热分析技术在阻燃材料研究中的应用_胡源.pdf

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1、第8卷第1期1999年1月火灾科学FIRE SAFETY SCIENCEVol.8,No.1Jan.1999热分析技术在阻燃材料研究中的应用胡源李纯3时虎鲁红典(中国科学技术大学,合肥,230026;3合肥光大木材公司)吴勇(安徽省消防局防火监督部,合肥,230031)摘要利用STA 490C综合热分析仪对几种阻燃材料的热失重、稳定性进行分析,研究添加不同的阻燃剂及其配比后的阻燃材料的热分解过程及热效应,探讨其阻燃机理。1引言热分析技术已广泛应用于材料可燃性和阻燃评价的研究1。热分析法可分为热重法TGA(thermogravimetric analysis)、差 式 扫 描 量 热 法DSC(

2、differential scanningcalorimetry)和差热分析DTA(differential thermal analysis)、以及热机械分析法TMA(thermomechanical analysis)等方法。TGA是程序控制温度下,测量物质的质量与温度的关系。它通过对被分析物质的降解过程加以记录,得出其分析过程中的质量变化及失重速度,进而对其可燃性和燃烧过程中的稳定性作出评估。而DTA和DSC在相同条件下可定量分析聚合物材料在不同热解阶段的热效应情况,因此,利用热分析技术可以形究一般材料随着温度的变化,其重量及热效应的变化情况。当材料中加入不同的阻燃剂时,由于阻燃剂的作用

3、,导致材料的热分解过程变化以及燃烧性能的变化。因此,热分析技术为评价材料阻燃性能和研究阻燃机理提供了有效的手段2-4。本文利用综合热分析仪研究添加阻燃剂后材料的失重和热过程,初步分析其阻燃机理,为阻燃材料合理配方的选择提供重要的依据。2实验部分211试剂及原料BHZ阻燃剂自制收稿日期:98-09-20修改稿收到日期:98-10-19木材刨花合肥光大木材公司改性氨基树脂A自制改性氨基树脂B自制212仪器德国耐驰公司STA 490C热分析仪,升温度速率10?m in,空气气氛。213样品制备21311阻燃刨花板的制备首先将刨花烘干到含水率为2%以内,将BHZ阻燃剂与脲醛胶按一定比例混合后,得到阻燃

4、脲醛胶,然后将该胶加入到刨花中,混合均匀,按常规工艺在190左右、12 M Pa进行制板。21312膨胀型氨基树脂防火涂料(a)首先在反应容器中按一定比例加入尿素及甲醛,在80左右条件下,制备脲醛树脂,然后加入含硼和硅的化合物,制备改性氨基树脂A。(b)同(a)前部分,首先制备脲醛树脂,然后加入乙醇或异丙醇化合物,制备改性氨基树脂B。将(a)和(b)按一定比例混合后,加入催化剂和固化剂,即得到膨胀型氨基树脂防火涂料。31 结果与讨论311阻燃刨花板的热分析(1)刨花板用阻燃剂配方是一种以氨基树脂为载体的磷氮系阻燃液。高温下放出惰性气体冲淡周围的氧气而阻滞气体燃烧;含磷阻燃剂高温下缩聚,并形成玻

5、璃状物质对木材纤维起到覆盖作用,从而抑制固相燃烧。(a)空白板(b)阻燃板图1为刨花板的热分析曲线(2)从对照板和阻燃板的热分析曲线图1可以看出,阻燃板的分解温度提前(见表1),对照板的放热峰比阻燃板的放热峰大得多。这主要由于阻燃剂改变了木材热分解模57Vol.8 No.1热分析技术在阻燃材料研究中的应用式,使可燃性气体生成量减少,放出的热量减少,从而起到阻燃作用。表1刨花板分解温度刨花板起始分解温度()热分解峰值温度()失重率(%)空白板26037057阻燃板25030836(3)木材热分解反应可能的两种型式:1.木材C+H2O2.木材CO+CO2+H2O含磷阻燃剂受热产生一系列缩聚反应,生

6、成磷酸,使木材迅速脱水炭化,促进了1式反应,抑制了2式反应。炭的导热系数低于木材,从而抑制了热传递也就抑制了热分解速度。同时TG曲线所示阻燃板热失重速度明显降低,也就证明了这一点。放热峰值温度时,普通板和阻燃板的失重率分别为57%和36%(见表1)。残余重量分别为43%和64%。(4)耐火剂是粉状物质,主要成分有二氧化硅、氧化铝等。引入耐火剂与BHZ阻燃剂组成协同效应的阻燃体系,从而提高了刨花板的隔热性能和耐燃性,同时具有消烟作用。3.2膨胀型氨基树脂防火涂料热分析图2异丙醇改性氨基树脂的热分析谱图图3硼砂、硅溶胶改性氨基树脂热分析谱图说明:图2中17211,25312有两个吸热峰(吸热分解放

7、出不燃气体),共有三个放热峰,吸热184167J?g,放热230111J?g。失重92101%。图3共有两个放热峰,没有吸热峰,共放热535219J?g。失重89156%。图4中,7914、20515、28219有三个吸热峰,共吸热398198J?g。没有放热峰。共失重68176%。图(2)、(4)的吸热峰是由于样品分解放出气体使样品发泡所致。图(2)(3)的放热峰是由于样品燃烧所致。图(2)、(3)的失重主要也是由于样品燃烧所致。图(4)的失重是由于样品炭化和分解释放出气体所致。图(2)、(3)比较,样品(2)有发泡,但失重较多,样品(3)无发泡,但由于无机物的存在,失重较少。由此可知样品(

8、2)主要起发泡剂作用,样品(3)可起到减少失重的作用。样品(4)有三个连续吸热67火灾科学F IRE SA FETY SC IENCE第8卷第1期发泡峰,且第一个吸热峰为7914比样品(2)低了7913。这是由于催化剂的存在使样品图48份a和1份b配合涂料热分析谱图发泡温度降低,并且使其发泡能力增强了。样品(4)的失重也降低了是由于催化剂的存在使炭化程度增加了。综上所述,本防火涂料在各组分的协同作用下一方面本身不燃烧,并且由于发泡形成较厚的炭化层可以阻止燃烧的进行。由热失重数据和吸热发泡数据可知,该防火涂料具有较好的防火性能。4结论通过热分析研究了阻燃刨花板及膨胀型氨基树脂的失重和热效应,从而

9、初步给出阻燃刨花板及膨胀型氨基树脂的阻燃机理,为合理的阻燃配方提供了理论基础。参考文献1Edith A,Turi.Thermal Characterization of PolymerticM aterials,A cadem ic press,N ew York,19812胡源、桂宙、藤本康弘等.聚酚氧磷腈合成及其热分解过程.化学通报,1998,2,31333Cam ino G,M artinasso G,Costa L.,ThermalDegradtion of Pentaerythritol D iphosphateM odelcompoud for Fire Retardant Int

10、umescent system,Polymer Degradtion and stability,1990,27,285296.4李克明,舒永爱,杨凤兰.镁铝复合阻燃剂热分解过程分析.阻燃材料与技术,1996,2,1477Vol.8 No.1热分析技术在阻燃材料研究中的应用Application of Thermal Analysis in FlameRetardantMaterialsHu YuanL i Chun3Shi HuL u Hongdian(U niversity of Science and Technlogy of China,Hefei 230026)W u Yong(He

11、fei Everbright Timber Industry Co.L td)(Fire Protection Supervision Division of Anhui Fire Fighting Bureau,Hefei,230031)AbstractThermal loss weight and stability of some flame retardant materials were analyzedbySTA 490Cthermal analysis,thermal decompositionandthermal effect wereinvestigated after different flame retardants and components were added to materials.and then mechanism s of flame retardant were studied.87火灾科学F IRE SA FETY SC IENCE第8卷第1期