三聚氰胺-红磷协同阻燃剂对复合材料性能影响研究

1. 前言

由于其优异的性能，包括高孔隙率，低导热率，高抗压强度，聚氨酯具有较强的附着力点等优点。聚氨酯作为一种容易燃烧的高分子材料，氧指数为 18% 左右。发生火灾时，聚氨酯材料发生燃烧剧烈，火焰蔓延迅速，放出含有大量有毒气体，这些缺陷严重威胁到人类生命和财产安全。

为了解决这一问题，阻燃剂被广泛研究并应用于聚氨酯材料中，以改善其阻燃耐火性能。三聚氰胺和红磷均具有良好的阻燃效果，然而单一使用时存在一些问题，如三聚氰胺分解温度较高，红磷在聚合物中易迁移等。因此，研究三聚氰胺/红磷阻燃剂对聚氨酯电缆材料阻燃耐火的性能影响，以提高电缆材料的阻燃性能和耐火性能，对未来人们的安全具有重要的意义。

2. 力学性能分析

2.1 三聚氰胺含量影响研究

聚氨酯复合材料的硬度随三聚氰胺的添加量增大而增大。尤其是当三聚氰胺添加量为20 份的条件下，硬度开始上升。三聚氰胺添加量增加，复合材料的拉伸性能将随之减小，当三聚氰胺添加量为 0 的时候，其拉伸强度和断裂延伸率分别达到 19.6±0.2MPa 和 805±24%. 。

当三聚氰胺的添加量少于20 份的时候，对材料的机械力学性能的影响不大。当三聚氰胺添加量大于 20 份的时候，力学性能降低的非常显著。当三聚氰胺添加量为 40份的时候，材料的拉伸强度下降到 15.7±0.1MPa ，百分变量为 19% ，拉伸断裂伸长率下降到 550±16% ，百分变量为 31% 。

2.2 红磷含量影响研究

聚氨酯复合材料的硬度随着红磷添加量的增加而增加。红磷添加量为 20 份的条件下，硬度有了显著的提高。结果发现，随着红磷添加量的增加，复合材料的拉伸性能下降，力学性能降低。而红磷的添加量为 0 的条件下，聚氨酯复合材料的拉伸强度为19.6±0.2MPa ，拉伸断裂伸长率为 805±24% 。当红磷添加量少于 20 份的条件下，力学性能的下降幅度不大。红磷添加量超过 20 份后，力学性能的下降非常显著。三聚氰胺添加达到40 份的条件下，拉伸强度降低到 13.8±0.1MPa ，百分变量为 29% ，拉伸断裂伸长率降低到 510±16% ，百分变量为 36% 。

2.3 三聚氰胺/红磷含量影响研究

聚氨酯复合材料的硬度随着三聚氰胺/红磷添加量的提高而提高，特别地，当三聚氰胺/红磷用量达到20 份时，硬度开始出现明显增加。复合材料的拉伸性能由于三聚氰胺/红磷添加量的增大而出现下降趋势。而三聚氰胺/红磷的添加量为 0 时，聚氨酯复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别为 19.6±0.2MPa 和 805±24% 。三聚氰胺/红磷添加量低于20 份的条件下，力学性能的降低幅度不大。三聚氰胺/红磷添加量超过 20 份的条件下，力学性出现变化，降低非常显著。三聚氰胺/红磷用量达到40 份的条件下，复合材料的拉伸强度降低到了 15.9±0.1MPa ，百分变量为 18% ，拉伸断裂伸长率降低到561±16% ，百分变量为 30% 。

2.4 三聚氰胺/红磷配比影响研究

当三聚氰胺/红磷复合阻燃剂的总添加份数为20 份，三聚氰胺/红磷配比达到1：1 时，复合材料表现出最佳的力学性能，抗拉强度为 18.6±0.2MPa ，伸长率为 770±34% 。而三聚氰胺/红磷的配比达到 3：1 时，聚氨酯复合材料的拉伸强度为 17.2±0.2MPa ，拉伸断裂伸长率为 690±24% ，三聚氰胺/红磷的配比达到 1：3 时，聚氨酯复合材料的拉伸强度为17.7±0.2MPa ，拉伸断裂伸长率为 710±24% ，均小于三聚氰胺/红磷配比为1：1 时复合材

料的力学性能。

3. 阻燃性能分析

3.1 三聚氰胺含量影响研究

复合材料的氧指数和 UL-94 等级随着三聚氰胺添加量的增加而得到改善，符合阻燃的标准。三聚氰胺添加量为 20 份的条件下，氧指数达到 23% ，UL-94 等级达 V-2，三聚氰胺添加量为 40 份的条件下，氧指数达到 23.9% ，UL-94 等级达到 V-2。由于三聚氰胺添加量的提高使复合材料在燃烧过程中释放的热量降低、火焰变小，没有出现熔滴飞溅。综合考虑三聚氰胺/聚氨酯复合材料力学性能和阻燃性能，三聚氰胺在单独三聚氰胺/聚氨酯阻燃体系中的最佳添加量为 20 份。

3.2 红磷含量影响研究

由于红磷添加量的增加，复合材料的氧指数和 UL-94 等级都有提高，一些材料有更好的阻燃效果。当红磷添加量达到 20 份的条件下，氧指数可达到 23.4% ，UL-94 等级达到 V-2，当红磷添加量达到 40 份的条件下，氧指数达到 24.1% ，UL-94 等级达到V-2。随着红磷添加量的提高，复合材料释放的热量降低、火焰变小，没有熔滴飞溅。综合考虑红磷/聚氨酯复合材料在力学性能和阻燃性能中，红磷在三聚氰胺/聚氨酯阻燃体系中的最佳添加量为 20 份。

3.3 三聚氰胺/红磷含量影响研究

由于三聚氰胺/红磷添加量的增加，复合材料的氧指数和 UL-94 等级都有了提升，有些能满足更高的阻燃要求。三聚氰胺/红磷添加量达 20 份的条件下，氧指数能达到27.2% ，UL-94 等级能达到 V-1，三聚氰胺/红磷用量达40 份的条件下时，氧指数能达到27.4% ，UL-94 等级达到V-1。随着三聚氰胺/红磷用量的提高，会使复合材料释放的热量减小、火焰变小，没有熔滴飞溅。综合考虑三聚氰胺/红磷/聚氨酯复合材料力学性能和阻燃性能，三聚氰胺/红磷在三聚氰胺/红磷/聚氨酯阻燃体系中的最佳添加量为20 份。

5.结语

在这项研究中，我们成功地将三聚氰胺/红磷阻燃剂添加到聚氨酯电缆料中，通过对电缆料精心设计和实施，完成了对聚氨酯电缆料的阻燃效果，提高了聚氨酯电缆料的阻燃耐火性能。未来，阻燃技术的不断发展和新材料新工艺的不断涌现，阻燃剂技术将迎来新的发展机遇。新型环保的阻燃剂是以后的发展方向，将成为技术研发的重点对象。希望新型阻燃剂能在未来实现广泛应用，给电缆行业带来更多便利。

参考文献：

[1] 苏翠伟， 次立杰， 胡江浦， 等. 一种三聚氰胺板用无溶剂聚氨酯胶黏剂的制备与性能研究 [J]. 塑料科技， 2023， 51 （09）： 84-87.

[2] 史俊杰， 史哲航， 李红周. 磷系阻燃剂插层镁铝型水滑石复合物的制备及其在热塑性聚氨酯中的阻燃应用 [J]. 应用化学， 2023， 40 （09）： 1288-1301.

[3] 郑玉莹， 赵园园， 谢伟， 等. MPP 阻燃硬质聚氨酯泡沫制备工艺 [J]. 塑料， 2023， 52 （04）： 7-12.

[4] 陈程. 聚磷酸铵/多元醇改性三聚氰胺树脂对 PP 燃烧行为的影响及其机理研究[D].青岛科技大学， 2023

学校名字：河南工学院

项目编号：河南工学院博士科研启动项目“基于协同阻燃体系的新型TPU 阻燃电缆护套材料研究”（KQ2306）

作者简介：姓名：王雷出生年：1987 性别：男民族：汉籍贯：河南省安阳市职称：讲师学位：博士主要研究方向：功能性高分子及复合材料）