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阻燃剂对软质聚氨脂燃烧特性的影响


第 33 卷第 8 期 2005 年 8 月

塑料工业 CHINA PLASTICS INDUSTRY

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   摘要 : 利用锥形量热仪对添加了不同阻燃剂的软质聚氨酯泡沫 , 在 25 kW/ m2 下 , 其热释放速率 、产烟量 、一氧 化碳产生量 、二氧化碳产生量和点燃时间等进行了试验研究 。结果表明 , 含氯化铵的聚氨酯泡沫燃烧时热释放速率最 小 , 仅是未经阻燃处理的聚氨酯泡沫的热释放速率的 1115 % ; 含硫酸铵的聚氨酯泡沫的产烟量最少 , 仅是未经阻燃处 理的聚氨酯泡沫的产烟量的 614 % ; 含氯化铵的聚氨酯泡沫燃烧时产生的一氧化碳和二氧化碳都是最少的 , 分别是未 酯泡沫的 15 倍 , 其它阻燃剂对聚氨酯泡沫的燃烧性能都有不同程度的影响 。    关键词 : 锥形量热仪 ; 软质聚氨酯泡沫 ; 燃烧特性 ; 阻燃剂    中图分类号 : TQ32318     文献标识码 : B     文章编号 : 1005 - 5770 (2005) 08 - 0057 - 03

ignition time of the soft PU foams filled with different flame retardants at 25kW/ m2 were studied by means of cone calorimeter1 The results showed that the heat release rate of the PU foam filled with NH4 Cl was the minimum , being only 1115 % of that of the blank1 The total smoke released of the PU foam filled with (NH4 ) 2 SO4 of ammonium was time of the PU foam filled with Na2B4O7 · 2O was the longest , being almost 15 times of that of the blank1 Other 10H Keywords : Cone Calorimeter ; Soft PU Foam ; Combustion Behavior ; Flame Retardant

   聚氨酯泡沫可分为软质 、硬质和半硬质聚氨酯泡

沫塑料 , 其中软质聚氨酯泡沫塑料 80 %~ 90 %用在 聚氨酯泡沫塑料是一种多孔物质 , 具有密度小 、导热 系数 低 、极 易 燃 烧 等 特 性 , 具 有 较 大 的 火 灾 危 险

家具 、床具和运输业 , 硬质泡沫主要应用于建筑业 。

性 [1 ] 。为了防火需要 , 阻燃聚氨酯泡沫的研究及阻燃 剂的加入对聚氨酯泡沫的燃烧性能及燃烧后的产烟

产品就应运而生 , 并得到了广泛的应用 [2 ] 。但是阻燃 性 、一氧化碳等的产生有何影响 , 目前尚未见系统研 剂对软质聚氨酯泡沫燃烧特性的影响 。

究的文献报道 。本文利用锥形量热仪研究了不同阻燃

1  实验部分

111   实验材料

Ξ 作者简介 : 杨守生 , 男 , 1966 年生 , 主任 , 副教授 , 主要从事《防火工程》 《危险化学品储运防火》的教学和防火材料 、 的开发研究工作 , 发表论文 43 篇 , 编写著作五部 。031622068523 , yangshousheng @wjxy1edu1cn

foams filled with NH4 Cl were the minimum , being 214 % and 116 % of those of the blank respectively1 The ignition flame retardants also had effects on the combustion behavior of PU foam to a certain extent1

the minimum , being only 614 % of that of the blank1 The yields of carbon monoxide and carbon dioxide of the PU

经阻燃处理的聚氨酯泡沫的 214 %和 116 % ; 点燃时间最长的是含四硼酸钠的聚氨酯泡沫 , 几乎是未经阻燃处理的聚氨

Effect of Flame Retardant on Combustion Characteristics of Soft PU Foam
(Dept. of Fire2fighting Eng1 , Chineses People ’ Armed Police Force Academy , Langfang 065000 , China) s

Abstract : The heat release rate , total smoke released , yields of carbon monoxide and carbon dioxide , and the

阻燃剂对软质聚氨酯泡沫燃烧特性的影响 Ξ  
杨守生 , 康   茹
( 武警学院消防工程系 , 河北 廊坊 065000)

Y ANG Shou2sheng , K ANG Ru

  锥 形 量 热 仪 : Cone Calorimeter ISO 5660 , ASTM M1354 ( S001) , 英国 FTT 公司 。 113   测试方法    按照 ISO5660 进行测试 。    用铝箔包裹试样的四周和底面 , 底部垫有陶瓷纤 维棉 , 在表面放上钢栅并加盖 。实验采用水平燃烧实 验法 。在热辐射量为 25 kW/ m2 条件下测试 。表 1 是 阻燃剂种类对软质 PU 泡沫燃烧性能的影响 。 114   实验方法    ) 制作软质聚氨酯泡沫实验样品 , 样品大小 : 1

  软质聚氨酯泡沫 : Jm225 型 , 北京年华聚氨酯 厂 ; 四硼酸钠 、氯化钠 、碳酸氨 、氯化铵 、硫酸钠 、 磷酸三甲酯 、磷酸二氢钾 : 均为化学纯 。 112   试验仪器

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塑      料 工 业

2004 年

100 mm × 100 mm × mm 。 40 ) 称量每个样品的质量 , 并作记录 。    2    ) 浸渍阻燃处理 [3 ] : 将聚氨酯泡沫样品分别浸泡 3

于含不同阻燃剂的溶液中使其充分吸饱溶液、沥干、 烘干至恒重 , 冷却称重 , 并计算样品中阻燃剂含量。    ) 燃烧性能测试 。 4

表1  阻燃剂种类对软质 PU 泡沫塑料燃烧性能的影响
Tab 1 Effect of flame retardant on combustion behavior of soft PU foam
阻燃剂种类 空白 四硼酸钠 磷酸二氢钾 磷酸三甲酯 氯化铵 氯化钠 硫酸铵 碳酸铵 平均热释放率 / kW· - 2 m 135155 75129 47103 138168 1516 64129 101183 122139 热释放率峰值 / kW· - 2 m 213178 217103 111164 218193 28146 121109 131101 195139 峰值对应时间
/s 60 288 78 105 96 57 186 72

点燃时间
/s 7 103 25 42 80 13 29 7

CO 生成率 / kg· - 1 kg 01020 8 01017 9 01003 5 01050 2 01000 5 01028 9 01003 4 01023 5

2  结果与讨论

211   热释放速率分析

   由表 1 可知 , 添加了四硼酸钠 、磷酸二氢钾 、氯 化铵和硫酸铵的聚氨酯泡沫燃烧时的一氧化碳产生率 小于未经阻燃处理的聚氨酯泡沫 ; 一氧化碳产生率大

   材料的热释放速率在火灾中是一个非常重要的参 数 , 它反映了材料的耐火性 , 燃烧时释放热量的多少 以及材料燃烧的速率 。在相同的辐射能量下 , 材料燃 烧时第一峰值出现越早 、平均热释放速率越大 , 试样 的阻燃效果就越差 , 在火灾中燃烧的速度就越快 ; 材 料在火灾中燃烧的也就越慢 。    将含不同阻燃剂的 PU 泡沫燃烧时的热释放速率 随时间作图 , 结果见图 1 。图 1 表明 , 含磷酸二氢 钾 、氯化铵 、氯化钠 、硫酸铵和碳酸铵的聚氨酯泡沫 燃烧时的平均热释放速率和热释放速率的峰值均小于 未经阻燃处理的聚氨酯泡沫 。其中 , 含氯化铵的聚氨 酯泡沫燃烧时的热释放率和热释放率的峰值最小 。氯 化铵对聚氨酯泡沫的阻燃效果很明显 。产生该结果的 原因可能是基于以下几点 : ( 1) 样品在高温下产生的 HCl 可以降低· 和 H· OH 的浓度 , 抑制反应的进行 ; ( 2) 样品燃烧时产生的 HCl 气体和 NH3 稀释了可燃气 体的浓度 ; ( 3) 在气相与固相之间形成具有吸热作

a - 磷酸三甲酯和磷酸二氢钾

用的 HCl 气壁 , 使燃烧热下降 。 212   烟毒性的分析    从表 1 可以看出 , 添加了阻燃剂四硼酸钠 、磷酸 二氢钾 、氯化钠和硫酸铵的聚氨酯泡沫的烟释放率分

b - 硫酸铵和碳酸铵

别是未经阻燃处理的聚氨酯泡沫的 7811 % 、2311 % 、 1815 % 、614 % , 均小于未经阻燃处理的聚氨酯泡沫 样的产烟量 ; 而添加了阻燃剂磷酸三甲酯 、氯化铵和 碳酸铵的聚氨酯泡沫燃烧时的产烟量均大于未经阻燃 处理的聚氨酯泡沫 , 分别是未经阻燃处理的聚氨酯泡 沫的 32112 % 、26112 % 、14419 % ; 含硫酸铵阻燃剂 的聚氨酯泡沫的产烟量最小 , 只有 1113 kg/ kg 。 213   一氧化碳产生率的分析

CO2 生成率 / kg· - 1 kg 1190 1140 0135 1152 0103 2160 1143 2106

c - 氯化铵和氯化钠

烟释放率 / kg· - 1 kg 17614 13718 4017 56617 46018 3217 1113 25516

第 33 卷第 8 期

杨守生等 : 阻燃剂对软质聚氨酯泡沫燃烧特性的影响研究

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铵的聚氨酯泡沫的点燃时间最短 , 都是 7 s ; 含四硼 酸钠的聚氨酯泡沫的点燃时间最长 , 几乎是未经阻燃 处理的聚氨酯泡沫的 15 倍 。由此可知 , 含四硼酸钠 的聚氨酯泡沫在所有添加阻燃剂的聚氨酯泡沫中是最 不易点燃的 。

3  结论
   ) 添加不同的阻燃剂对软质聚氨酯泡沫燃烧的 1
d - 四硼酸钠

图1  使用不同阻燃剂的聚氨酯泡沫燃烧的热释放速率
Fig 1 Heat release rate of PU foam filled with different flame retardant

于未经阻燃处理的聚氨酯泡沫的有添加了下列阻燃剂 的聚氨酯泡沫 : 磷酸三甲酯 、氯化钠和碳酸铵 。其中 一氧化碳产生率最小的是含氯化铵阻燃剂的聚氨酯泡 沫 , 是未经阻燃处理的聚氨酯泡沫产烟量的 214 % 。 因此 , 在这 7 种添加了阻燃剂的样品中 , 含氯化铵的 软质聚氨酯泡沫更适合应用于对一氧化碳产生量要求 较高的场合 。    1 表明 , 二氧化碳产生率大于未经阻燃处理的 表 聚氨酯泡沫的是含有氯化钠和碳酸铵阻燃剂的聚氨酯 泡沫 , 分别是 216 kg/ kg 和 2106 kg/ kg ; 含有四硼酸 钠 、磷酸二氢钾 、磷酸三甲酯 、氯化铵和硫酸铵的阻    1 显示未经阻燃处理的聚氨酯泡沫和添加碳酸 表 燃剂的聚氨酯泡沫燃烧时产生的二氧化碳分别是 114 kg/ kg 、0135 kg/ kg 、1152 kg/ kg 、0103 kg/ kg 和 1143 kg/ kg 。由此可知 , 含氯化铵的聚氨酯泡沫燃烧时二 氧化碳产生率是最小的 , 仅有未经阻燃处理的聚氨酯 泡沫的 116 % 。

214   二氧化碳产生率的分析 215   点燃时间

1  方禹生 , 朱吕民 1 聚氨酯泡沫塑料 1 北京 : 化学工业出版

2  薛恩钰 , 曾敏修 1 阻燃科学及应用 1 北京 : 国防工业出版

3  欧育湘 1 实用阻燃技术 1 北京 : 化学工业出版社 , 2002

热释放速率 、产烟量 、一氧化碳产生量 、二氧化碳产 生量和点燃时间等都有不同程度的影响 。    ) 从热释放速率来看 , 添加了氯化铵的聚氨酯 2 泡沫的阻燃效果最好 , 仅是未经阻燃处理的聚氨酯泡 沫的热释放速率的 1115 % 。    ) 从产烟量来看 , 添加了硫酸铵的聚氨酯泡沫 3 沫的 15 倍 。 参 考 文 献
社 , 1987 社 , 1988
( 本文于 2005 - 04 - 07 收到)

的产烟量最少 , 仅是未经阻燃处理的聚氨酯泡沫的产 烟量的 614 % 。    ) 从一氧化碳的产生率来看 , 一氧化碳的产生 4 率最小的是添加了氯化铵的聚氨酯泡沫 , 仅是未经阻 燃处理的聚氨酯泡沫的一氧化碳的产生率的 214 % 。    ) 从二氧化碳的产生率来看 , 二氧化碳的产生 5 率最小的是添加了氯化铵的聚氨酯泡沫 , 仅是未经阻 燃处理的聚氨酯泡沫的二氧化碳的产生率的 116 % 。    ) 从点燃时间来看 , 点燃时间最长的是添加了 6 四硼酸钠的聚氨酯泡沫 , 是未经阻燃处理的聚氨酯泡


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