喷涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量对自燃事故的影响研究

刘 伟

（西安市消防救援支队，陕西西安710032）

当前高档精密仪器、贵重机械物品、高档工艺品等贵重价值的物品包装，已经离不开聚氨酯泡沫塑料［1］。由于聚氨酯泡沫塑料所具有极佳的弹性、柔软性、伸长率、高强度的压缩性、稳定的化学性质等特点，将聚氨酯泡沫塑料用于沙发制作中［2］。但是在制作和存放聚氨酯泡沫塑料的过程中，却经常出现聚氨酯泡沫塑料自燃的现象［3］。因此，国内外纷纷开展聚氨酯泡沫塑料阻燃措施的研究，通过对聚氨酯泡沫塑料改良，提高聚氨酯泡沫塑料的防火性能，并取得了一定的研究成果［4-8］。但是在研究的过程中，发现聚氨酯泡沫塑料原材料含水量，对喷涂成型聚氨酯泡沫塑料改良影响较大［9］。因此设计喷涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量对自燃事故的影响实验，分析喷涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量对自燃事故存在的影响，进而提出预防喷涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量造成自燃事故的影响对策，为聚氨酯泡沫塑料阻燃措施提供更为严谨的实验方向。

1 资料与方法

1.1 实验药品和实验设备

研究喷涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量对自燃事故的影响实验，由于聚氨酯泡沫塑料的生成，是通过聚异氰酸酯和羟基化学反应形成，但是在这个化学反应的过程中，需要多种试剂［10］。因此所选择的化学试剂见表1。

表1 化学试剂名称和规格Table 1 Names and specifications of chemical reagents

表1 中，蒸馏水为发泡剂；催化剂为辛酸亚锡和三亚乙基二胺混合的复合催化剂；泡沫稳定剂即表面活性剂，且占原料总重量的1% ～2%；阻燃剂为EBG 阻燃剂［11］。实验仪器见表2［12］。

表2 实验仪器和型号Table 2 Experimental instruments and models

1.2 自燃测试方法

进行喷涂成型聚氨酯泡沫塑料，原材料含水量对自燃事故的影响实验。原材料含水量分为20%、40%、60%、80% 四个档次。聚氨酯泡沫塑料自燃，是与空气发生氧化反应，因此，采用氧气收集装置，在标准状态下，收集空气中的氧气，并将氧气浓度分为230、250、270、290、310、330、350、370 和390 mg/L 九个档次。将原材料含水量为20%、40%、60%、80% 四个档次的聚氨酯泡沫塑料，分别放置在九个档次的氧气浓度中，采用自燃点测定仪，测定聚氨酯泡沫塑料在不同含水量时，在不同氧气浓度中所产生的自燃点。

1.3 制备聚氨酯泡沫塑料

在制备的过程中，不断改变原材料的含水量，且喷涂成型聚氨酯泡沫塑料其他性质不变，此次实验所需的泡沫塑料制备流程如图1 所示。

图1 泡沫塑料制备流程Fig. 1 Preparation process of foam plastics

如图1 所示的喷涂成型聚氨酯泡沫塑料制备流程中，采用一次性发泡技术，以喷涂发泡成型的方式，生成聚氨酯泡沫塑料。在制备过程中，改变原材料的含水量，确定生成泡沫达到乳白、凝胶、不沾时间、泡沫升高程度等参数不变。添加助剂时，使用集热式恒温磁力搅拌器，让助剂与组合聚醚充分反应，在反应的过程中，需要不断测量并记录生成泡沫达到乳白、凝胶、不沾时间、泡沫升高程度等参数［13］。当生成的泡沫完全固化后，采用电热恒温鼓风干燥箱，催熟生成的泡沫。

由于助剂中含有阻燃剂，为避免阻燃剂对实验结果造成影响，因此在此次实验中，需要在考虑阻燃剂影响的基础上对聚氨酯泡沫塑料性能进行计算。

1.4 计算聚氨酯泡沫塑料性能

由于聚氨酯属于可燃物，遇火会燃烧并分解［14］。因此需要确定聚氨酯泡沫塑料总含量，避免由于聚氨酯含量，影响聚氨酯泡沫塑料原材料含水量对自燃事故影响的实验结果。因此，设所需聚氨酯的总用量(g) 为W总，聚氨酯当量值为G，配方中聚酯多元醇的总用量(g) 为W醇，配方中蒸馏水的总用量(g)为W水，聚氨酯纯度为R，聚氨酯指数为P，则聚氨酯总量计算表达式为：

确定聚氨酯泡沫塑料的体积(mm3) ，质量(g) ，得到聚氨酯泡沫塑料表观密度(kg/m3) r：

聚氨酯泡沫塑料原材料含水量变化，是此次实验的重点，因此采用含水量快速测定仪，得到聚氨酯泡沫塑料所含水的质量m水，聚氨酯泡沫塑料所含干物料的质量为m物，即可计算出聚氨酯泡沫塑料原材料含水量S：

为避免其他原因，导致聚氨酯泡沫塑料出现燃烧现象，因此采用导热系数测定仪测定聚氨酯泡沫塑料内部所产生热通量密度。设热流（J）为Q，聚氨酯泡沫塑料厚度（mm）为d，聚氨酯泡沫塑料底面积（mm2）为A，试样冷热面之间温度差（℃）为 ΔT ，则聚氨酯泡沫塑料的导热系数λ 为：

制定聚氨酯泡沫塑料时必须添加阻燃剂，避免聚氨酯出现自燃现象。因此必须采用氧指数测定仪，计算聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能。设氧指数浓度（%）为φ ，标准判定系数K，氧浓度变化步长l，则硬质聚氨酯泡沫塑料的氧指数（%）O 为：

根据上述5 个公式，不断改变聚氨酯泡沫塑料蒸馏水含量，即可进行喷涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量对自燃事故的影响实验。

2 实验结果分析

2.1 原材料含水量为20%时聚氨酯泡沫塑料的自燃点

采用自燃点测定仪，测定含水量为20% 的聚氨酯泡沫塑料，在230、250、270、290、310、330、350、370、390 mg/L 九个档次的氧浓度下所产生的自燃点，实验结果如图2 所示。

图2 原材料含水量为20% 时聚氨酯泡沫塑料自燃点Fig. 2 Self ignition point of polyurethane foam when water content of raw material is 20%

从图2 中可以看出，当聚氨酯泡沫塑料原材料含水量为20% 时，随着氧浓度的增加，自燃点测定仪测到的温度呈直线式上升。当氧浓度达到标准大气中的氧浓度310mg/L 时，聚氨酯泡沫塑料的自燃点温度仅有80℃，未曾达到自燃温度，在实验过程中，也未曾出现自燃现象。随着氧浓度增加至390mg/L 时，聚氨酯泡沫塑料的自燃点温度，也仅增加至135℃，未曾达到聚氨酯泡沫塑料的自燃点温度。

2.2 原材料含水量为40% 时聚氨酯泡沫塑料的自燃点

选择含水量为40% 原材料聚氨酯泡沫塑料，采用自燃点测定仪，测定其在230、250、270、290、310、330、350、370、390 mg/L 九个档次的氧浓度下所产生的自燃点，实验结果如图3 所示。

图3 原材料含水量为40% 时聚氨酯泡沫塑料自燃点Fig. 3 Self ignition point of polyurethane foam when water content of raw material is 40%

从图3 中可以看出，当聚氨酯泡沫塑料原材料含水量为40% 时，随着氧浓度的增加，采用自燃点测定仪测到的温度，依然呈直线式上升趋势，但是，相比图2 所示原材料含水量为20% 时，自燃点温度明显升高，初始温度有所增加，但不明显。当氧浓度达到标准大气中的氧浓度310mg/L 时，聚氨酯泡沫塑料的自燃点温度已经达到120℃，虽然未曾达到自燃温度，在实验过程中，也未曾出现自燃现象，但是随着氧浓度增加至370mg/L时，聚氨酯泡沫塑料的自燃点温度，已经超过180℃的自燃温度，达到185℃，产生大量黑烟，且在氧浓度达到390mg/L 时，聚氨酯泡沫塑料的自燃点温度，已经高达210℃，并伴随着明显的火焰产生。

2.3 原材料含水量为60%时聚氨酯泡沫塑料的自燃点

选择含水量为60% 原材料聚氨酯泡沫塑料，采用自燃点测定仪测定九个档次的氧浓度下所产生的自燃点，实验结果如图4 所示。

图4 原材料含水量为60% 时聚氨酯泡沫塑料自燃点Fig. 4 Self ignition point of polyurethane foam when water content of raw material is 60%

从图4 中可以看出，当聚氨酯泡沫塑料原材料含水量为60% 时，随着氧浓度的增加，聚氨酯泡沫塑料自燃点已经呈现两极分化的趋势，且初始温度已经从20℃增加至45℃。在标准大气中的氧浓度310mg/L 之前，所产生的自燃点温度，呈直线式增加至180℃，逐渐有烟雾出现。但是，随着氧气的增加，聚氨酯泡沫塑料自燃点增加，相较原材料含水量为20%和40%时，都较为缓慢。当氧浓度增加至330mg/L 时，聚氨酯泡沫塑料就已经出现明火，且在氧气浓度达到350mg/L 时，聚氨酯泡沫塑料在瞬间燃烧殆尽。

2.4 原材料含水量为80%时聚氨酯泡沫塑料的自燃点

选择含水量为80% 原材料聚氨酯泡沫塑料，测定九个档次的氧浓度下，所产生的自燃点，实验结果如图5所示。

图5 原材料含水量为80% 时聚氨酯泡沫塑料自燃点Fig. 5 Self ignition point of polyurethane foam when water content of raw material is 80%

从图5 中可以看出，当聚氨酯泡沫塑料原材料含水量为80% 时，随着原材料含水量的增加，在氧浓度为230mg/L 时，所检测到的自燃点温度，已经出现明显增加，从原材料含水量为20% 时的20℃增加至80℃；而随着氧浓度的增加，聚氨酯泡沫塑料自燃点已经呈现三极分化的趋势，当氧浓度为290mg/L 时，聚氨酯泡沫塑料在瞬间自燃，且在自燃的瞬间，与230mg/L 时相比温度迅速升高85℃。而在这个过程中，伴随着大量的烟雾，且在温度骤升后，聚氨酯泡沫塑料瞬间消失。此时，针对该现象进行分析后判断，随着氧浓度的不断升高，当聚氨酯泡沫塑料超过自燃点后，瞬间出现了爆炸现象，加快了聚氨酯泡沫塑料的消失速度。

3 实验结果讨论

综合上述四组实验，对四组实验结果进行统计，其统计结果见表3。

表3 实验结果统计（标准状态下）Table 3 Statistics of experimental results (under standard state)

表3 统计了四组实验过程中，在标准状态下，氧气与聚氨酯泡沫塑料相遇时的温度、体积，且当其遇到聚氨酯泡沫塑料，由于化学反应，所产生的骤升温度，及温度骤升后氧气的体积分数。

从四组实验结果中可以看出，聚氨酯泡沫塑料原材料含水量越高，和氧气发生反应的时间越短，反应速度越快，且随着聚氨酯泡沫塑料原材料含水量的增加，当与空气中标准浓度的氧气相遇时，温度会急剧升高，瞬间爆炸。

在表3 实验结果统计表中，也可以明显看出，随着聚氨酯泡沫塑料原材料含水量的增加，同一浓度的氧气，与不同原材料含水量的聚氨酯泡沫塑料相遇时，含水量越高，所产生的初始温度也会越高，与之相应地，温度骤升后，氧气的体积分数下降越为明显。

综合上述分析可以判断，当原材料含水量增加时，会促进聚氨酯泡沫塑料中含有的聚氨酯成分与氧气发生氧化反应，让热量在聚氨酯泡沫塑料中不断积蓄并析出，促使聚氨酯泡沫塑料的温度逐渐升高，此时，随着聚氨酯泡沫塑料原材料含水量的增加，会降低聚氨酯泡沫塑料对自身积蓄的热量析出，让聚氨酯泡沫塑料更快达到自身最低温度，即聚氨酯泡沫塑料的着火点。此时，聚氨酯泡沫塑料是由于其本身与外界空气发生氧化反应所产生的自燃，属于本身自燃。所以，为避免聚氨酯泡沫塑料自燃现象的出现，需要降低聚氨酯泡沫塑料原材料中的水含量，避免聚氨酯泡沫塑料在原材料含水量的促进下，在自身内部出现化学反应，产生自燃事故。

4 结束语

本文分析喷涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量对自燃事故的影响，制备喷涂成型的聚氨酯泡沫塑料，改变聚氨酯泡沫塑料原材料含水量，分析聚氨酯泡沫塑料不同原材料含水量，在氧气作用下由于氧化反应所产生的自燃点温度变化。但此次分析喷涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量对自燃事故的影响，受材料限制，仅制备了最具代表性的聚氨酯泡沫塑料，未曾考虑聚氨酯泡沫塑料制备过程中，所使用的助剂，对聚氨酯泡沫塑料的影响。在今后的分析中，可以将聚氨酯泡沫塑料制备过程中，所使用的助剂因素加入实验设计当中，深入分析喷涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量对自燃事故的影响。