传统膨胀型阻燃硬质聚氨酯泡沫烟气量和毒性的抑制研究

Conventional intumescent flame-retardant rigid polyurethane foams (RPUF) have two difficulties for a long time in smoke suppression and toxicity reduction. This project focuses on the achievement of low-smoke, low-toxicity, and flame-retardant RPUF by addition of conventional intumescent flame retardant and hybrid catalyst. Hybrid catalyst combines the advantages of transition metal oxides that can promote char formation as a Lewis acid, enhance compactness of char layer as a synergist, and oxidize CO and HCN as a catalyst, with graphene oxide that can suppress smoke release as a physical barrier. The effect of hybrid catalyst structure and content on the smoke production, toxic gases releasing, flame retardancy, thermal stability and mechanical properties are systematically investigated. Based on the results, reasonable mechanism of smoke suppression and toxicity reduction can be proposed. This project provide not only a scientific basis for further developing eco-friendly RPUF but a novel insight for designing other eco-friendly polymers with low smoke, low toxicity and good flame retardancy. Therefore, this project has both scientific meanings and application prospects.

针对传统膨胀型阻燃硬质聚氨酯泡沫燃烧过程中烟气量和毒性难以抑制的难题，本项目设计将同时具有Lewis酸催化成炭作用、炭层致密性增强作用和催化氧化CO和HCN作用的过渡金属氧化物，与具有物理成炭作用的氧化石墨烯组合，并合成氧化石墨烯负载过渡金属氧化物杂化催化剂。将杂化催化剂与传统膨胀阻燃剂协同使用制备低烟低毒的膨胀阻燃硬质聚氨酯泡沫，系统研究杂化催化剂结构和用量对膨胀阻燃硬质聚氨酯泡沫烟释放、毒性气体释放、阻燃性能、热性能、力学性能等的影响规律，揭示杂化催化剂与膨胀阻燃剂协同使用的抑烟减毒机理，为进一步开发综合性能更优异的低烟低毒环保型阻燃硬质聚氨酯泡沫提供科学依据，同时也为设计新型低烟低毒环保型阻燃高分子材料提供一种新思路。因此，本项目既具有科学意义，又具有应用前景。

针对传统膨胀型阻燃硬质聚氨酯泡沫（RPUF）燃烧过程中烟气量和毒性难以抑制的难题，利用过渡金属氧化物的催化作用、过渡金属负载氧化石墨烯的阻燃和催化增强作用、气相和凝聚相协同作用，分别制备了三种不同类型的膨胀阻燃RPUF，并通过研究其阻燃和抑烟减毒性能，揭示其阻燃和抑烟减毒机理。同时，为提高其它膨胀型阻燃高分子材料的阻燃和抑烟减毒效率提供一种新思路。研究结果表明：（1）在聚磷酸铵（APP）和可膨胀石墨（EG）构建的膨胀阻燃体系（RPUF/APP/EG）中，Cu2O具有比Fe2O3、Co2O3、Ni2O3更优异的协同阻燃效果，且Cu2O的加入能进一步降低RPUF/APP/EG的烟气产生量，但对CO的抑制效果不佳。（2）采用离子交换法和水热法分别制得铜离子负载氧化石墨烯（Cu2+-GO）和氧化铜负载还原氧化石墨烯（CuO-rGO），用于APP膨胀阻燃RPUF体系（RPUF/APP）中，不仅能降低其烟生成总量，还能降低其CO产生率峰值。（3）为了进一步增强阻燃和抑烟减毒性能，合成了分别以P-O-C，P-C，P-N-C桥接的三种含磷大豆油多元醇。其中，P-O-C桥接的含磷大豆油多元醇（PCSO）在RPUF/EG体系中可获得优异的阻燃和抑烟减毒效果。原因在于，将PCSO在低温分解阶段的气相阻燃作用（自由基捕获）与EG在高温分解阶段的凝聚相阻燃作用（膨胀成炭阻隔）有效地结合。（4）此外， Cu2O、Cu2+-GO、Cu-rGO、CuO-rGO在APP阻燃环氧树脂中也分别表现出高效的催化成炭和催化氧化CO效率。