如何增強硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能？
在各類(lèi)聚氨酯制品中，聚氨酯泡沫塑料是zui重要的一部分，它的主要特征是具有多孔性，因而具有相對密度小，比強度高等特點(diǎn)。根據所用原料的不同和配方的變化，可制成軟質(zhì)、半硬質(zhì)和硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料等幾種。其中，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料是一種性能優(yōu)越的高分子材料，被廣泛地應于工業(yè)、農業(yè)、軍事、文教及醫療衛生等眾多領(lǐng)域。由于該材料具有絕熱效果好、機械強度高、電學(xué)性能好、耐化學(xué)腐蝕性能強及隔音效果優(yōu)良等特性，從而使其在家具、汽車(chē)內飾、建筑保溫、家電等諸多工程領(lǐng)域具有廣泛的應用空間，有著(zhù)其他材料不可替代的作用，特別是在建筑保溫方面，由于世界能源短缺和節能目標的要求，聚氨酯硬質(zhì)泡沫作為較好的絕熱保溫材料將被大量使用。
聚氨酯硬泡一般為室溫發(fā)泡，成型工藝比較簡(jiǎn)單。但是,由于聚氨酯硬質(zhì)泡沫密度小、比表面積大、絕熱性好,其燃燒問(wèn)題尤為突出,極易被點(diǎn)燃和燃燒。而且一但著(zhù)火,燃燒迅速猛烈,不易撲滅,其燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙霧是有毒的,極易造成人員窒息死亡。未經(jīng)阻燃處理的聚氨酯泡沫屬于易燃材料,氧指數只有14-16,遇火容易燃燒并分解,產(chǎn)生大量有毒煙霧和氣體,造成人員傷亡。正是因為這些因素,聚氨酯泡沫阻燃技術(shù)已經(jīng)成為聚氨酯工業(yè)乃至消防、鐵路、航空、公路運輸等有關(guān)部門(mén)關(guān)注的熱點(diǎn),開(kāi)展聚氨酯泡沫阻燃技術(shù)研究具有十分重要的現實(shí)意義。
提高聚氨酯泡沫阻燃性的方法分為物理法和化學(xué)法兩大類(lèi)。常用的物理法有添加阻燃劑法和浸漬、涂敷法；常用的化學(xué)法有結構改性法以及使用反應性阻燃劑法。洛陽(yáng)天江化工的專(zhuān)家對這幾種方法的阻燃機理做了一些簡(jiǎn)單的介紹：
1、添加阻燃劑法,即將添加型阻燃劑直接加入聚氨酯基料中,機械地混合,再經(jīng)擠塑、模塑、發(fā)泡定型等加工過(guò)程而成為制品,使其具有阻燃性。有機磷酸酯類(lèi)化合物,尤其是有機鹵代磷酸酯,是聚氨酯泡沫常用的添加型阻燃劑。阻燃機理如下:
含磷阻燃劑在泡沫塑料燃燒時(shí)受熱,將磷化物轉化為偏磷酸和聚偏磷酸:磷化物→磷酸→偏磷酸→聚偏磷酸
聚偏磷酸覆蓋在聚合物表面形成保護層,磷酸、聚磷酸及聚偏磷酸的脫水作用,形成碳化膜阻止氧氣的補給和熱量傳遞,從而阻止燃燒反應的不斷進(jìn)行。
含鹵素阻燃劑在泡沫塑料燃燒時(shí),受熱分解成鹵化氫,鹵化氫具有與燃燒反應中羥基自由基反應生成水的作用,從而降低了羥基自由基的濃度,破壞了燃燒反應繼續進(jìn)行的條件,抑制了燃燒反應進(jìn)一步進(jìn)行。同時(shí),生成的水在高溫下汽化,會(huì )在環(huán)境中吸收熱量,使溫度有所下降,從而減慢燃燒速度,達到阻燃的作用。
2、浸漬、涂敷法,即用含有阻燃劑的液體浸漬或涂敷聚氨酯泡沫制品,隨后取出、干燥,使制品具有阻燃性。該法一般用于要求具有高度阻燃性的泡沫制品,其缺點(diǎn)是對制品物理機械性能影響大,成本高。
3、結構改性法,即將聚氨酯泡沫結構中一部分結構用熱穩定性更高的芳雜環(huán)結構取代,這些結構可以由異氰酸酯衍生,雜環(huán)結構大大提高了聚合物制品的耐熱性。結構改性法可以從源頭上改善聚氨酯硬質(zhì)泡沫的阻燃性能,通過(guò)提高泡沫分解溫度,達到阻燃目的。因為異氰脲酸酯基團熱降解溫度較高,又很容易引入到聚氨酯結構中,合成工藝可重復性較高,且價(jià)格低廉,因此廣泛用于熱穩定性好的硬質(zhì)泡沫制品中。異氰脲酸酯是由3個(gè)異氰酸酯基團在三聚催化劑的作用下通過(guò)三聚反應形成的六元雜環(huán),因此異氰酸酯指數的變化直接影響泡沫的阻燃性能。異氰酸酯指數較低時(shí),無(wú)法有效生成異氰脲酸酯基團,達不到理想的阻燃效果；異氰酸酯指數過(guò)高時(shí),會(huì )增加泡沫脆性,影響泡沫品質(zhì),因此控制好異氰酸酯指數是關(guān)鍵。
4、使用反應型阻燃劑法,即在原料異氰酸酯或有機多元醇鍵上引入氯、溴、磷、銻等難燃元素,達到泡沫阻燃效果。該法的優(yōu)點(diǎn)是難燃效果持久,對聚合物物性影響小,且后期施工簡(jiǎn)便,但是合成工藝復雜,原材料成本大幅度提高,一般較少采用。
上述的幾種方法中，使用添加型阻燃劑法是提高聚氨酯泡沫阻燃性應用zui廣泛的阻燃方法。該法對泡沫體生成時(shí)的反應影響較小,制造工藝不必作很大變動(dòng),阻燃效果顯著(zhù),泡沫制品的綜合性能較好。
聚氨酯硬質(zhì)泡沫常用三氯丙基磷酸酯(TCPP)、三氯乙基磷酸酯(TCEP)、甲基磷酸二甲酯(DMMP）作為添加型阻燃劑。這三種阻燃劑均為含磷阻燃劑,由于磷元素含量不同,導致阻燃性能差異較大。其中,TCPP阻燃性能較差；TCEP阻燃效果持久性較差,但價(jià)格便宜；DMMP磷元素含量zui多,阻燃性極佳。天江專(zhuān)家通過(guò)大量實(shí)驗研究發(fā)現,當阻燃劑混合使用時(shí),阻燃效果要比單獨添加一種阻燃劑好得多,且阻燃劑的用量可以大大減少,從而降低成本、降低燃燒發(fā)煙量,這即是阻燃劑的協(xié)同效應。但是添加型阻燃劑存在易遷移、不能持久保持阻燃效果等缺點(diǎn),當阻燃劑用量增加到一定值時(shí),聚氨酯泡沫氧指數幾乎不再提高,故采用添加型阻燃劑所制的泡沫只能應用于阻燃要求不很高的領(lǐng)域。
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