PEI/APP复合聚电解质对脲醛树脂固化行为的影响及其阻燃木质刨花板

作     者：王帅旗 张宇婷 张帅 梅长彤 潘明珠 

作者机构：南京林业大学材料科学与工程学院 

出 版 物：《复合材料学报》 (Acta Materiae Compositae Sinica)

年 卷 期：2023年

核心收录：

学科分类：082902[工学-木材科学与技术] 08[工学] 0829[工学-林业工程] 

基　　金：“十四五”国家重点研发计划课题（2021YFD2200602-4） 

主　　题：刨花板 复合聚电解质 脲醛树脂固化动力学 力学增强 阻燃机制 聚磷酸铵 聚乙烯亚胺 

摘      要：木质复合材料的阻燃处理和力学增强一直受到广泛的关注。阻燃剂的加入不仅会增大胶黏剂的黏度，而且阻燃剂中的活性基团可以通过化学交联键合到树脂分子上，阻碍胶黏剂的聚合过程，从而对树脂的固化过程产生不利影响。通过对阻燃剂的改性，使其能够提高胶黏剂的固化反应性，增强胶黏剂的粘接强度，同时可以最大限度的减少阻燃剂的迁移，有效提升材料的阻燃性能和力学强度。鉴于此，本文以聚磷酸铵(Ammonium polyphosphate，APP)和聚乙烯亚胺(Polyethyleneimine，PEI)为阴、阳离子聚电解质，通过自组装制备复合聚电解质(PEI/APP)，并进一步将其应用于木质刨花板中。PEI/APP提高了脲醛树脂(Urea-formaldehyde resins， UF)的固化反应性，同步赋予了刨花板优异的力学强度和阻燃性能。基于Kissinger和Ozawa动力学方程计算了不同添加量的PEI/APP与UF交联体系的活化能(Ea)，重点研究了PEI/APP对UF固化动力学的影响。结果表明：PEI/APP能够通过酰胺键和氢键作用与UF形成分子交联网络，促进UF的缩聚固化过程，使得Ea随着PEI/APP添加量的增加而逐渐减小，热固化的反应性逐渐提高，UF的固化放热峰值温度(TP)逐渐降低。与此同时，PEI/APP与UF形成的交联网络增强了木质刨花的内聚强度以及界面结合，刨花板的各项物理力学性能均得到了明显提高。当PEI/APP添加量为10%时，刨花板拥有最高的弹性模量(MOE)和静曲强度(MOR)，分别为3368.46 MPa和27.18 MPa。此时刨花板的极限氧指数(Limiting oxygen index， LOI)为46.3%，热释放速率峰值降为170.3 kW/m2，相较于未处理和APP阻燃刨花板分别降低了45.3%和22.3%。PEI/APP受热产生的聚磷酸能够促使有机物脱水炭化产生膨胀炭层，其致密连续的内、外炭层有效阻止了气相和凝聚相之间的传热和传质。PEI/APP能够促使UF在较低温下发生固化，同步赋予刨花板良好的工艺性能、阻燃性能和力学性能。最后对阻燃刨花板的经济成分进行了分析。