ADP分别组成阻燃协效体系用于硬质聚氨酯泡沫阻燃,系统研究阻燃协效体系对硬质聚氨酯泡沫泡孔结构、物理性能、阻燃性能、燃烧性能、热稳定性、烟密度等特性的影响。(1)将可膨胀石墨引入硬质聚氨酯泡沫体系,采用一步法全水发泡制备硬质聚氨酯泡沫/可膨胀石墨复合材料(RPUF/EG)。可膨胀石墨在低添加量条件下对复合材料泡孔结构影响不大,但高添加量可膨胀石墨会对复合材料中泡孔的均匀性和完整性有影响。在EG添加量为5份时,RPUF/EG5复合材料的密度和导热系数最小,分别为59.7 Kg/m~3和0.0436 W/(m·k),随着EG添加量的增加,RPUF/EG复合材料的密度和导热系数逐渐上升,但总体影响不大。热重分析表明可膨胀石墨的加入会使得RPUF/EG复合材料热分解温度降低,但会提高其成炭率,EG添加量为30份,800℃下成炭率高达20.2 wt%。阻燃测试表明,可膨胀石墨可以明显提高RPUF/EG复合材料的阻燃性能,当可膨胀石墨添加量为30份时,RPUF/EG30复合材料极限氧指数达到25.2 vol%,垂直燃烧达到UL-94 V-1级别,火灾安全性明显提高。(2)将次磷酸铝引入硬质聚氨酯泡沫体系,采用一步法全水发泡制备硬质聚氨酯泡沫/次磷酸铝复合材料(RPUF/AHP)。低添加量次磷酸铝对聚氨酯泡沫泡孔结构影响较小,但高添加量次磷酸铝对RPUF/AHP复合材料均匀性和完整性有一定影响。RPUF/AHP复合材料密度和导热系数随着次磷酸铝添加量的提高呈增大趋势,当ADP添加量为30份时,RPUF/AHP30复合材料的密度和导热系数最大,分别为60.3 Kg/m~3和0.0466 W/m·k。热重分析表明次磷酸铝的加入会降低复合材料热分解温度和最大热失重对应温度,并明显提高复合材料成炭率,最高成炭率可达22.6 wt%。阻燃测试表明,RPUF/AHP复合材料极限氧指数随着次磷酸铝添加量提高而逐渐提高。当次磷酸铝的添加量为30份时,RPUF/AHP30复合材料的极限氧指数达到23.6 vol%,垂直燃烧达到UL-94 V-1级别。锥形量热测试表明次磷酸铝可以有效降低RPUF/AHP复合材料热释放速率峰值和总热释放,提高复合材料的火灾安全性能。(3)将二乙基次膦酸铝(ADP)引入硬质聚氨酯泡沫体系,采用一步法全水发泡制备硬质聚氨酯泡沫/次磷酸铝复合材料(RPUF/ADP)。低添加量ADP对复合材料泡孔结构影响较小,但高添加量ADP会造成部分泡孔结构破坏。同时发现ADP的加入对复合材料密度影响较小,但会使得RPUF/ADP复合材料的导热系数有所增大。ADP的加入使得RPUF/ADP复合材料的热分解温度以及成炭率均有所下降。阻燃测试表明RPUF/ADP复合材料的极限氧指数随着ADP添加量提高而增大。当ADP添加量为30份时,RPUF/ADP复合材料极限氧指数为23.0 vol%,并通过UL-94 V1级别。MCC测试表明ADP的加入明显降低RPUF/ADP复合材料的热释放速率峰值,但是对总热释放影响不大。(4)将次磷酸铝(AHP)和膨胀石墨(EG)引入硬质聚氨酯泡沫体系,采用一步法全水发泡制备硬质聚氨酯泡沫/次磷酸铝/可膨胀石墨(RPUF/AHP/EG)复合材料。研究发现,AHP以及EG均具有一定的成核作用,使得RPUF/AHP/EG复合材料泡孔孔径降低,AHP相对于EG对泡孔结构影响更大,使得泡孔不均匀性增加。AHP/EG体系对复合材料密度影响不大,RPUF/AHP/EG复合材料的密度与纯样相比不超过10.54%,但RPUF/AHP/EG复合材料的导热系数随着EG添加量提高呈现上升趋势。当AHP添加量为6份,EG添加量为24份时,材料达到最大为0.0461W/m·k,其导热系数比纯RPUF高15.6%。在RPUF/AHP/EG体系中,保持阻燃剂总添加量为30份,随着AHP的减少和EG的增加,极限氧指数增大在RPUF/ADP12/EG18时达到最大27.0 vol%,明显优于单独添加EG,AHP和ADP体系,说明在RPUF/AHP/EG中存在明显的阻燃协效作用。MCC测试表明次磷酸铝和可膨胀石墨协效复配用于RPUF可以有效降低RPUF/AHP/EG复合材料的热释放速率峰值和总热释放,提高复合材料的火灾安全性能。(5)将二乙基次膦酸铝(ADP)和可膨胀石墨(EG)引入硬质聚氨酯泡沫体系,采用一步法全水发泡制备硬质聚氨酯泡沫/二乙基次膦酸铝/可膨胀石墨(RPUF/ADP/EG)复合材料。在RPUF/ADP/EG复合材料中,其泡孔形貌破坏较大,出现明显孔壁破裂和孔径大小不一的现象。在ADP添加量为6份,EG添加量为24份时,RPUF/ADP6/EG24导热系数达到最高为值0.0474 W/m·k,相对于RPUF增加20.9%。保持阻燃剂总添加量为30份,随ADP的减少以及EG的增大,极限氧指数在RPUF/ADP10/EG20时达到最大25.9 vol%,明显优于单独添加EG,AHP和ADP的体系,说明在RPUF/ADP/EG体系中存在明显的阻燃协效作用。MCC测试表明,当ADP添加量24份时,EG量为6份,其热释放速率峰值下降至137 W/g,相比纯样下降了47.4%,说明ADP与EG复配可明显降低复合材料火灾安全性能。