羟甲基化磷酸脒基脲/硼酸复合阻燃剂的合成与性能研究

论文摘要

社会物质文明不断进步,木质纤维材料得到更加广泛的使用,随之而来的火灾事故也频繁发生,木质纤维材料的阻燃研究和应用需求日益加剧。本文以磷-氮-硼复合阻燃剂为研究的主要切入点,结合前人对木材阻燃剂的科研成果和本课题组的研究积累,设计合成出以羟甲基化磷酸脒基脲（G21）和硼酸为主要阻燃活性物质的磷-氮-硼复合木材阻燃剂G21BA,从羟甲基化磷酸脒基脲的合成及表征、羟甲基化磷酸脒基脲和G21BA对胶合板的阻燃作用和热重分析、以及可控气氛锥形量热仪的火灾环境模拟的角度,展开了较为系统的阻燃性能评价和分析论述。以高纯度磷酸脒基脲（GUP）、甲醛和水为主要原料,控制反应条件使之完全反应,得到羟甲基化磷酸脒基脲,其具有溶液无色澄清透明、溶解性提高、酸碱性温和、吸湿性低、有一定抗流失性等特点。经FTIR和XRD分析表征,伯酰胺红外吸收峰减弱,羟甲基峰出现,说明在磷酸脒基脲分子上成功接上羟甲基,且随羟甲基化程度的增大,伯酰胺吸收峰逐渐消失,产物的无定形聚集态结构特征更加明显。TG结果显示其起始分解温度降低,但最终残余物质量分数较GUP稍有提高。CONE测试结果显示,随羟甲基化程度的增大,处理胶合板的热释放、烟释放和火势增长指数稍有提高,相对GUP的阻燃和抑烟效果,G21与之相当。采用复配技术制得G21BA阻燃剂,其在胶合板内部颗粒细密且分散均匀,具有较强的阻燃和抑烟性能,且力学性能得到一定程度的改善。可控气氛锥形量热仪模拟开放式火灾环境和相对封闭的室内火灾环境,结果表明,在开放式火灾环境中,G21BA阻燃胶合板的热释放量、质量损失率、火势增长指数、发烟量以及烟气毒性均降低。在相对封闭的室内火灾环境中,G21BA阻燃胶合板在低氧浓度环境中的发烟量和CO释放比在较高氧浓度条件下明显提高,而胶合板素材在较高氧浓度下的发烟量和热释放相对低氧浓度大大增大。G21BA阻燃胶合板在空气氧浓度高于18%时,与胶合板素材相比具有显著的阻燃和抑烟效果。G21BA阻燃胶合板的使用安全性得到大大提高。在相对封闭的室内,由于堆放较多易燃物而发生火灾并引燃所大量使用的G21BA阻燃胶合板,若环境严重缺氧则会生成较多CO气体和浓烟,为消防安全带来不利影响,因此建议在人员活动频繁并大量使用G21BA阻燃胶合板的公共场合,不宜堆放太多易燃物品。G21BA对胶合板主要是凝聚相阻燃机理,即在高温下使胶合板发生脱水、分解、缩合、聚合、芳构化等反应而快速成炭；另外G21BA分解出的水、氨气等不燃性气体对稀释周围氧气浓度也起到一定的阻燃作用,并且G21和硼酸的热解产物在高温下产生的磷酸硼可能会对抑制红热燃烧起到一定的物理覆盖和热屏蔽作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 木材阻燃剂的发展
• 1.2 木材和木质复合材料阻燃处理技术
• 1.2.1 木材阻燃处理技术
• 1.2.2 阻燃木质复合材料
• 1.2.3 阻燃木塑复合材料
• 1.3 木材和木质复合材料阻燃机理概述
• 1.4 本文研究的主要目的和主要内容
• 2 羟甲基化磷酸脒基脲的制备、表征与理化性质
• 2.1 羟甲基化磷酸脒基脲的制备
• 2.1.1 原料和主要仪器
• 2.1.2 羟甲基化磷酸脒基脲的合成
• 2.2 磷酸脒基脲羟甲基化产物的红外光谱分析
• 2.3 磷酸脒基脲羟甲基化产物的热重分析
• 2.3.1 实验方法
• 2.3.2 结果与讨论
• 2.4 磷酸脒基脲羟甲基化产物的X-射线衍射分析
• 2.4.1 实验方法
• 2.4.2 结果与讨论
• 2.5 磷酸脒基脲羟甲基化产物的理化性质
• 2.5.1 基本理化性质
• 2.5.2 吸湿性
• 2.5.3 抗流失性
• 2.6 本章小结
• 3 羟甲基化程度对磷酸脒基脲阻燃性能的影响
• 3.1 实验方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 热释放性能
• 3.2.2 质量变化
• 3.2.3 火势增长指数
• 3.2.4 发烟性能
• 2释放'>3.2.5 烟气中CO和CO₂释放
• 3.3 本章小结
• 4 羟甲基化磷酸脒基脲/硼酸复合阻燃剂G21BA阻燃胶合板
• 4.1 CONE法研究G21BA阻燃胶合板
• 4.1.1 实验方法
• 4.1.2 结果与讨论
• 4.2 TG研究G21BA阻燃胶合板
• 4.2.1 实验方法
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 SEM研究G21BA阻燃胶合板
• 4.3.1 实验方法
• 4.3.2 结果与讨论
• 4.4 G21BA阻燃胶合板的力学性能
• 4.4.1 实验方法
• 4.4.2 结果与讨论
• 4.5 本章小结
• 5 G21BA阻燃胶合板在模拟不同火灾环境下的燃烧行为
• 5.1 G21BA阻燃胶合板在不同热辐射通量下的燃烧行为
• 5.1.1 实验方法
• 5.1.2 结果与讨论
• 5.2 G21BA阻燃胶合板在可控气氛下的燃烧行为
• 5.2.1 实验方法
• 5.2.2 结果与讨论
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢