石墨烯改性聚氨酯軟泡復合材料的制備及其抑煙性能研究

賈 洪

(哈爾濱合力特科技有限公司，哈爾濱 150001)

1 石墨烯改性聚氨酯軟泡復合材料的制備實驗

1.1 實驗的主要原料及設備

原料：石墨烯納米片；聚醚多元醇，分子量3 000；甲苯二異氰酸酯；硅油；三乙烯二胺；辛酸亞錫。實驗設備：氧指數測定儀；煙密度測試儀；煙氣成分分析儀；熱重分析儀。

1.2 實驗所需樣品的加工

該實驗主要是以石墨烯作為添加劑，運用一步法進行樣品的加工和制備，為石墨烯改性聚氨酯軟泡的復合材料制作提供基礎。

實驗操作的主要步驟是：第一，取適量的石墨烯納米片放入盛有聚醚多元醇的燒杯中進行混合并不斷攪拌，再將少量的水、三乙烯二胺、辛酸亞錫和硅油一同放入杯中，充分進行攪拌，得到的混合液是A組分。第二，另取一燒杯，加入適量的甲苯二異氰酸酯，令其為B組分。這時將B組分迅速倒入A組分溶液中，充分進行攪拌，待混合完成后，倒入準備好的模具中，完成反應后進行發泡，將其放置1 d，這樣就能得到石墨烯改性聚氨酯軟泡材料的模型樣品。按照要求能夠合成此樣品，具體的樣品數量可根據表1所示，加工出不同的石墨烯改性聚氨酯軟泡復合材料。

表1 聚氨酯軟泡樣品組成Tab.1 Sample composition of polyurethane soft foam

2 開展實驗的科學理論分析

2.1 氧指數研究

復合材料的氧指數能夠反映材料的可燃程度，也是衡量燃燒情況的指標。根據氧指數的分數高低，將材料分為易燃材料、可燃材料、難燃材料和不燃材料四個等級。圖1是根據石墨烯的含量添加繪制的聚氨酯軟泡的氧指數示意圖。由圖1可看出，不含石墨烯的軟泡材料的氧指數是易燃材料，當石墨烯的含量不斷增加時，聚氨酯軟泡的復合材料氧含量逐漸增加，石墨烯添加量在10%時達到峰值。石墨烯的加入對聚氨酯軟泡的氧指數沒有太大影響，分析石墨烯可能具有阻燃因素。

2.2 煙密度分析

將合成材料進行燃燒實驗分析，能夠看出，在燃燒過程中會產生有毒氣體，這些氣體會對光線產生吸收作用，使空氣中的能見度嚴重降低，制約人員的疏通，容易產生安全事故。運用煙氣的光強度衰減量可估算煙密度。由圖2可觀察聚氨酯軟泡煙密度與時間的變化，能夠看出聚氨酯軟泡燃燒過程中產生的煙氣，會隨著時間的增加逐漸減小，這時逐漸加入石墨烯，聚氨酯軟泡的煙含量會持續降低，特別是當石墨烯添加量為10%時，會出現最大煙密度的降低，說明抑煙狀況比較理想。加入石墨烯時，聚氨酯軟泡的煙密度呈明顯的下降趨勢，這能為火災留有一定的救援時間，最大限度挽回損失。

圖1 聚氨酯軟泡的氧指數與石墨烯添加量的關系Fig.1 The relationship between the oxygen index of polyurethane soft foam and the amount of graphene added

圖2 聚氨酯軟泡的煙密度與燃燒時間的關系Fig.2 Relationship between smoke density and combustion time of polyurethane soft foam

2.3 煙氣成分分析

聚氨酯軟泡在空氣中能夠燃燒，且會放出大量有害氣體，特別是釋放一氧化碳氣體，會對人體造成嚴重損傷。發生火災時，一氧化碳會被人體吸收，造成身體機能障礙，甚至會威脅生命。由圖3(a)能夠看出，燃燒過程中有毒氣體的生成率與燃燒時間相關。聚氨酯軟泡在燃燒時會產生有毒氣體一氧化碳，而石墨烯具有抑制聚氨酯軟泡燃燒產生氣體的效果。從圖3(b)能夠看出，石墨烯的加入會使二氧化碳的數量先增加后逐步減少，這也說明加入石墨烯對燃燒生成二氧化碳沒有過大影響。

圖3 CO及CO2生成率與燃燒時間的關系Fig.3 Relationship between CO and CO2 production rate and combustion time

3 石墨烯改性材料抑煙分析

聚氨酯軟泡材料燃燒過程主要為：A.加熱。由于聚氨酯軟泡材料自身具有易燃特點，達到燃點時會迅速升溫燃燒。B.改性材料在燃燒過程中，隨著溫度的升高，材料會分解生成可燃氣體，在空氣中進行反應，生成有害的一氧化碳氣體。C.燃燒形成的火焰會進行熱傳遞，將燃燒產生的熱量傳給易燃材料，通過熱分解效應形成可燃氣體，導致聚氨酯軟泡在燃燒時會產生多種可燃氣體，最終形成對人體有害的煙氣。

新型石墨烯材料是一種二維片狀結構，具有極強的表面積，能夠最大限度消除碳氫化合物和芳香族化合物，以減少煙霧的形成，降低煙氣的傷害。石墨烯片還具有較強的穩定性，最大限度抑煙，減少有害氣體生成。

4 結語

石墨烯具有較強的聚氨酯軟泡燃燒抑制功能，具有明顯的熱穩定性。聚氨酯軟泡燃燒后，添加一定量的石墨烯，會出現殘炭率最大值，說明石墨烯形成的炭層具有隔絕氧氣功能，能夠提高產品的阻燃效果。石墨烯具有的二維片狀結構能夠吸收碳氫化合物，最大程度抑制煙霧的生成。石墨烯片還具有隔絕作用，能夠防止氣體擴散，有效降低有毒有害氣體的生成量。