无卤聚磷酸盐（op550）是一种性能优异的活性磷阻燃剂。其阻燃机理是通过形成磷酸和多聚磷酸层来隔离氧气（O2）。此外，加热后的op550会释放氨气（NH3）、氮气（N2）和蒸汽，从而稀释O2和其他可燃气体的浓度。这些磷氧自由基可以与活性氢和氢氧化物基团反应，进一步抑制体系的燃烧。纳米二氧化钛（nano TiO2）具有高的光稳定性和耐化学性，能提高基体的抗紫外性能和力学性能，是最有前途的无机刚性纳米材料之一。添加不同晶型（锐钛矿、金红石和布鲁克石）的TiO2会使系统中的具体不同的性质。金红石型二氧化钛是三种二氧化钛中最常用的紫外阻滞剂，但它具有针状结构，在制备和贮存过程中不利于分散。锐钛矿二氧化钛是非常有效的稳定剂和抑制光氧化剂。而且，其球形结构和亲水性基团可以很好地与水结合或分散到水性乳液中。此外，一些球形纳米颗粒已经被广泛用于改善聚合物的性能。在工业涂料中加入纳米二氧化钛，可能形成具有优异的光屏蔽性能、阻燃性和热稳定性的新型涂料。

北京理工大学的Xuan Yin等人使用亲水性纳米TiO2和OP550（无卤聚磷酸盐）的原料，对水性羟基聚氨酯进行改性，合成了一系列绿色、功能性双组分水性聚氨酯阻燃涂料。研究了亲水性纳米TiO2对乳液和涂膜性能的影响，最终涂膜达到抗紫外线性、热稳定性和阻燃性等性能。其研究成果发表在《Progress in Organic Coatings》。

研究内容

1.双组份水性聚氨酯涂料的合成

在装有冷凝管的四口烧瓶中加入100.0 g PPG、27.0 g OP550（无卤聚磷酸盐）、41.8 g IPDI和纳米TiO2，在80℃下反应2-3h。然后加入9.9g DMPA和一定量丙酮，反应1-2h，随后将温度冷却至40℃。接下来在40℃下向四口烧瓶中加入9.9gTEA，反应30分钟。将聚氨酯预聚物在高速剪切搅拌下加入376.0g去离子水，乳化30分钟。最后聚氨酯多元醇分散体（TOPOD）在40℃下旋转蒸发2h去除丙酮。合成反应如方案1所示。制备出了6种不同的TOPOD样品，纳米TiO2含量分别为0（对照实验用）、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%和1.0%（质量分数）。这些样品命名为topud-x，其中“x”代表纳米TiO2含量。向乳化液中加入亲水性固化剂（—NCO与—OH的化学计量比为1.6）、0.3g消泡剂、0.45g润湿剂和0.75g流平剂。在超声波振动下反应30分钟。最终制得双组分水性聚氨酯（TOWPUD）。制备了6种不同的TOWPUD样品，TiO2含量分别为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%和1.0%。将TOWPUD放入聚四氟乙烯板中，在60℃下在真空干燥箱中放置48小时。固化过程如方案2所示。

结论：

TOWPU 展现出极好的稳定性。纳米TiO2可以有效地提高拉伸强度，抑制TOWPU的分解。亲水性纳米TiO2组分越多，则可以产生更大的未破裂碳屈服表面和更厚的碳层。此外，LOI和UL-94测试结果表明，所有的TOWPU涂层均达到29.4%，V-0级。在加入纳米TiO2后，TOWPU存在一个抗紫外现象，那就是可以延缓涂层的老化。通过添加纳米TiO2，吸水率从29.3%下降到16.3%。随着纳米TiO2的加入，TOWPU的耐溶剂性能变得异常优异。结合乳液性能、拉伸强度、阻燃性、热稳定性和光屏蔽性能，在TOWPU体系中TOWPU-0.5综合性能最佳。

参考资料:

Yin X, Dong C, Chai C, et al. Thermostability and flame retardance of green functional two-component waterborne polyurethane coatings with nanoparticles[J]. Progress in Organic Coatings, 2018,122:119-128.