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如何增強硬質聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能?

時間:2017-12-25 作者:九旭機械

如何增強硬質聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能?
 
  在各類聚氨酯制品中,聚氨酯泡沫塑料是最重要的一部分,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。根據所用原料的不同和配方的變化,可制成軟質、半硬質和硬質聚氨酯泡沫塑料等幾種。其中,硬質聚氨酯泡沫塑料是一種性能優越的高分子材料,被廣泛地應于工業、農業、軍事、文教及醫療衛生等眾多領域。由于該材料具有絕熱效果好、機械強度高、電學性能好、耐化學腐蝕性能強及隔音效果優良等特性,從而使其在家具、汽車內飾、建筑保溫、家電等諸多工程領域具有廣泛的應用空間,有著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泡,成型工藝比較簡單。但是,由于聚氨酯硬質泡沫密度小、比表面積大、絕熱性好,其燃燒問題尤為突出,極易被點燃和燃燒。而且一但著火,燃燒迅速猛烈,不易撲滅,其燃燒過程中產生的煙霧是有毒的,極易造成人員窒息死亡。未經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已經成為聚氨酯工業乃至消防、鐵路、航空、公路運輸等有關部門關注的熱點,開展聚氨酯泡沫阻燃技術研究具有十分重要的現實意義。
 
  提高聚氨酯泡沫阻燃性的方法分為物理法和化學法兩大類。常用的物理法有添加阻燃劑法和浸漬、涂敷法;常用的化學法有結構改性法以及使用反應性阻燃劑法。洛陽天江化工的專家對這幾種方法的阻燃機理做了一些簡單的介紹:
 
  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,再經擠塑、模塑、發泡定型等加工過程而成為制品,使其具有阻燃性。有機磷酸酯類化合物,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行。
 
  含鹵素阻燃劑在泡沫塑料燃燒時,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行的條件,抑制了燃燒反應進一步進行。同時,生成的水在高溫下汽化,會在環境中吸收熱量,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結構取代,這些結構可以由異氰酸酯衍生,雜環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泡沫的阻燃性能,通過提高泡沫分解溫度,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,且價格低廉,因此廣泛用于熱穩定性好的硬質泡沫制品中。異氰脲酸酯是由3個異氰酸酯基團在三聚催化劑的作用下通過三聚反應形成的六元雜環,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,無法有效生成異氰脲酸酯基團,達不到理想的阻燃效果;異氰酸酯指數過高時,會增加泡沫脆性,影響泡沫品質,因此控制好異氰酸酯指數是關鍵。
 
  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。該法的優點是難燃效果持久,對聚合物物性影響小,且后期施工簡便,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最廣泛的阻燃方法。該法對泡沫體生成時的反應影響較小,制造工藝不必作很大變動,阻燃效果顯著,泡沫制品的綜合性能較好。
 
  聚氨酯硬質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,但價格便宜;DMMP磷元素含量最多,阻燃性極佳。天江專家通過大量實驗研究發現,當阻燃劑混合使用時,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、降低燃燒發煙量,這即是阻燃劑的協同效應。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,當阻燃劑用量增加到一定值時,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域。

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