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硬质聚氨酯泡沫塑料的阻燃机理

时间:2015-11-07 来源: / 作者:

    燃烧是物质表面发生的剧烈氧化反应,是个极其复杂的化学反应过程。一般来说,聚氨酯硬泡的燃烧过程可分为 3 个阶段进行。第一阶段,聚氨酯硬泡在外部火源的作用下受热分解,产生多种小分子可燃气体,如小分子烷烃、烯烃、氢气等。第二阶段,周围的氧气与这些可燃气体发生氧化还原反应,生产二氧化碳和水,同时释放出大量的反应热和烟气。第三阶段,燃烧反应中产生的热量使得泡沫的温度继续升高,使其进一步分解,进一步产生的可燃气体维持燃烧反应的进行,当聚氨酯基体不再产生可燃气体时,燃烧反应终止,泡沫燃烧完毕。

    聚氨酯硬泡分子链中的碳氢分子链段比重较高,且泡沫密度较小,泡沫呈孔状结构,比表面积大,气体渗透性好,所以极易燃烧,其极限氧指数(LOI)仅有 18%左右,属于易燃材料。此外,聚氨酯硬泡在燃烧过程中会产生大量有毒气体和烟雾,严重威胁人们的生命财产安全。

    硬质聚氨酯泡沫塑料的阻燃机理

    针对上述聚氨酯硬泡的燃烧过程,阻燃剂应具有以下一种或数种的功能:能在起火温度或接近起火温度下吸热分解成不可燃物质;能与燃烧产物反应生成不易燃物质;能分解出可终止自由基氧化反应的物质,最终达到阻燃的目的。 

    使用阻燃剂可以提高聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能和热稳定性,延缓材料燃烧速率或阻止它的燃烧。阻燃剂的作用机理复杂,不过大致可以分为以下五种:

(1)吸热降温效应。

    在高温下,一些阻燃剂发生脱水、相变等吸热分解反应,能够吸收材料在燃烧反应中放出的大量热量,降低了火焰区和材料表面的温度,阻断了可燃气体的供应,从而达到延缓火势或熄灭火焰的目的。

(2)捕捉效应。 

    大量研究表明,聚合物的燃烧反应是一个与自由基 H·和 HO·密切相关的自由基连锁反应,若能捕捉或消除这些活性自由基,那么就能大大降低燃烧反应速度。如溴系阻燃剂,其抑制自由基连锁反应的机理如下: 

Br·+RH → R·+HBr 

OH·+HBr → H2O+Br· 

溴系阻燃剂阻燃聚合物时,在高温下受热分解,生成的溴自由基与聚合物反应生产HBr,而 HBr 能与 HO·反应,破坏燃烧链反应,同时还能再生 Br·自由基,从而延缓或阻止了燃烧反应的进行。

(3)转移效应。 

    一些阻燃剂在燃烧过程中会改变聚合物的热分解模式,使得燃烧反应朝着催化脱水成炭的反应进行,减少了短链烃类等一些可燃气体的产生,从而降低了可燃气体的浓度,减少了热量和有毒烟气的释放,从而提高了材料的阻燃性能。一些氮系、磷系阻燃剂就能发挥该种效应来阻燃材料。 

(4)覆盖效应。

    在燃烧过程中,一些阻燃剂会在材料表面产生对热稳定碳化层或液膜,这种碳化层能有效阻隔热量和气体的传递,延缓了材料的热分解。有机磷系燃烧过程中产生的含氧酸液膜正属于此类阻燃效果。近来新型物理膨胀阻燃剂—可膨胀石墨(EG)也是通过吸热膨胀在高聚物表面形成“蠕虫状”覆盖层,隔绝了空气和热量来达到阻燃的目的。

(5)稀释效应。一些阻燃剂受热分解会释放出大量不燃性气体(N2、NH3、CO2等),能稀释聚合物表面可燃气体和氧气的浓度,从而起到延缓或抑制燃烧的目的。 

    除了以上几种阻燃效应外,还可以通过改变材料本身结构,提高热稳定性,使材料难以被点燃;还有采用几种不同类型阻燃剂复配使用,可起到协同阻燃的效果,例如卤素和三氧化二锑一起使用,会生成密度较大的三氯化锑和三溴化锑覆盖在聚合物表面,起到增强材料阻燃效果。


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