不同阻燃剂的聚氨酯泡沫材料阴燃特性研究*

郑艳敏　孙忠强　张金锋

(河北科技大学环境科学与工程学院　石家庄 050018)



不同阻燃剂的聚氨酯泡沫材料阴燃特性研究*

郑艳敏孙忠强张金锋

(河北科技大学环境科学与工程学院石家庄 050018)

摘要为了解添加不同阻燃剂的聚氨酯泡沫材料的阴燃特性，对聚氨酯泡沫材料一半干燥一半采用添加MgCl2、防老剂、质量分数为10%的水三种情况进行阻燃处理。各次实验结果表明,添加MgCl2的材料阻燃效果较好，温度传播到含有添加剂的材料时，由于材料的阻燃性吸附阻止氧气的传播导致没有发生阴燃向有焰火的转化；当传播到有防老剂材料时，由于防老剂的阻氧导致氧气量缓慢减少，在接触后的前期由于氧气量变化缓慢导致气相反应的出现，随着氧气量减少，阴燃结束；当传播到含水材料时，温度出现下降同时阴燃传播速度变慢，但是阴燃仍然能够维持，最后由于氧气的大量进入转化为有焰火。

关键词阴燃明火阻燃剂气相反应

0引言

近年来，由于城市居室中常用的沙发、席梦思床垫等大量使用聚氨酯泡沫材料，使得高层建筑火灾越来越频繁。这是因为这类疏松多孔材料在受到电加热器的热辐射等方式或者接触未熄灭烟头的时候很容易就会发生阴燃。阴燃不但具有维持时间长、难以熄灭等特点，而且会释放出大量的CO、硫类以及烯烃等有毒烟气，这也是高层建筑火灾致死率最高的因素之一。 因此为了更好地预防建筑物火灾的发生，本文研究含有不同阻燃物质的聚氨酯泡沫材料的阴燃特性，为建筑室内火灾的预防和防治提供理论依据。

1实验过程及结果分析

1.1实验材料配备

实验材料选择居室中常用的聚氨酯泡沫材料，每组选择为6片3 cm厚的材料，尺寸为18 cm×16 cm×20 cm。阻燃剂的配制方法为：称取10 g MgCl2溶于80 g水中制成MgCl2溶液，取10 g溶液将其均匀注入试样的上半部；同样道理制备含有防老剂的材料，称取5 g防老剂，溶于10 g CCl4中，充分溶解后加入少许增稠剂，再溶于85 g水中制成防老剂溶液，取10 g溶液将其均匀注入试样的上半部；含水的试样制作也一样，取10 g水注入试样的上半部分制成含水率为10%的试样备用。

1.2实验条件及过程

实验装置采用长方体状不锈钢容器，其上端自然开口，两臂部分用5 cm厚的硅酸铝纤维均匀填充以达到隔热的目的，将下端的隔热材料进行均匀开口以保证能在自然对流条件下进行整个实验。选用有调节加热功率的加热器在不锈钢容器的下部均匀加热；热电偶用来测量实验过程中不同部位热值的变化，材料表面上是第一根热电偶，其余的热电偶按照垂直距离间隔2 cm，横向距离间隔2 cm进行布置；实验过程中通过计算机进行采集并储存热电偶传输的热值。实验装置如图1所示。

图1　实验装置图

1.3实验结果及分析

阴燃传播过程在材料的下半部分是匀速稳定的，当传播到含有不同阻燃剂的部分时表现出不同的反应状态，从阴燃到有焰火的转化状态也有差别[1]。实验结果如图2所示。

图2　添加MgCl2的聚氨酯泡沫材料阴燃过程

从图2可以看出，在材料的下半部分燃烧是连贯并近匀速进行，当燃烧传递到含有MgCl2的阻燃剂时，温度急剧下降，从传递过来的温度305 ℃下降到90 ℃，这可能是阻燃剂MgCl2的吸热作用和隔绝氧气作用导致的。在一定的温度条件下，阻燃剂发生了强烈的吸热作用，吸收燃烧放出的大部分热量使得热量传递到含有阻燃剂部分时温度急剧下降；此外该阻燃剂的隔绝氧气作用使得燃烧到含有阻燃剂部分时氧气进入到反应区的少，同时前期传递过来的能量又大量减少使得阴燃难以持续直至熄灭。

材料含有防老剂的阴燃过程即温度随时间变化曲线如图3所示，其前半部分经历的过程和图2相似。两者的不同点是含有防老剂的材料在阴燃传播的过程中发生了温度停滞后又急剧升高的一个变化。当阴燃传播到含有防老剂的阻化剂时，同样也出现了传播速度变缓慢温度降低的现象，温度从传递过来时的490 ℃降低到375 ℃，随后温度又再次升高到425 ℃。这可能是阻燃剂防老剂的阻燃作用主要是捕捉活性自由基使链式反应中断[2-3]，聚氨酯泡沫材料在反应的过程中自由基较少，而其吸热和隔氧作用机理稍低于阻燃剂MgCl2，但是由于再次升高到的温度还是稍微低于原来传递过来的温度，阴燃传播到最后也慢慢熄灭。

图3　添加防老剂的聚氨酯泡沫材料阴燃过程

添加质量分数为10%的水的聚氨酯泡沫材料的温度随时间变化曲线如图4所示，可以看出材料的下半部分传播过程都近乎相似。在该实验过程中，也出现了温度下降的过程，这个过程可能是由于当传播到含水部分时，由于水的吸热作用，使得热量被吸收导致温度发生下降，但是下降之后出现了已燃区整体温度的跃升，跃升后的温度达到了700 ℃以上，这是明火才具有的温度，即这时发生了气相反应[4]。已燃区温度的整体跃升使得后续含湿材料能继续阴燃，最后在所有材料转变成碳后并伴随着外界氧气的大量进入，阴燃转化为明火。

图4　添加质量分数为10%的水的聚氨酯

2热分析实验及讨论

为了更好地讨论添加阻燃剂后材料的氧化过程，采用热重分析实验考查。实验的参数为：吹扫气和保护气都采用为N2，工作压力0.05 MPa，两者的流速为20 mL/min，升温速率为10 ℃/min，最高升温至600 ℃。得出结果如图5和图6所示。

图5　添加MgCl2材料的TG-DSC曲线

图6　添加防老剂材料的TG-DSC曲线

从图5、图6中可以看出，MgCl2的吸氧增长阶段较防老剂的宽泛，这说明添加防老剂的聚氨酯泡沫材料在吸氧增重阶段其吸氧的能力较解吸能力强，而添加MgCl2的聚氨酯泡沫材料在吸氧增重阶段持续时间较长，这可能是由于其阻燃作用吸热和隔氧的作用较明显，也说明其结构对于解吸所需的温度较有利，即在一定程度上在初期含有MgCl2的材料其氧化所需的温度较高。

对于后期燃烧阶段，含有MgCl2添加剂的材料其斜率较含有防老剂的材料大，这在一定程度上说明含有MgCl2添加剂的材料达到燃烧的条件时燃烧反应进行得较快，含有防老剂的材料燃烧过程较为缓慢，这可能是因为防老剂对于材料后期的吸热作用较明显。这在一定程度上也能解释上述的阴燃过程，在前期阴燃达到一定的温度下含有阻燃剂MgCl2的材料发生阴燃到明火的转化需要的表观活化能较多，而由于其吸热隔氧等阻燃作用导致其能量达不到燃烧所需的活化能[5]。而含有防老剂的材料其前期的吸热作用较小，使得温度有所下降，但是由

于热量的短暂蓄积又发生温度跃升，后期由于其阻燃作用较强致使阴燃传播失败以致熄灭。

3结语

(1)阴燃在聚氨酯泡沫材料的干燥部分是近乎匀速连贯的传播，当传播到干湿交界处的时候由于阻燃剂作用机制的不同呈现不同的变化过程，对于含有MgCl2阻燃剂的材料由于其较好的吸热隔氧作用导致温度急剧下降以致于阴燃传播缓慢直至熄灭。含有防老剂的材料由于其前期存在的吸热作用使阴燃传播的稳定性遭到破坏，但是由于内部剩余氧气与热解可燃气的反应蓄积热量，温度会有所反弹，在可燃气逐渐消耗的情况下其后期阻燃作用的存在，阴燃难以传播直至熄灭。对于含质量分数为10%水分的材料由于其含水率较小，水分吸热不足于阻止阴燃传播，随着温度的不断蓄积以及阴燃传播到最后由于大量的氧气进入发生了阴燃向有焰火的转化。

(2)通过热分析实验表明含有两种阻燃剂的材料在前期吸氧增重阶段和后期燃烧阶段的特性稍有不同。在前期阶段含有MgCl2的反应特性较之含有防老剂材料的吸热作用和所需的表观活化能都较大，而在后期含有防老剂材料的阻燃特性较为显著，变化速率较缓慢。这在一定程度上与阴燃传播过程的性状相吻合。

参考文献

[1]路长，周建军，林其钊,等.水平阴燃向有焰火转化的研究[J].燃烧科学与技术，2005,11(1):41-46.

[2]CHAO C Y H,WANG J H. Transition from smoldering to flaming combustion of horizontally oriented flexible thane foam with natural convection[J]. Combustion and Flame, 2001，127：2252-2264.

[3]BAR-ILAN A. Transition from forward smoldering to flaming in small polyurethane foam samples [J]. Fire Scierve and Technology,2006,25(2):176-184.

[4]路长,余明高,林绵金,等.水分影响下阴燃传播及气相反应发生的研究[J].中国安全科学学报,2008,18(5):91-96.

[5]余明高, 孟牒, 路长,等. 基于锥形量热仪实验研究阻化剂对煤自燃的影响[J]. 热科学与技术,2010,19(4):343-347.

Studies on the Characteristics of the Smoldering of Polyurethane Foam Materials with Different Flame Retardants

ZHENG YanminSUN ZhongqiangZHANG Jinfeng

(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,HebeiUniversityofScienceandTechnologyShijiazhuang050018)

AbstractIn order to know about the smoldering of polyurethane foam materials by different retardants, one half of the materials is dry and the other half is treated by retartants with MgCl2, age resister and 10% of water. The experiments show that the effect is good by adding retartant MgCl2, when temperature spreads to the materials, there will not be open flame happened because the retartant stops the spreading of the oxygen. When speading to the materials with age resister, because of the stop of oxygen, the oxygen reduces slowly, at earlier stage after the contact, because of slow reduction of oxygen, the gas phase will happen and with the reduction of the oxygen, the smoldering ends. When speading to the materials with 10% of water, the temperature will start to decrease, meanwhile the smoldering spreading speed slow down, but the smoldering will still keep and be changed finally into the open flame because of the introduction of large quantity of oxygen.

Key Wordssmolderingopen flameflame retardantgas phase reaction

(收稿日期：2015-03-19)

作者简介郑艳敏，女，1984年生，硕士，从事火灾防治理论和技术方面的研究和教学工作。

*基金项目：河北自然科学基金项目(E2013208169)。