堿式硼酸鎂改性聚氨酯泡沫阻燃特性研究

李明罡

（遼寧省消防救援總隊防火監(jiān)督處，遼寧 沈陽 110031）

聚氨酯泡沫（PUF）是以聚酯多元醇與異氰酸酯為主要原料來配備其他輔助原料反應(yīng)制得的一種以氨基甲酸酯鏈段結(jié)構(gòu)單元為主的有機高分子聚合物。由于制備工藝和羥基值、多元醇類別等不同，因此可制備硬質(zhì)、軟質(zhì)以及半硬質(zhì)等不同類別的PUF。PUF憑借其很多的優(yōu)異性能，已在家具材料、運輸?shù)缆?、冷藏保溫、建筑基材以及航空制造等行業(yè)中廣泛使用。但是由于PUF極易燃燒，易導(dǎo)致建筑發(fā)生火災(zāi)，從而造成群死、群傷事件，限制了PUF的應(yīng)用范圍，因此，提高其阻燃性能就顯得十分必要。Zhang Xu等人選擇水滑石類化合物作為阻燃劑，采用離子交換法將磷酸二氫根插入碳酸根型的鎂鋁水滑石層中，并探究改性后的水滑石對軟質(zhì)聚氨酯泡沫（FPUF）熱穩(wěn)定性、阻燃性和抑煙性的影響。此外，根據(jù)可持續(xù)發(fā)展的觀點，利用生物基材等再生資源研究制備PUF的方法，例如BHOYATE S等人利用大豆、橘皮等可再生資源和一種新型磷基多元醇獲得了柔性阻燃聚氨酯泡沫。目前的研究工作主要集中在采用添加堿式硼酸鎂的方法制備改性PUF，從而對其阻燃特性進行分析，期望目前的研究結(jié)果能為將來 PUF 工業(yè)的環(huán)保、阻燃技術(shù)提供指導(dǎo)。

1 試驗

1.1 試驗材料

該試驗使用的材料如下：聚醚多元醇3630、辛酸亞錫T9、硅油L-580以及三乙醇胺（工業(yè)級，上述4種藥品來自常州卓聯(lián)志創(chuàng)高分子材料有限公司），大豆多元醇（工業(yè)級，廣州市海珥瑪植物油脂有限公司），多亞甲基異氰酸酯PM200（工業(yè)級，煙臺萬華聚氨酯有限公司），堿式硼酸鎂（分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司）。

1.2 樣品制備

稱取適量多元醇、辛酸亞錫、三乙醇胺、硅油、去離子水和堿式硼酸鎂作為A組配料，適量異氰酸酯作為B組配料；通過高速攪拌機攪拌A組分30 s后將B組分加入A組分中繼續(xù)攪拌30 s，再倒入模具中等待發(fā)泡。其中，PUF為大豆多元醇占白料100%。PUF1%為大豆多元醇白料占比100%、添加占總體質(zhì)量1%的堿式硼酸鎂，PUF10%為大豆多元醇白料占比100%、添加占總體質(zhì)量10%的堿式硼酸鎂。

1.3 樣品表征

使用FTT錐形量熱儀在3個熱輻射通量（25 kW/m、35 kW/m和50 kW/m）下，對添加不同劑量堿式硼酸鎂的聚氨酯泡沫進行阻燃特性試驗；使用FTT氧指數(shù)測定儀對試驗材料的燃燒特性進行表征?；谠囼灁?shù)據(jù)分析堿式硼酸鎂對聚氨酯泡沫阻燃特性的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 錐形量熱分析

當熱輻射通量為25 kW/m時，不同聚氨酯泡沫的熱釋放速率和總熱釋放量如圖1所示。由圖1可知，PUF熱釋放速率峰值為745.88 kW/m，達到峰值的時間為35 s，總熱釋放量為30.72 MJ/m。PUF1%熱釋放速率峰值為673.89 kW/m，達到峰值的時間為37 s，總熱釋放量為28.68 MJ/m。PUF10%熱釋放速率峰值為601.64 kW/m，達到峰值的時間為45 s，總熱釋放量為23.98 MJ/m。當熱輻射通量為35 kW/m時，不同聚氨酯泡沫的熱釋放速率和總熱釋放量如圖2所示。由圖2可知，PUF熱釋放速率峰值為924.22 kW/m，達到峰值的時間為28 s，總熱釋放量為35.71 MJ/m。PUF1%熱釋放速率峰值為789.16 kW/m，達到峰值的時間為30 s，總熱釋放量為33.45 MJ/m。PUF10%熱釋放速率峰值為787.22 kW/m，達到峰值的時間為34 s，總熱釋放量為28.96 MJ/m。當熱輻射通量為50 kW/m時，不同聚氨酯泡沫的熱釋放速率和總熱釋放量如圖3所示。由圖3可知，PUF熱釋放速率峰值為1 174.96 kW/m，達到峰值的時間為27 s，總熱釋放量為42.13 MJ/m。PUF1%熱釋放速率峰值為1 119.64 kW/m，達到峰值的時間為29 s，總熱釋放量為34.03 MJ/m。PUF10%熱釋放速率峰值為939.57 kW/m，達到峰值的時間為32 s，總熱釋放量為31.99 MJ/m。基于上述試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在不同熱輻射通量下，隨著堿式硼酸鎂質(zhì)量占比的增加，PUF泡沫的熱釋放速率峰值變小，達到熱釋放速率峰值的時間也隨之延長，這說明在不同熱輻射通量下添加堿式硼酸鎂可以有效地降低PUF的熱釋放速率，減少總熱釋放量。

圖1 當熱輻射通量為25 kW/m2熱輻射通量時，不同聚氨酯泡沫的熱釋放速率和總熱釋放量

圖2 當熱輻射通量為35 kW/m2時，不同聚氨酯泡沫的熱釋放速率和總熱釋放量

圖3 當熱輻射通量為50 kW/m2時，不同聚氨酯泡沫的熱釋放速率和總熱釋放量

2.2 火災(zāi)蔓延指數(shù)（FGI）

為熱釋放速率峰值（）與達到峰值時間的比值，可以用于評價火災(zāi)的危險性。越大，表明達到一個較高熱釋放速率峰值所用時間越短，則火災(zāi)的危險性越大。越小，表明材料危險性越小。當熱輻射通量為25 kW/m時，PUF的火災(zāi)蔓延指數(shù)最高（21.31 kW/m·s），PUF1%的火災(zāi)蔓延指數(shù)為18.21 kW/m·s，PUF10%的火災(zāi)蔓延指數(shù)為13.37 kW/m·s。當熱輻射通量為35 kW/m時，PUF的火災(zāi)蔓延指數(shù)最高（33.00 kW/m·s），PUF1%的火災(zāi)蔓延指數(shù)為26.30 kW/m·s，PUF10%的火災(zāi)蔓延指數(shù)為23.15 kW/m·s。當熱輻射通量為50 kW/m時，PUF的火災(zāi)蔓延指數(shù)最高（43.52 kW/m·s），PUF1%的火災(zāi)蔓延指數(shù)為38.61 kW/m·s，PUF10%的火災(zāi)蔓延指數(shù)為29.36 kW/m·s?；谏鲜鲈囼灲Y(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在熱輻射通量相同的情況下，隨著堿式硼酸鎂質(zhì)量的增加，樣品火災(zāi)蔓延指數(shù)減小，樣品火災(zāi)危險性也降低。在熱輻射通量不同的情況下，熱輻射通量越高，樣品火災(zāi)蔓延指數(shù)越大，樣品的火災(zāi)危險性也越高。綜上所述，PUF10%的火災(zāi)危險性最低，PUF的火災(zāi)危險性最大，火災(zāi)蔓延指數(shù)的結(jié)果也與錐形量熱的結(jié)果相符。

2.3 火災(zāi)性能指數(shù)（FPI）

火災(zāi)性能指數(shù)（）是錐形量熱計測試參數(shù)發(fā)展的一個綜合指標，它是點燃時間（）與熱釋放速率峰值（）的比值，是評價火災(zāi)總體危險性的一個最佳參數(shù)。數(shù)值越高，表示火災(zāi)危險性越小；數(shù)值越低，表示火災(zāi)危險越大。當熱輻射通量為25 kW/m時，PUF的火災(zāi)蔓延指數(shù)最低（0.04 m·s/kW），PUF1%的火災(zāi)蔓延指數(shù)為0.09 m·s/kW，PUF10%的火災(zāi)蔓延指數(shù)為0.15 m·s/kW。當熱輻射通量為35 kW/m時，PUF的火災(zāi)蔓延指數(shù)最低（0.03 m·s/kW），PUF1%的火災(zāi)蔓延指數(shù)為0.06 m·s/kW，PUF10%的火災(zāi)蔓延指數(shù)為0.11 m·s/kW。當熱輻射通量為50 kW/m時，PUF的火災(zāi)蔓延指數(shù)最低（0.02 m·s/kW），PUF1%的火災(zāi)蔓延指數(shù)為0.04 m·s/kW，PUF10%的火災(zāi)蔓延指數(shù)為0.08 m·s/kW?；谏鲜龌馂?zāi)蔓延指數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著堿式硼酸鎂質(zhì)量的增加，其火災(zāi)性能指數(shù)增加，火災(zāi)危險性降低。同樣的，相同樣品在熱輻射通量不相同的情況下，熱輻射通量越高，樣品火災(zāi)性能指數(shù)越小，樣品火災(zāi)危險性越大。綜上所述，PUF10%的火災(zāi)危險性最小，PUF火災(zāi)危險性最大，火災(zāi)性能指數(shù)的結(jié)果與火災(zāi)蔓延指數(shù)和錐形量熱的結(jié)果相符。

2.4 極限氧指數(shù)測試（LOI）

極限氧指數(shù)是指在某些特定條件下，在氧氣和氮氣混合物中點燃樣品材料所需的最小氧氣體積分數(shù)。極限氧指數(shù)高表示材料不易燃燒，極限氧指數(shù)低表示材料容易燃燒，一般認為極限氧指數(shù)小于22%屬于易燃材料，極限氧指數(shù)為22%～27%屬于可燃材料，極限氧指數(shù)大于27%屬于難燃材料。目前工作中LOI測試結(jié)果顯示，未加入阻燃劑的PUF的極限氧指數(shù)為17.2，PUF1%的極限氧指數(shù)為17.8，PUF10%的極限氧指數(shù)為24.1，說明堿式硼酸鎂的添加明顯提高了PUF的阻燃性能。當添加量達到10%時，使其從易燃材料轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇疾牧稀?/p>

3 結(jié)語

該文采用水發(fā)泡“一步法”制備堿式硼酸鎂阻燃改性聚氨酯泡沫，并對改性前后聚氨酯泡沫材料的燃燒性能進行表征分析。具體試驗結(jié)果如下：1） 當熱輻射通量為25 kW/m時，PUF的熱釋放速率峰值為745.88 kW/m，總熱釋放量為30.72 MJ/m。當添加1%堿式硼酸鎂時，PUF1%的熱釋放速率峰值降至673.89 kW/m，總熱釋放量降至28.68 MJ/m，熱釋放速率峰值和總熱釋放量分別降低了9.65%和6.64%。當添加10%堿式硼酸鎂時，PUF10%的熱釋放速率峰值降至601.64 kW/m，總熱釋放量降至23.98 MJ/m。此外，當熱輻射通量為35 kW/m和50 kW/m時，隨著堿式硼酸鎂的增加，PUF的熱釋放速率峰值和總熱釋放量也明顯降低。因此，PUF10%具有最低的熱釋放速率峰值和總熱釋放量。2） 基于火災(zāi)蔓延指數(shù)和火災(zāi)性能指數(shù)分析可以發(fā)現(xiàn)，當熱輻射通量為25 kW/m、35 kW/m和50 kW/m時，隨著堿式硼酸鎂質(zhì)量的增加，樣品火災(zāi)蔓延指數(shù)降低、火災(zāi)性能指數(shù)增加，樣品火災(zāi)危險性降低。同時，熱輻射通量越高，樣品火災(zāi)蔓延指數(shù)越大、火災(zāi)性能指數(shù)越小，樣品火災(zāi)危險性越高。綜上所述，PUF10%的火災(zāi)危險性最低，PUF的火災(zāi)危險性最高。3）通過極限氧指數(shù)試驗發(fā)現(xiàn)，添加1%堿式硼酸鎂PUF1%的極限氧指數(shù)為17.8，且隨著堿式硼酸鎂添量的增加，極限氧指數(shù)指數(shù)逐漸上升，添加10%堿式硼酸鎂的極限氧指數(shù)上升至24.1。

綜上所述，PUF10%的阻燃性能最好，堿式硼酸鎂的添加明顯提高了聚氨酯泡沫的阻燃效果。目前的研究結(jié)果可為后續(xù)綠色環(huán)保阻燃改性聚氨酯泡沫的研究提供參考。