废弃纤维/聚氨酯保温阻燃复合材料的制备及性能

吕丽华　王婧

摘要：为了开发废弃纤维循环利用新途径，以废弃纤维为增强材料，废弃热塑性聚氨酯（TPU）为基体材料，通过共混塑炼机压法制备保温阻燃复合材料。以热传导系数、拉伸强度等为检测指标，通过极差和方差分析优化出最优工艺参数：废弃纤维含量15%，发泡剂偶氮二甲酰胺（AC）含量2%，阻燃剂聚磷酸铵（APP）含量20%，膨胀蛭石（EVMT）含量3%，热压温度175 ℃，热压压力1 MPa，硅烷偶联剂（KH550）含量0.5%。在最优工艺参数下，废弃纤维/热塑性聚氨酯保温阻燃复合材料的热传导系数为0.159 W/（m·K），拉伸强度为2.17 MPa，极限氧指数为30.27%。

关键词：废弃纤维；废弃热塑性聚氨酯；保温性；阻燃性；复合材料

中图分类号：TS102.9

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2017）05-0015-04

Abstract：In order to develop a new approach of recycling waste fibers， heatinsulation flameretardant composites were prepared with waste fiber as reinforcing material and TPU as basis material by blendingplasticating hotpressing. The optimal technological parameters were obtained by means of range and variance analysis of coefficient of heat conduction and tensile strength： 15% fiber， 2% foaming agent （azodicarbonamide （AC））， 20% flame retardant （ammonium polyphosphate （APP））， 3% expansion vermiculite （EVMT）， 175 ℃（hotpressing temperature）， 1MPa （hot pressing pressure）， 0.5% silane coupling agent （KH550）. Given the optimal technological parameters， the coefficient of heat conduction of heatinsulation flameretardant composites made from waste fiber and thermoplastic polyurethane is 0.159 W/ （m·K）， the tensile strength is 2.17MPa and the limit oxygen index is 30.27%.

Key words：waste fibers； waste thermoplastic polyurethane； heat retaining property； fire resistance； composites

截止2011年，中國有超过2 600万t废弃纺织品，其重复回收利用率却不足10%。至“十二五”末，中国将产生超过1亿t的废旧纺织品[12]。废弃纺织品主要可以通过燃烧法、掩埋法和分离回收法进行处理[34]，其中燃烧法和掩埋法不仅浪费资源，还会对环境造成二次污染；混纺纤维分离法成本过高、分离不充分给纤维的分离带来诸多难题，不能达到国家节能环保、回收再利用的要求[56]。所以，如何提高这些废旧纺织品的回收利用率，制造高附加值的产品，已迫在眉睫。利用废弃纤维制备保温阻燃复合材料，不仅响应环保大趋势，还可以降低产品生产成本。热塑性聚氨酯（TPU）回收利用简便，是一种绿色环保材料[7]。但其阻燃性能差，很容易引起火灾，造成重大损失，如能开发出阻燃性能优异的聚氨酯保温复合材料，其市场前景良好。

本文以废弃纤维为增强材料，废弃TPU为基体材料，通过共混-塑炼热压法，研究制得的复合材料的保温性能、力学性能和阻燃性能，优化工艺参数。开发废弃纤维循环利用新途径，制备轻质节能的绿色环保保温阻燃复合材料。

1实验

1.1原料

废弃纤维、废弃热塑性聚氨酯（TPU）、发泡剂偶氮二甲酰胺（AC）（余姚市同勇塑染有限公司）、阻燃剂聚磷酸铵（APP）（济南泰星精细化工有限公司）、膨胀蛭石（EVMT）（灵寿县燕西矿产加工厂）、硅烷偶联剂KH550（济南兴飞隆化工）、乙醇（天津市富宇精细化工有限公司）。

1.2仪器

QJK1000A边角料开松机（青岛金盟科机械制造有限公司）；SJK180双辊塑炼机（武汉怡扬塑料机械有限公司）；QLB50D/QMN压力成型机（江苏无锡中凯橡塑机械有限公司）；ZHYW万能制样机（河北省承德试验机厂）；RGY5微机控制电子万能试验机（深圳市瑞格尔仪器有限公司）；KESF7纺织材料热物性测试仪（湖南振华分析仪器有限公司）；LFY606B数显氧指数测定仪（山东省纺织科学研究院）。

1.3工艺

1.3.1EVMT改性处理

采用预处理法对EVMT进行有机化改性。称取一定量干燥后的EVMT，放入烧杯中，加入不同含量的KH550（相对于EVMT用量）乙醇水溶液低速回流搅拌15 min，静置30 min后过滤晾干，放入120 ℃鼓风干燥箱内干燥30 min得到样品备用。

1.3.2废弃纤维/TPU保温阻燃复合材料的制备工艺

废弃纤维/TPU保温阻燃复合材料的制备工艺流程如图1所示。

2结果与讨论

2.1保温性能结果与分析

通过测量热传导系数对材料的保温性能进行表征，测试结果见表1。热传导系数是判定保温性能的主要指标，当材料厚度为1 m时，内外表面温差1 K，在1 s时间内通过1 m2材料的热量，热传导系数越小，材料的保温性能越好。热传导系数的极差分析见表2。

由表2可知，影响材料热传导系数的因素先后次序为：废弃纤维含量>APP含量>热压压力>EVMT含量>AC含量>KH550含量>热压温度。由表2可知，废弃纤维含量和阻燃剂含量对材料热传到系数影响最显著。实验较优水平组合为：A1B1C2D1E1F1G2，即纤维含量15%，AC含量2%，APP含量20%，EVMT含量2%，热压压力1 MPa，热压温度175 ℃，KH550含量1%时，材料保温性达到最佳。

2.2力学性能测试结果与分析

通过测试材料拉伸强度对保温阻燃复合材料的力学性能进行表征，测试结果见表3。拉伸强度的极差分析见表4。

由表4极差分析可知，影响材料拉伸强度的因素先后次序为：废弃纤维含量>APP含量>EVMT含量>AC含量>热压压力>热压温度>KH550含量。由表4可知，纤维含量和APP含量对材料拉伸强度影响较显著。实验较优水平组合为：A1B1C1D2E2F2G2，即纤维含量15%，AC含量2%，APP含量15%，EVMT含量3%，热压压力2 MPa，热压温度180 ℃，KH550含量1%时，复合材料拉伸强度达到最佳。

废弃纤维含量在20%时的拉伸强度反而低于含量为15%时的拉伸强度，产生这种现象与纤维在体系内的分散状态有关。在废弃纤维含量适当时，纤维大部分呈单丝状及小束纤维状分散于体系，提高了材料的力学性能。

综上所述，为获得保温性、力学性能较为优良的废弃纤维/聚氨酯保温复合材料，废弃纤维用量15%；APP量较多时，虽然会降低了材料保温性能和力学性能，但对材料阻燃性能的影响却更加明显，所以可将阻燃剂APP含量定为20%；EVMT的加入均有利于材料阻燃性能和力学性能的改善，EVMT用量定为3%。另外，对于热压温度、热压压力、KH550用量此类对板材性能影响较小的因素，所以为减少能源与材料额耗费，选取热压温度为175 ℃，热压压力1 MPa，KH550 0.5%。综上所述，较优工艺为：废弃纤维含量15%，AC含量2%，APP含量20%，EVMT含量3%，热压温度175 ℃，热压压力1 MPa，KH550含量0.5%。

2.3阻燃性能结果与分析

APP受热脱水后生成聚磷酸强脱水剂，可以促使TPU表面脱水生成炭化物，加之生成的非挥发性磷的氧化物及聚磷酸对基材表面进行覆盖，隔绝空气而达到阻燃的目的，同时由于APP含有氮元素，受热分解释放出CO2、N2、NH3等气体，这些气体不易燃烧，阻断了氧的供应，达到了阻燃增效和协同效应的目的[8]。又因为EVMT在TPU中可以以无机/有机剥离状态存在，分布于板材中的EVMT片层具有良好的气液阻隔性能，所以燃烧表面的EVMT片层可以阻隔内部因TPU分子链分解而产生的可燃性小分子向燃烧界面迁移，同时也能延缓外界氧气向燃烧界面内部迁移的速率[9]。所以，使用APP与EVMT复配，一定程度上有利于改善材料的阻燃性能。在最佳工艺条件下，制备的废弃纤维/TPU阻燃保温复合材料的实拍图见图2。测试其极限氧指数可达30.27%。具有很好的阻燃效果。

TPU发泡保温阻燃复合材料的导热系数主要与体系中材料的密度大小、泡孔的形状、均匀度、闭孔率等因素有关[10]。由表2数据可以看出，随着纤维含量、APP含量的增加，材料的导热系数增加，即材料的保温性能会有所下降。当纤维含量过多时，复合材料内部体系环境复杂，造成发泡阻力增加，容易造成氣泡穿孔破裂；另外，在纤维与TPU总质量一定的情况下，纤维含量的增加，则TPU含量的降低，因此导致基体流动性下降，造成体系内基体分布不均匀，致使材料密度与均匀度下降。阻燃剂APP的加入，不利于材料的均匀发泡。即纤维含量、APP含量的升高，均会使复合材料的热传到系数增大，即材料的保温性能下降。在最优工艺条件下，废弃纤维/TPU保温阻燃复合材料，通过图3电镜扫描可知，材料中形成了较为均匀的气孔，有利于降低导热系数，提高材料的保温性能。

测得市售聚苯板的热传导系数为0.112 W/（m·K），拉伸强度为0.27 MPa，阻燃性属于易燃材料。而本研究研制的废弃纤维/TPU保温阻燃复合材料的热传导系数为0.159 W/（m·K），拉伸强度可达2.17 MPa，极限氧指数可达30.27%。

3结论

本文使用废弃纤维与废弃聚氨酯进行复合，以APP/EVMT复配阻燃体系，制备得到了具有一定阻燃性和力学强度的废弃纤维增强聚氨酯保温复合材料。通过检测热传导系数、拉伸强度和极限氧指数，得到了纤维含量、发泡剂含量、阻燃剂含量、热压压力、热压温度、硅烷偶联剂含量对保温复合材料各项性能的影响。得到以下结论：

a） 用共混-塑炼热压法制备废弃纤维/聚氨酯保温阻燃材料的成型工艺范围为：废弃纤维含量≤20%，发泡剂AC含量≤10%，热压温度≤180 ℃，热压压力≤3 MPa，冷却时间2 h。

b） 通过分析正交实验极差和方差分析，得出制备废弃纤维/聚氨酯保温阻燃复合材料的较优工艺条件为废弃纤维含量15%，发泡剂AC含量2%，阻燃剂APP含量20%，EVMT含量3%，热压温度175 ℃，热压压力1 MPa，KH550含量0.5%。

c） 最优工艺条件下保温复合材料的热传导系数为0.159 W/（m·K），拉伸强度达2.17 MPa，极限氧指数30.27%。

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（责任编辑：张会巍）