碱式硼酸镁改性聚氨酯泡沫阻燃特性研究

李明罡

（辽宁省消防救援总队防火监督处，辽宁 沈阳 110031）

聚氨酯泡沫（PUF）是以聚酯多元醇与异氰酸酯为主要原料来配备其他辅助原料反应制得的一种以氨基甲酸酯链段结构单元为主的有机高分子聚合物。由于制备工艺和羟基值、多元醇类别等不同，因此可制备硬质、软质以及半硬质等不同类别的PUF。PUF凭借其很多的优异性能，已在家具材料、运输道路、冷藏保温、建筑基材以及航空制造等行业中广泛使用。但是由于PUF极易燃烧，易导致建筑发生火灾，从而造成群死、群伤事件，限制了PUF的应用范围，因此，提高其阻燃性能就显得十分必要。Zhang Xu等人选择水滑石类化合物作为阻燃剂，采用离子交换法将磷酸二氢根插入碳酸根型的镁铝水滑石层中，并探究改性后的水滑石对软质聚氨酯泡沫（FPUF）热稳定性、阻燃性和抑烟性的影响。此外，根据可持续发展的观点，利用生物基材等再生资源研究制备PUF的方法，例如BHOYATE S等人利用大豆、橘皮等可再生资源和一种新型磷基多元醇获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碱式硼酸镁的方法制备改性PUF，从而对其阻燃特性进行分析，期望目前的研究结果能为将来 PUF 工业的环保、阻燃技术提供指导。

1 试验

1.1 试验材料

该试验使用的材料如下：聚醚多元醇3630、辛酸亚锡T9、硅油L-580以及三乙醇胺（工业级，上述4种药品来自常州卓联志创高分子材料有限公司），大豆多元醇（工业级，广州市海珥玛植物油脂有限公司），多亚甲基异氰酸酯PM200（工业级，烟台万华聚氨酯有限公司），碱式硼酸镁（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。

1.2 样品制备

称取适量多元醇、辛酸亚锡、三乙醇胺、硅油、去离子水和碱式硼酸镁作为A组配料，适量异氰酸酯作为B组配料；通过高速搅拌机搅拌A组分30 s后将B组分加入A组分中继续搅拌30 s，再倒入模具中等待发泡。其中，PUF为大豆多元醇占白料100%。PUF1%为大豆多元醇白料占比100%、添加占总体质量1%的碱式硼酸镁，PUF10%为大豆多元醇白料占比100%、添加占总体质量10%的碱式硼酸镁。

1.3 样品表征

使用FTT锥形量热仪在3个热辐射通量（25 kW/m、35 kW/m和50 kW/m）下，对添加不同剂量碱式硼酸镁的聚氨酯泡沫进行阻燃特性试验；使用FTT氧指数测定仪对试验材料的燃烧特性进行表征。基于试验数据分析碱式硼酸镁对聚氨酯泡沫阻燃特性的影响。

2 结果与讨论

2.1 锥形量热分析

当热辐射通量为25 kW/m时，不同聚氨酯泡沫的热释放速率和总热释放量如图1所示。由图1可知，PUF热释放速率峰值为745.88 kW/m，达到峰值的时间为35 s，总热释放量为30.72 MJ/m。PUF1%热释放速率峰值为673.89 kW/m，达到峰值的时间为37 s，总热释放量为28.68 MJ/m。PUF10%热释放速率峰值为601.64 kW/m，达到峰值的时间为45 s，总热释放量为23.98 MJ/m。当热辐射通量为35 kW/m时，不同聚氨酯泡沫的热释放速率和总热释放量如图2所示。由图2可知，PUF热释放速率峰值为924.22 kW/m，达到峰值的时间为28 s，总热释放量为35.71 MJ/m。PUF1%热释放速率峰值为789.16 kW/m，达到峰值的时间为30 s，总热释放量为33.45 MJ/m。PUF10%热释放速率峰值为787.22 kW/m，达到峰值的时间为34 s，总热释放量为28.96 MJ/m。当热辐射通量为50 kW/m时，不同聚氨酯泡沫的热释放速率和总热释放量如图3所示。由图3可知，PUF热释放速率峰值为1 174.96 kW/m，达到峰值的时间为27 s，总热释放量为42.13 MJ/m。PUF1%热释放速率峰值为1 119.64 kW/m，达到峰值的时间为29 s，总热释放量为34.03 MJ/m。PUF10%热释放速率峰值为939.57 kW/m，达到峰值的时间为32 s，总热释放量为31.99 MJ/m。基于上述试验数据可以发现，在不同热辐射通量下，随着碱式硼酸镁质量占比的增加，PUF泡沫的热释放速率峰值变小，达到热释放速率峰值的时间也随之延长，这说明在不同热辐射通量下添加碱式硼酸镁可以有效地降低PUF的热释放速率，减少总热释放量。

图1 当热辐射通量为25 kW/m2热辐射通量时，不同聚氨酯泡沫的热释放速率和总热释放量

图2 当热辐射通量为35 kW/m2时，不同聚氨酯泡沫的热释放速率和总热释放量

图3 当热辐射通量为50 kW/m2时，不同聚氨酯泡沫的热释放速率和总热释放量

2.2 火灾蔓延指数（FGI）

为热释放速率峰值（）与达到峰值时间的比值，可以用于评价火灾的危险性。越大，表明达到一个较高热释放速率峰值所用时间越短，则火灾的危险性越大。越小，表明材料危险性越小。当热辐射通量为25 kW/m时，PUF的火灾蔓延指数最高（21.31 kW/m·s），PUF1%的火灾蔓延指数为18.21 kW/m·s，PUF10%的火灾蔓延指数为13.37 kW/m·s。当热辐射通量为35 kW/m时，PUF的火灾蔓延指数最高（33.00 kW/m·s），PUF1%的火灾蔓延指数为26.30 kW/m·s，PUF10%的火灾蔓延指数为23.15 kW/m·s。当热辐射通量为50 kW/m时，PUF的火灾蔓延指数最高（43.52 kW/m·s），PUF1%的火灾蔓延指数为38.61 kW/m·s，PUF10%的火灾蔓延指数为29.36 kW/m·s。基于上述试验结果可以发现，在热辐射通量相同的情况下，随着碱式硼酸镁质量的增加，样品火灾蔓延指数减小，样品火灾危险性也降低。在热辐射通量不同的情况下，热辐射通量越高，样品火灾蔓延指数越大，样品的火灾危险性也越高。综上所述，PUF10%的火灾危险性最低，PUF的火灾危险性最大，火灾蔓延指数的结果也与锥形量热的结果相符。

2.3 火灾性能指数（FPI）

火灾性能指数（）是锥形量热计测试参数发展的一个综合指标，它是点燃时间（）与热释放速率峰值（）的比值，是评价火灾总体危险性的一个最佳参数。数值越高，表示火灾危险性越小；数值越低，表示火灾危险越大。当热辐射通量为25 kW/m时，PUF的火灾蔓延指数最低（0.04 m·s/kW），PUF1%的火灾蔓延指数为0.09 m·s/kW，PUF10%的火灾蔓延指数为0.15 m·s/kW。当热辐射通量为35 kW/m时，PUF的火灾蔓延指数最低（0.03 m·s/kW），PUF1%的火灾蔓延指数为0.06 m·s/kW，PUF10%的火灾蔓延指数为0.11 m·s/kW。当热辐射通量为50 kW/m时，PUF的火灾蔓延指数最低（0.02 m·s/kW），PUF1%的火灾蔓延指数为0.04 m·s/kW，PUF10%的火灾蔓延指数为0.08 m·s/kW。基于上述火灾蔓延指数可以发现，随着碱式硼酸镁质量的增加，其火灾性能指数增加，火灾危险性降低。同样的，相同样品在热辐射通量不相同的情况下，热辐射通量越高，样品火灾性能指数越小，样品火灾危险性越大。综上所述，PUF10%的火灾危险性最小，PUF火灾危险性最大，火灾性能指数的结果与火灾蔓延指数和锥形量热的结果相符。

2.4 极限氧指数测试（LOI）

极限氧指数是指在某些特定条件下，在氧气和氮气混合物中点燃样品材料所需的最小氧气体积分数。极限氧指数高表示材料不易燃烧，极限氧指数低表示材料容易燃烧，一般认为极限氧指数小于22%属于易燃材料，极限氧指数为22%～27%属于可燃材料，极限氧指数大于27%属于难燃材料。目前工作中LOI测试结果显示，未加入阻燃剂的PUF的极限氧指数为17.2，PUF1%的极限氧指数为17.8，PUF10%的极限氧指数为24.1，说明碱式硼酸镁的添加明显提高了PUF的阻燃性能。当添加量达到10%时，使其从易燃材料转变为可燃材料。

3 结语

该文采用水发泡“一步法”制备碱式硼酸镁阻燃改性聚氨酯泡沫，并对改性前后聚氨酯泡沫材料的燃烧性能进行表征分析。具体试验结果如下：1） 当热辐射通量为25 kW/m时，PUF的热释放速率峰值为745.88 kW/m，总热释放量为30.72 MJ/m。当添加1%碱式硼酸镁时，PUF1%的热释放速率峰值降至673.89 kW/m，总热释放量降至28.68 MJ/m，热释放速率峰值和总热释放量分别降低了9.65%和6.64%。当添加10%碱式硼酸镁时，PUF10%的热释放速率峰值降至601.64 kW/m，总热释放量降至23.98 MJ/m。此外，当热辐射通量为35 kW/m和50 kW/m时，随着碱式硼酸镁的增加，PUF的热释放速率峰值和总热释放量也明显降低。因此，PUF10%具有最低的热释放速率峰值和总热释放量。2） 基于火灾蔓延指数和火灾性能指数分析可以发现，当热辐射通量为25 kW/m、35 kW/m和50 kW/m时，随着碱式硼酸镁质量的增加，样品火灾蔓延指数降低、火灾性能指数增加，样品火灾危险性降低。同时，热辐射通量越高，样品火灾蔓延指数越大、火灾性能指数越小，样品火灾危险性越高。综上所述，PUF10%的火灾危险性最低，PUF的火灾危险性最高。3）通过极限氧指数试验发现，添加1%碱式硼酸镁PUF1%的极限氧指数为17.8，且随着碱式硼酸镁添量的增加，极限氧指数指数逐渐上升，添加10%碱式硼酸镁的极限氧指数上升至24.1。

综上所述，PUF10%的阻燃性能最好，碱式硼酸镁的添加明显提高了聚氨酯泡沫的阻燃效果。目前的研究结果可为后续绿色环保阻燃改性聚氨酯泡沫的研究提供参考。