聚氨酯阻燃泡沫材料中礦物阻燃劑的應用研究進展

王艷東，賀彩云，張佳琪

（1華北理工大學材料科學與工程學院 河北 唐山 063210）

（2華北理工大學管理學院 河北 唐山 063210）

（3華北理工大學電氣工程學院 河北 唐山 063210）

1 引言

全球生態(tài)環(huán)境日益惡化，二氧化碳排放居高不下，造成全球氣候變暖，自然災害頻發(fā)，建筑火災頻次呈指數增長，這些災害嚴重影響人民的生命財產安全，因此我國在建筑材料方面加大研究力度，目的是提升建筑材料的節(jié)能、環(huán)保效果，提升使用效率。建筑外墻保溫材料研究具有巨大發(fā)展前景，同時也是目前建筑材料節(jié)能環(huán)節(jié)最有效方法之一。當前，我國外墻保溫材料使用主要是聚苯乙烯，其保溫效果并不理想，外墻保溫材料需具備低導熱性、強粘接力、防水功能突出等特點，因此聚氨酯泡沫材料當屬首選[1]。目前在用的鹵系阻燃材料在環(huán)保方面受到各國詬病，所以，研制無鹵阻燃劑建筑材料是各國追求的熱點。為此本文主要圍繞阻燃劑在聚氨酯泡沫材料中的應用來研究。

2 礦物阻燃劑分類

按照國家礦物阻燃劑建筑材料使用標準，礦物阻燃添加劑可分為：普通礦物類型（包括氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽等），粘土礦物類和可膨脹石墨類[2]。

2.1 普通礦物阻燃劑類

據國家標準規(guī)定，普通礦物阻燃劑類材料主要有氫氧化物阻燃劑、碳酸鹽礦物阻燃劑和硫酸鹽礦物阻燃劑。這幾類礦物阻燃劑發(fā)揮功效需要滿足以下條件：若發(fā)生火災，溫度升到100至300℃后，此類材料熱分解成部分H2O和CO2，生成的H2O可滲透到建筑材料中，降低材料溫度。而CO2可在燃燒過程中阻止燃燒物大面積接觸空氣，對建筑材料起到阻燃的效果。同時分解還能產生金屬氧化物，這些產物可隔絕空氣阻斷火源。在技術條件和原料限制情況下，目前大規(guī)模使用的主要有氫氧化鋁阻燃劑和氫氧化鎂阻燃劑。

2.2 粘土礦物類阻燃劑

粘土礦物以納米形式分布在各種聚合物中，其納米形式片層在很多方向上對各種聚合物燃燒有很大影響，當聚合物燃燒時，納米片層會產生小分子，對燃燒產生的可燃蒸汽以及釋放出的熱量起到了很好的阻隔效果。粘土片層在多維度方向上也可阻止可燃物產生的熱量，使聚合物在阻燃性能上得到提升。與其他礦物阻燃材料相比，其具備使用量少，加工門檻低等特點，還可明顯改善復合材料力學結構性能，增加穩(wěn)定。

2.3 可膨脹石墨類

可膨脹石墨類是比較特殊的一類，條件較苛刻。主要由天然鱗片石墨經人工處理后形成特殊化合物。石墨呈現層狀結構，其中堿金屬和含氧酸等物質可嵌入層間形成層間化合物。經高溫處理后，通過間層化合物不斷分解膨脹，當溫度達到900度時石墨膨脹可達原來體積的280多倍。經膨脹后石墨結構發(fā)生變化，形成加強穩(wěn)定性低密度的蠕蟲形狀，并在表層形成絕熱和高密度隔氧層，從而起到防火阻燃作用。

3 礦物阻燃劑在聚氨酯泡沫材料中研究發(fā)展

3.1 普通礦物阻燃劑PUR泡沫材料

氫氧化鋁和氫氧化鎂阻燃劑是目前聚氨酯泡沫材料添加劑中使用最廣泛的一種，其自身密度較低，在表面阻燃劑不易形成。如果提高阻燃效果，就需增加阻燃劑量，但礦物質和高分子材料差別大，會影響泡沫材料的性能。為克服這個難題，各國在不斷研究新材料，其中王榮濤采用液相沉淀法，制造納米鋁鎂水滑石粉經硅烷偶聯劑改性后填充，采用原位聚合法，制出鋁鎂水滑石納米復合材料,其阻燃效果更優(yōu)越[3]。

3.2 粘土礦物阻燃劑PUR 泡沫材料

粘土礦物阻燃材料使用量少、成炭效果高等特點，對改善復合材料的助燃效率有幫助，其研究也在不斷跟完善。以李茄為代表的科研團隊制造蒙脫石阻燃硬質聚氨酯泡沫（RPUF）材料，熱釋放速度和質量損失率方面降低。以王亮為代表的科研團隊，用酸化和鈉化對阻燃材料進行結構補充吸收溫度提升[4]。以馮威為代表的科研團隊實驗發(fā)現蒙脫石在聚氨酯泡沫材料插層形態(tài)存在，在熱穩(wěn)定上得到提升[5]。

3.3 可膨脹石墨類聚氨酯泡沫材料

和其他普通阻燃劑類泡沫材料相比較，可膨脹石墨阻燃劑具備較高價值。許多科研團隊都在不斷開發(fā)研究此類材料。1978年，國外科學家首先申請了EG阻燃類泡沫材料的專利。從此這類材料在生活中廣泛運用。但受到顆粒度含量、材料密度等因素影響效果不佳。后來王磊等科學家實驗發(fā)現顆粒直徑大的阻燃效果好，直徑變小的材料阻燃性能降低。

4 結語

就目前市場使用來看，主要有氫氧化鎂和氫氧化鋁等兩類阻燃劑類的聚氨酯泡沫材料，由于阻燃效率低下等原因影響，在市場中或多或少被鉗制。前文中也提到礦物阻燃劑阻燃效果方面達不到最優(yōu)，就需添加更多的量，最終導致與聚氨酯泡沫材料不能最佳融合，影響泡沫材料性能。為達到高效阻燃效果，減少自身負面特點，礦物阻燃劑需要經過表面處理，與其他材料融合，向協調阻燃體系方面發(fā)展。