木质素基阻燃剂在复合材料中的应用研究

作     者：刘碧莹 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：呼微

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：酶解木质素 木质素基阻燃剂 阻燃聚氨酯泡沫 阻燃聚烯烃 

摘      要：木质素作为自然界中第二大可再生的天然大分子材料,可以降解,对环境友好。它含有丰富的活性基团,如羟基,与大量苯环,使它能够成为多种高分子材料的原材料,以代替一部分的石油化工原料,例如可成为聚氨酯、环氧树脂、酚醛树脂等材料的反应结构单元。除此之外,木质素在阻燃体系中可作为优良的成碳剂。木质素的加入,在降低合成材料价格的同时,还可以提高综合性能,得到性能优异的生物质基环保材料。本论文首先利用工业级酶解木质素(Lignin)作为反应原料,其上的羟基与9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)上的P-H键,通过三烯丙基异三聚氰酸酯(TAIC)上的双键链接起来,合成一种含磷氮元素的无卤木质素基阻燃剂(LTD)。选用工业级二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)与聚醚多元醇,将制备得到的LTD加入到泡沫反应体系中,原位反应复合得到阻燃聚氨酯泡沫。在加入20%的阻燃剂LTD(含15%的木质素)时,极限氧指数(LOI)从聚氨酯(PU)的18.2%提高到28.0%,拉伸强度从0.151 MPa提高到0.180 MPa,压缩永久变形率由3.88%降低至2.87%,性能均有明显提升。另外,本研究还利用TGIC上的环氧基团将lignin上的羟基与氨基三甲叉磷酸(ATMP)的P-OH基团反应键连起来,最后加入苯甲酸,利用苯甲酸上的羧基与ATMP上的羟基反应,合成了一种含有氮磷两种元素的无卤木质素基阻燃剂(LTAB)。选用工业上常用的MDI与聚醚多元醇,将制备得到的LTAB加入到泡沫反应复合体系中,原位反应复合得到阻燃聚氨酯泡沫。阻燃剂LTAB中含有羟基基团,能够与MDI反应,参与到聚氨酯泡沫的反应过程中,所以LTAB是反应型阻燃剂。聚氨酯泡沫的阻燃性能得到明显提升,LOI达到27.8%,拉伸强度达到0.165 MPa,压缩永久变形率从3.88%降低为2.88%,未加LTAB的纯聚氨酯泡沫的阻燃和力学性能分别为18.2%和0.104 MPa,均有明显提升。本论文还将制备得到的LTAB应用于聚烯烃体系中,得到木质素基阻燃复合材料。加入25%的LTAB,聚丙烯(PP)的拉伸强度从22.8 MPa提高到24.6 MPa,拉伸模量从565.0 MPa提高到910.5 MPa,LOI达到不燃的29.5%,UL-94达到V-0级别,解决了聚丙烯的融滴问题。以上研究结果表明,通过将工业级酶解木质素与含氮、磷元素的单体反应,制备的木质素基阻燃剂,可应用于聚氨酯以及聚烯烃材料的阻燃中,一方面可以实现木质素的高值化利用,另一方面又可以增强复合材料的阻燃和力学性能,降低成本,减小环境污染,从经济效益和社会效益来说都具有重要的意义。