高效阻燃外保溫泡沫材料的制備及其性能研究

曹 蕾

(西青區(qū)消防救援支隊 天津300384)

近年來，廣大居民對于日常居住環(huán)境的要求逐漸提高。出于冬季嚴(yán)寒氣候日常保溫的實際需求，我國的建筑物，特別是多層建筑物、高層建筑物普遍應(yīng)用聚氨酯泡沫塑料作為建筑物外墻的保溫材料。由于聚氨酯泡沫塑料在實際使用中具有良好的節(jié)能保溫性能，并能在一定程度上有效降低噪聲干擾，且該種外保溫材料極易成型，施工較為便捷、造價低廉，使其逐漸受到建筑業(yè)的青睞。然而，近年來建筑物外墻保溫材料火災(zāi)事故層出不窮，使人們逐漸認(rèn)識到聚氨酯泡沫材料的防火性能無法滿足消防安全的要求，該材料一旦遇到高溫明火，短時間內(nèi)即可發(fā)生猛烈燃燒。由于聚氨酯泡沫材料中填充了大量可燃高聚物，在燃燒過程中極易釋放出一氧化碳、二氧化碳、氰化氫、甲醛等有毒氣體，導(dǎo)致起火建筑內(nèi)部被困人員短時間內(nèi)窒息死亡。在燃燒過程中，呈熔融狀態(tài)的聚氨酯泡沫會迅速從燃燒基體上滴落，往往導(dǎo)致起火建筑內(nèi)部的固定消防設(shè)施還未啟動便被燒毀。

1 阻燃機理

為了改善聚氨酯泡沫的阻燃性能，人們通常采用增加燃燒聚合物表面物質(zhì)損耗和熱耗的方式降低材料基體自身的溫度增長速度，或是通過添加能夠捕捉在火焰?zhèn)鞑嵫趸磻?yīng)中最活潑的游離基的抑制劑來控制材料基體表面的燃燒程度，使得材料基體表面的高聚合物在燃燒過程中產(chǎn)生絕熱的炭化層，使聚合物因熱分解而生成的可燃性氣體難于溢出，以此對材料起隔熱和隔絕空氣的作用，從而起到阻燃的效果，有效改善聚氨酯泡沫的阻燃性能[1]。

本文應(yīng)用無機阻燃劑聚磷酸銨、三聚氰胺、硼酸對聚氨酯泡沫進(jìn)行改性處理，通過以上不同組分的阻燃試劑形成有效的P-N 阻燃體系，應(yīng)用阻燃劑處理后的泡沫在遭受外部熱源高溫炙烤時，材料基體表面的阻燃體系能夠快速分解，與多羥基化合物形成具有阻燃作用的磷酸酯并釋放水蒸氣；在高溫下泡沫中的阻燃劑氣化產(chǎn)生不燃性氣體，使熔融的泡沫炭化形成疏松的多孔性阻燃層。在整個阻燃體系中，聚磷酸銨在材料基體遭受外部熱源時將快速抑制材料基體自身的熱分解，減少有毒氣體的釋放。同時，體系中的三聚氰胺能夠有效吸熱，在硼酸的催化作用下，共同構(gòu)成了阻燃層，保證了材料基體自身整體阻燃性能的有效提升[2]。

2 實驗部分

2.1 主要試劑和儀器

本實驗所應(yīng)用原材料及化學(xué)試劑包括：聚氨酯泡沫，工業(yè)級，由河北省天華有限公司提供；聚磷酸銨，由山東省淄博市海平精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)。其余化學(xué)試劑包括三聚氰胺、硼酸均為分析純級，由天津市柯樂美化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)，所有試劑均未進(jìn)行二次處理。

2.2 阻燃劑的配制

實驗用阻燃劑為聚磷酸銨、三聚氰胺和硼酸，以2∶2∶3、1∶1∶1 的比例分別配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、10%、5%的阻燃劑混合溶液(表1)。

表1 聚氨酯泡沫材料基體及阻燃劑規(guī)格Tab.1 Specifications of polyurethane foam substrate

1.3 新型聚氨酯阻燃泡沫材料的制備

將待助燃處理的聚氨酯泡沫樣品截取為120 mm×100 mm×40 mm 尺寸后，在水浴鍋中將其浸入不同組分的阻燃劑混合溶液中24 h，加熱溫度為80 ℃，隨后干燥6 h，然后關(guān)閉干燥箱電源并將樣品保留在干燥箱內(nèi)保持干燥待實驗時取用。

3 結(jié)果與討論

3.1 新型阻燃聚氨酯泡沫材料的熱解失重特征

圖1 為經(jīng)過阻燃處理的聚氨酯泡沫塑料在氮氣氛保護(hù)下的熱重分解曲線。在聚氨酯泡沫塑料的燃燒中，其熱分解過程中材料基體表面的分子斷裂為異氰酸酯和醇，稍高溫度下就有異氰酸酯、多元醇、氨和氧化碳?xì)怏w等分解出來，這些分解產(chǎn)物與足夠量的氧氣混合就可能發(fā)生燃燒或進(jìn)一步分解。經(jīng)過阻燃處理后，泡沫基體的熱分解溫度區(qū)間為 338.7～432 ℃。熱分解溫度的提高證明材料基體表面的阻燃性能得到了有效提高，在材料基體接觸到外部熱源的過程中，在更高的溫度下才開始熱分解。這就決定了泡沫材料基體要在更高的溫度才能夠發(fā)生分解燃燒，被點燃的溫度要求也相應(yīng)的提高了，使得泡沫塑料的火災(zāi)危險性大為降低，不會輕易發(fā)生燃燒或分解，能夠有效防止火災(zāi)事故的發(fā)生[3]。

圖1 新型阻燃聚氨酯泡沫塑料熱重分解曲線Fig.1 Thermogravimetric decomposition curve of novel flame retardant polyurethane foam

3.2 新型阻燃聚氨酯泡沫材料的平均熱釋放速率

通常情況下，材料的熱釋放速率是體現(xiàn)該種材料阻燃性能的重要參數(shù)，該參數(shù)直接反映材料自身的耐火性能。一般情況下，材料的熱釋放速率越大，單位時間內(nèi)通過外部熱焰所引發(fā)的燃燒導(dǎo)致的材料單位表面積產(chǎn)生的熱量就越多，材料基體本身熱分解速率不斷增加且揮發(fā)性氣態(tài)可燃物生成量顯著增多，從而加速了高溫火焰在該種材料基體表面的傳播速度。在燃燒環(huán)境中輻射能量相差無幾的前提條件下，材料基體在燃燒過程中平均熱釋放速率越大，該材料的實際阻燃效果就越差，其實際燃燒的速度就越快，火災(zāi)蔓延的速度也會更快。如果材料基體在燃燒過程中平均熱釋放速率越小，該材料的實際阻燃效果就越好，該種材料實際燃燒的速度就越慢，火災(zāi)在短時間內(nèi)將無法快速蔓延。阻燃改性聚氨酯泡沫材料基體的平均熱釋放速率如表2 所示，當(dāng)反應(yīng)體系中聚磷酸銨、三聚氰胺、硼酸按1∶1∶1 比例配制15% 濃度的阻燃劑溶劑，制備成新型外保溫阻燃材料，其最大熱釋放速率最低，材料基體的阻燃性能最好。

表2 阻燃改性聚氨酯泡沫材料基體的平均熱釋放速率Tab.2 Average heat release rate of flame retardant modified polyurethane foam substrate

3.3 新型阻燃聚氨酯泡沫材料的燃燒性能

阻燃改性聚氨酯泡沫材料基體的燃燒性能如表3 所示，當(dāng)反應(yīng)體系中聚磷酸銨、三聚氰胺、硼酸按1∶1∶1 比例配制15% 濃度的阻燃劑溶劑，制成的新型外保溫阻燃材料在實際燃燒過程中，所釋放出的有毒氣體以及總煙釋放量都要遠(yuǎn)低于其他組分，證明應(yīng)用該體系制備而成的阻燃材料在燃燒過程中能夠有效抑制有毒氣體的生成。此外，該組分樣本在燃燒后測試的質(zhì)量損失速率也相對最低，證明發(fā)生火災(zāi)后該材料基體在相同的輻射熱條件下燃燒現(xiàn)象最為穩(wěn)定平緩，結(jié)合表2 的數(shù)據(jù)能夠有效證明該組分阻燃劑溶劑制備而成的新型外保溫阻燃材料具有最為良好的阻燃性能。

表3 阻燃改性聚氨酯泡沫材料基體的燃燒性能Tab.3 Combustion performance of flame retardant modified polyurethane foam substrate

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用無機阻燃劑聚磷酸銨、三聚氰胺、硼酸對聚氨酯泡沫進(jìn)行改性處理，以不同組分的阻燃試劑形成P-N 阻燃體系，泡沫試件在遭受外部熱源高溫炙烤過程中，材料基體表面的阻燃體系能夠快速分解，與多羥基化合物形成具有阻燃作用的磷酸酯并釋放水蒸氣；在高溫下泡沫中的阻燃劑氣化產(chǎn)生不燃性氣體，使熔融的泡沫炭化形成疏松的多孔性阻燃層。

結(jié)論：采用聚磷酸銨、三聚氰胺、硼酸按1∶1∶1比例配制15% 濃度的阻燃劑混合液制備而成的新型外保溫阻燃材料具有良好的阻燃性能。■