聚氨酯阻燃泡沫材料中矿物阻燃剂的应用研究进展

王艳东，贺彩云，张佳琪

（1华北理工大学材料科学与工程学院 河北 唐山 063210）

（2华北理工大学管理学院 河北 唐山 063210）

（3华北理工大学电气工程学院 河北 唐山 063210）

1 引言

全球生态环境日益恶化，二氧化碳排放居高不下，造成全球气候变暖，自然灾害频发，建筑火灾频次呈指数增长，这些灾害严重影响人民的生命财产安全，因此我国在建筑材料方面加大研究力度，目的是提升建筑材料的节能、环保效果，提升使用效率。建筑外墙保温材料研究具有巨大发展前景，同时也是目前建筑材料节能环节最有效方法之一。当前，我国外墙保温材料使用主要是聚苯乙烯，其保温效果并不理想，外墙保温材料需具备低导热性、强粘接力、防水功能突出等特点，因此聚氨酯泡沫材料当属首选[1]。目前在用的卤系阻燃材料在环保方面受到各国诟病，所以，研制无卤阻燃剂建筑材料是各国追求的热点。为此本文主要围绕阻燃剂在聚氨酯泡沫材料中的应用来研究。

2 矿物阻燃剂分类

按照国家矿物阻燃剂建筑材料使用标准，矿物阻燃添加剂可分为：普通矿物类型（包括氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐等），粘土矿物类和可膨胀石墨类[2]。

2.1 普通矿物阻燃剂类

据国家标准规定，普通矿物阻燃剂类材料主要有氢氧化物阻燃剂、碳酸盐矿物阻燃剂和硫酸盐矿物阻燃剂。这几类矿物阻燃剂发挥功效需要满足以下条件：若发生火灾，温度升到100至300℃后，此类材料热分解成部分H2O和CO2，生成的H2O可渗透到建筑材料中，降低材料温度。而CO2可在燃烧过程中阻止燃烧物大面积接触空气，对建筑材料起到阻燃的效果。同时分解还能产生金属氧化物，这些产物可隔绝空气阻断火源。在技术条件和原料限制情况下，目前大规模使用的主要有氢氧化铝阻燃剂和氢氧化镁阻燃剂。

2.2 粘土矿物类阻燃剂

粘土矿物以纳米形式分布在各种聚合物中，其纳米形式片层在很多方向上对各种聚合物燃烧有很大影响，当聚合物燃烧时，纳米片层会产生小分子，对燃烧产生的可燃蒸汽以及释放出的热量起到了很好的阻隔效果。粘土片层在多维度方向上也可阻止可燃物产生的热量，使聚合物在阻燃性能上得到提升。与其他矿物阻燃材料相比，其具备使用量少，加工门槛低等特点，还可明显改善复合材料力学结构性能，增加稳定。

2.3 可膨胀石墨类

可膨胀石墨类是比较特殊的一类，条件较苛刻。主要由天然鳞片石墨经人工处理后形成特殊化合物。石墨呈现层状结构，其中碱金属和含氧酸等物质可嵌入层间形成层间化合物。经高温处理后，通过间层化合物不断分解膨胀，当温度达到900度时石墨膨胀可达原来体积的280多倍。经膨胀后石墨结构发生变化，形成加强稳定性低密度的蠕虫形状，并在表层形成绝热和高密度隔氧层，从而起到防火阻燃作用。

3 矿物阻燃剂在聚氨酯泡沫材料中研究发展

3.1 普通矿物阻燃剂PUR泡沫材料

氢氧化铝和氢氧化镁阻燃剂是目前聚氨酯泡沫材料添加剂中使用最广泛的一种，其自身密度较低，在表面阻燃剂不易形成。如果提高阻燃效果，就需增加阻燃剂量，但矿物质和高分子材料差别大，会影响泡沫材料的性能。为克服这个难题，各国在不断研究新材料，其中王荣涛采用液相沉淀法，制造纳米铝镁水滑石粉经硅烷偶联剂改性后填充，采用原位聚合法，制出铝镁水滑石纳米复合材料,其阻燃效果更优越[3]。

3.2 粘土矿物阻燃剂PUR 泡沫材料

粘土矿物阻燃材料使用量少、成炭效果高等特点，对改善复合材料的助燃效率有帮助，其研究也在不断跟完善。以李茄为代表的科研团队制造蒙脱石阻燃硬质聚氨酯泡沫（RPUF）材料，热释放速度和质量损失率方面降低。以王亮为代表的科研团队，用酸化和钠化对阻燃材料进行结构补充吸收温度提升[4]。以冯威为代表的科研团队实验发现蒙脱石在聚氨酯泡沫材料插层形态存在，在热稳定上得到提升[5]。

3.3 可膨胀石墨类聚氨酯泡沫材料

和其他普通阻燃剂类泡沫材料相比较，可膨胀石墨阻燃剂具备较高价值。许多科研团队都在不断开发研究此类材料。1978年，国外科学家首先申请了EG阻燃类泡沫材料的专利。从此这类材料在生活中广泛运用。但受到颗粒度含量、材料密度等因素影响效果不佳。后来王磊等科学家实验发现颗粒直径大的阻燃效果好，直径变小的材料阻燃性能降低。

4 结语

就目前市场使用来看，主要有氢氧化镁和氢氧化铝等两类阻燃剂类的聚氨酯泡沫材料，由于阻燃效率低下等原因影响，在市场中或多或少被钳制。前文中也提到矿物阻燃剂阻燃效果方面达不到最优，就需添加更多的量，最终导致与聚氨酯泡沫材料不能最佳融合，影响泡沫材料性能。为达到高效阻燃效果，减少自身负面特点，矿物阻燃剂需要经过表面处理，与其他材料融合，向协调阻燃体系方面发展。