增韌改性酚醛泡沫的煙密度和宏觀燃燒行為探究

李蔚

（包頭市消防救援支隊，內蒙古 包頭 014030）

0 引言

選取制備的聚乙二醇和聚氨酯體系改性酚醛泡沫為研究對象，通過煙密度測試對其煙密度進行評估。利用錐形量熱儀（Cone）在高輻射能量1000℃下對增韌改性泡沫進行宏觀燃燒行為觀察和分析，補充其耐火性能變化的研究，以期所制的改性泡沫保溫材料在韌性和不粉化性提高的同時兼有優異的耐火性能[1-6]。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

選用制備出的幾種改性較好的泡沫：純酚醛泡沫（PF）、8份聚乙二醇1000改性酚醛泡沫（PPEG2）、聚乙二醇-1份玻璃纖維混合改性酚醛泡沫（PPEGGF2）、聚乙二醇-玻璃纖維-0.5份有機蒙脫土混合改性酚醛泡沫（PPEGGFOMT2）、8份聚氨酯改性酚醛泡沫（PPU2）、聚氨酯-1份玻璃纖維混合改性酚醛泡沫（PPUGF2）、聚氨酯-玻璃纖維-0.5份有機蒙脫土混合改性酚醛泡沫（PPUGFOMT2）。

1.2 實驗設備與性能測試

1.2.1 煙密度測試

按照相關標準使用建材煙密度箱進行測試，測試樣品制成25mm3×25mm3×6mm3尺寸規格，其原理是通過測量平行光束穿過試樣燃燒產生煙霧的透過率的變化，從而計算出煙密度的大小，評估其煙密度等級。

1.2.2 錐形量熱儀（Cone）測試

按照IS05660標準試驗方法，在錐形量熱儀（英國FTT公司生產）上測試，試樣制成100mm3×100mm3×30mm3尺寸規格，試驗時所用的輻射源溫度為900℃。錐形量熱儀以氧消耗原理，可測量材料在暴露在給定熱輻射條件下的各種參數，包括著火時間（TTi）、熱釋放速率（HRR）、總釋放熱量（THR），質量損失速率（MLR）、比消光面積（SEA）、 煙生成速率（SPR）等。Cone得到的有些結果與大型火災實驗的結果有一定的相關性，被公認為能有效測試材料在模擬火災燃燒條件下的燃燒性能，可以充分評價材料的火災風險性[3-7]。

1.2.3 燃燒測試

本次改性酚醛泡沫保溫材料的燃燒行為是在Cone中進行的，實驗時將100mm3×100mm3×30mm3的改性酚醛泡沫水平放置于Cone的載物臺上，在1000℃的輻射源作用下對其點火引燃，用攝像機實時記錄改性酚醛泡沫的宏觀燃燒過程，以此也可以大致衡量其耐火焰穿透性。

2 結果與討論

2.1 增韌改性酚醛泡沫保溫材料的煙密度

火災中煙氣是威脅人員生命安全的最主要因素，案例統計表明，因火災所造成的人員傷亡中，80%以上是由于吸入有毒煙氣引起窒息而死亡。建材煙密度箱是用來測量材料在熱解或燃燒條件下煙釋放程度的，其結果可以用來評估火災危險性。煙密度箱主要由樣品架、箱體、點火器、計時器和光電系統等部分組成。實驗樣品的尺寸為25.4mm3×25.4mm3×6.2mm3，樣品表面要求平整且無毛刺，每組實驗至少進行4次，結果取平均值。

從表1得知，酚醛泡沫發煙量非常小，最大煙密度只有6.31%，煙密度等級為0.89%，因為其苯酚結構是優異的自由基捕捉劑，可以捕捉材料高溫分解時產生的自由基，中斷鏈式熱解反應，從而使得泡沫極難燃燒，所以其發煙量很小。聚乙二醇改性酚醛泡沫的煙密度有所提高，玻璃纖維和有機蒙脫土的添加，使得聚乙二醇混合體系改性泡沫燃燒時的煙密度有所降低，但比純泡沫的要高。聚氨酯體系改性泡沫煙密度要稍微低于聚乙二醇體系改性的酚醛泡沫，但還是要略高于純樣。但改性的酚醛泡沫的煙密度值還是比較低，在火災發生時，其釋放的煙密度不足以對人生命財產構成危險，因此都在合理的范圍內。

2.2 增韌改性酚醛泡沫保溫材料的宏觀燃燒行為

圖1顯示了聚乙二醇體系改性酚醛泡沫在1000℃下的宏觀燃燒行為。純酚醛泡沫在1000℃下放置，未開防火罩前已有一些煙氣產生，表面迅速炭化變黑，點火1s后立即引燃，較為劇烈的燃燒并伴有較多煙氣釋放，燃燒只持續幾秒鐘的時間，大部分時間均處于小火的余燃狀態，一直持續至180s完全熄滅，此后表面仍有煙氣產生，350s時泡沫燃燒完全。聚乙二醇改性泡沫在點火1s后也迅速燃燒，火焰燃燒的比純酚醛泡沫要劇烈，幾秒后明火消失轉至余燃，一直到160s完全消失，此后煙氣不斷揮發。加入玻璃纖維后，對于阻隔火焰發展和強度沒有作用，但直到165s余燃才完全結束。有機蒙脫土的添加后，聚乙二醇混合體系改性泡沫的火焰強度有所減緩，但起始點燃時間和明火消失時間沒有變化，直至169s余燃才結束，總燃燒時間延長了。

表1 增韌改性酚醛泡沫的煙密度數據

圖1 純酚醛泡沫（左上），8份聚乙二醇改性酚醛泡沫（右上），聚乙二醇-玻璃纖維混合改性酚醛泡沫（左下），聚乙二醇-玻璃纖維-有機蒙脫土混合改性酚醛泡沫PF（右下）在1000℃下的燃燒行為

通過比較材料燃燒后的碳渣，可以推測材料在燃燒時的火蔓延以及火焰強度的情況，有助于研究添加劑對火焰阻隔作用的機制。對比圖 2得出，酚醛泡沫雖然耐火性很好，但在1000℃的高溫下也較快燃燒完畢，最后只極少量殘渣剩余（4.3%），說明其耐火穿透性并不好。聚乙二醇改性泡沫剩余的殘渣更少（3.3%），這是因為聚乙二醇本身成碳性很差。玻璃纖維雖然對阻止火焰發展、強度沒有明顯作用，但最終殘重卻有所提高（7.2%），但碳渣要比純的要黑，說明其在燃燒時炭化程度更好。至于聚乙二醇混合體系改性泡沫，有機蒙脫土的加入不僅對減緩火災發展有所幫助，最終的殘重也提高到11.5%，其基本形狀保持完好，但表面有較大的裂痕。有機蒙脫土的片層阻隔作用在燃燒時促進泡沫成炭，但不夠致密，因此對火焰的阻隔程度不大。

圖2 純酚醛泡沫（左上），8份聚乙二醇改性酚醛泡沫（右上），聚乙二醇-玻璃纖維混合改性酚醛泡沫（左下），聚乙二醇-玻璃纖維-有機蒙脫土混合改性酚醛泡沫PF（右下）在900℃下燃燒后所剩碳渣的照片

圖3記錄了聚氨酯體系改性酚醛泡沫在1000℃下的燃燒行為。跟純酚醛泡沫相比，聚氨酯改性酚醛泡沫在開罩點火2s后被引燃，泡沫較為劇烈的燃燒并放出較多的煙氣，幾秒鐘后即轉為小火余燃，一直持續至172s才完全熄滅，而后表面仍有煙氣產生，到350s時泡沫燃燒完全沒有煙氣生成。玻璃纖維的添加對于減緩火焰發展和強度沒有明顯作用。至于聚氨酯混合體系改性泡沫，有機蒙脫土的加入使泡沫的引燃時間延長至3s，并且減緩了泡沫燃燒時的火焰強度，直至176s余燃才結束，到350s時燃燒完全結束。

圖3 純酚醛泡沫（左上），8份聚氨酯改性酚醛泡沫（右上），聚氨酯-玻璃纖維混合改性酚醛泡沫（左下），聚氨酯-玻璃纖維-有機蒙脫土混合改性酚醛泡沫PF（右下）在1000℃下燃燒行為

通過對比圖4看出，柔性聚氨酯雖然耐火性較差，對阻隔泡沫火災蔓延的作用不大，最終的殘炭量也不高（3.9%），但相比聚乙二醇而言，碳化程度要稍高些。添加玻璃纖維使得泡沫最終殘重提高到8.4%。有機蒙脫土的添加使得最終的殘重也大大提高到了13.5%，和聚乙二醇體系的相比，其表面更為致密，這說明有機蒙脫土在燃燒時對聚氨酯改性的泡沫成炭性較好。因此聚氨酯混合體系改性對泡沫燃燒時火焰的阻隔程度較好。

圖4 純酚醛泡沫（左上），8份聚氨酯改性酚醛泡沫（右上），聚氨酯-玻璃纖維混合改性酚醛泡沫（左下），聚氨酯-玻璃纖維-有機蒙脫土混合改性酚醛泡沫PF（右下）在1000℃下燃燒后所剩碳渣的照片

3 結論

（1）從煙密度測試可知，聚乙二醇和聚氨酯混合體系改性酚醛泡沫的煙密度等級都比純的要高，分別為2.03%和1.05%。

（2）改性酚醛泡沫的煙密度值還是比較低，都在合理的范圍內。

（3）酚醛泡沫雖然耐火性很好，但在900℃的高溫下也較快燃燒完畢，最后只極少量殘渣剩余（4.3%）。聚乙二醇混合體系對阻止火焰發展、強度沒有明顯作用，但最終殘重卻有所提高（12.5%），碳渣表面有較大的裂痕。

（4）聚氨酯混合體系改性泡沫直至3s才被引燃，火焰強度有所降低，最終的殘重也大大提高到13.5%，碳渣表面更為致密。