高效阻燃外保温泡沫材料的制备及其性能研究

曹 蕾

(西青区消防救援支队 天津300384)

近年来，广大居民对于日常居住环境的要求逐渐提高。出于冬季严寒气候日常保温的实际需求，我国的建筑物，特别是多层建筑物、高层建筑物普遍应用聚氨酯泡沫塑料作为建筑物外墙的保温材料。由于聚氨酯泡沫塑料在实际使用中具有良好的节能保温性能，并能在一定程度上有效降低噪声干扰，且该种外保温材料极易成型，施工较为便捷、造价低廉，使其逐渐受到建筑业的青睐。然而，近年来建筑物外墙保温材料火灾事故层出不穷，使人们逐渐认识到聚氨酯泡沫材料的防火性能无法满足消防安全的要求，该材料一旦遇到高温明火，短时间内即可发生猛烈燃烧。由于聚氨酯泡沫材料中填充了大量可燃高聚物，在燃烧过程中极易释放出一氧化碳、二氧化碳、氰化氢、甲醛等有毒气体，导致起火建筑内部被困人员短时间内窒息死亡。在燃烧过程中，呈熔融状态的聚氨酯泡沫会迅速从燃烧基体上滴落，往往导致起火建筑内部的固定消防设施还未启动便被烧毁。

1 阻燃机理

为了改善聚氨酯泡沫的阻燃性能，人们通常采用增加燃烧聚合物表面物质损耗和热耗的方式降低材料基体自身的温度增长速度，或是通过添加能够捕捉在火焰传播热氧化反应中最活泼的游离基的抑制剂来控制材料基体表面的燃烧程度，使得材料基体表面的高聚合物在燃烧过程中产生绝热的炭化层，使聚合物因热分解而生成的可燃性气体难于溢出，以此对材料起隔热和隔绝空气的作用，从而起到阻燃的效果，有效改善聚氨酯泡沫的阻燃性能[1]。

本文应用无机阻燃剂聚磷酸铵、三聚氰胺、硼酸对聚氨酯泡沫进行改性处理，通过以上不同组分的阻燃试剂形成有效的P-N 阻燃体系，应用阻燃剂处理后的泡沫在遭受外部热源高温炙烤时，材料基体表面的阻燃体系能够快速分解，与多羟基化合物形成具有阻燃作用的磷酸酯并释放水蒸气；在高温下泡沫中的阻燃剂气化产生不燃性气体，使熔融的泡沫炭化形成疏松的多孔性阻燃层。在整个阻燃体系中，聚磷酸铵在材料基体遭受外部热源时将快速抑制材料基体自身的热分解，减少有毒气体的释放。同时，体系中的三聚氰胺能够有效吸热，在硼酸的催化作用下，共同构成了阻燃层，保证了材料基体自身整体阻燃性能的有效提升[2]。

2 实验部分

2.1 主要试剂和仪器

本实验所应用原材料及化学试剂包括：聚氨酯泡沫，工业级，由河北省天华有限公司提供；聚磷酸铵，由山东省淄博市海平精细化工有限公司生产。其余化学试剂包括三聚氰胺、硼酸均为分析纯级，由天津市柯乐美化学试剂有限公司生产，所有试剂均未进行二次处理。

2.2 阻燃剂的配制

实验用阻燃剂为聚磷酸铵、三聚氰胺和硼酸，以2∶2∶3、1∶1∶1 的比例分别配制成质量分数为15%、10%、5%的阻燃剂混合溶液(表1)。

表1 聚氨酯泡沫材料基体及阻燃剂规格Tab.1 Specifications of polyurethane foam substrate

1.3 新型聚氨酯阻燃泡沫材料的制备

将待助燃处理的聚氨酯泡沫样品截取为120 mm×100 mm×40 mm 尺寸后，在水浴锅中将其浸入不同组分的阻燃剂混合溶液中24 h，加热温度为80 ℃，随后干燥6 h，然后关闭干燥箱电源并将样品保留在干燥箱内保持干燥待实验时取用。

3 结果与讨论

3.1 新型阻燃聚氨酯泡沫材料的热解失重特征

图1 为经过阻燃处理的聚氨酯泡沫塑料在氮气氛保护下的热重分解曲线。在聚氨酯泡沫塑料的燃烧中，其热分解过程中材料基体表面的分子断裂为异氰酸酯和醇，稍高温度下就有异氰酸酯、多元醇、氨和氧化碳气体等分解出来，这些分解产物与足够量的氧气混合就可能发生燃烧或进一步分解。经过阻燃处理后，泡沫基体的热分解温度区间为 338.7～432 ℃。热分解温度的提高证明材料基体表面的阻燃性能得到了有效提高，在材料基体接触到外部热源的过程中，在更高的温度下才开始热分解。这就决定了泡沫材料基体要在更高的温度才能够发生分解燃烧，被点燃的温度要求也相应的提高了，使得泡沫塑料的火灾危险性大为降低，不会轻易发生燃烧或分解，能够有效防止火灾事故的发生[3]。

图1 新型阻燃聚氨酯泡沫塑料热重分解曲线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热释放速率

通常情况下，材料的热释放速率是体现该种材料阻燃性能的重要参数，该参数直接反映材料自身的耐火性能。一般情况下，材料的热释放速率越大，单位时间内通过外部热焰所引发的燃烧导致的材料单位表面积产生的热量就越多，材料基体本身热分解速率不断增加且挥发性气态可燃物生成量显著增多，从而加速了高温火焰在该种材料基体表面的传播速度。在燃烧环境中辐射能量相差无几的前提条件下，材料基体在燃烧过程中平均热释放速率越大，该材料的实际阻燃效果就越差，其实际燃烧的速度就越快，火灾蔓延的速度也会更快。如果材料基体在燃烧过程中平均热释放速率越小，该材料的实际阻燃效果就越好，该种材料实际燃烧的速度就越慢，火灾在短时间内将无法快速蔓延。阻燃改性聚氨酯泡沫材料基体的平均热释放速率如表2 所示，当反应体系中聚磷酸铵、三聚氰胺、硼酸按1∶1∶1 比例配制15% 浓度的阻燃剂溶剂，制备成新型外保温阻燃材料，其最大热释放速率最低，材料基体的阻燃性能最好。

表2 阻燃改性聚氨酯泡沫材料基体的平均热释放速率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烧性能

阻燃改性聚氨酯泡沫材料基体的燃烧性能如表3 所示，当反应体系中聚磷酸铵、三聚氰胺、硼酸按1∶1∶1 比例配制15% 浓度的阻燃剂溶剂，制成的新型外保温阻燃材料在实际燃烧过程中，所释放出的有毒气体以及总烟释放量都要远低于其他组分，证明应用该体系制备而成的阻燃材料在燃烧过程中能够有效抑制有毒气体的生成。此外，该组分样本在燃烧后测试的质量损失速率也相对最低，证明发生火灾后该材料基体在相同的辐射热条件下燃烧现象最为稳定平缓，结合表2 的数据能够有效证明该组分阻燃剂溶剂制备而成的新型外保温阻燃材料具有最为良好的阻燃性能。

表3 阻燃改性聚氨酯泡沫材料基体的燃烧性能Tab.3 Combustion performance of flame retardant modified polyurethane foam substrate

4 结 论

本文应用无机阻燃剂聚磷酸铵、三聚氰胺、硼酸对聚氨酯泡沫进行改性处理，以不同组分的阻燃试剂形成P-N 阻燃体系，泡沫试件在遭受外部热源高温炙烤过程中，材料基体表面的阻燃体系能够快速分解，与多羟基化合物形成具有阻燃作用的磷酸酯并释放水蒸气；在高温下泡沫中的阻燃剂气化产生不燃性气体，使熔融的泡沫炭化形成疏松的多孔性阻燃层。

结论：采用聚磷酸铵、三聚氰胺、硼酸按1∶1∶1比例配制15% 浓度的阻燃剂混合液制备而成的新型外保温阻燃材料具有良好的阻燃性能。■