阻燃聚氨酯氧指数测定影响因素分析

第１期　刘　洁马正恒阻燃聚氨酯氧指数测定影响因素分析　１５　阻燃聚氨酯氧指数测定影响因素分析　刘　洁，马正恒　（西安科技大学能源学院，陕西西安７１００５４）　摘要：随着各国环保标准的提高和聚氨酯材料应用面的扩大，各工业部门对其制品阻燃性能的要　求越来越高，氧指数是判定聚合物阻燃性能的指标之一，利用氧指数测定仪测试阻燃聚氨酯泡沫氧　指数，就能确定其相对可燃性。通过分析，总结出几个影响测定聚氨酯泡沫氧指数值的重要因素。　关键词：聚氨酯；氧指数；阻燃；影响因素　中图分类号：ＴＤ７５２．２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—７４９Ｘ（２０１０）０１—００１５—０３　实验原理：极限氧指数（ＬＯＩ）简称氧指数，是判　定阻燃性能的标志之一，它是指在规定的条件下，试　０　引言　聚氨酯（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ，简称ＰＵ）是聚氨基甲酸　酯的简称，是建筑业、工业设备广泛应用的绝热材料　及汽车、造船、包装等工业的重要材料。但由于聚氨　酯泡沫本身结构特殊，极易燃烧，其氧指数只有　１７％左右，燃烧时释放出大量的烟和毒气，容易发生　滴落现象，它的易燃问题一直是聚氨酯工业研究的　重要课题¨Ｉ２　Ｊ。世界各国制定出各种测试聚氨酯的　阻燃标准、法规，并逐步完善测试方法，生产了各种　测试仪器设备。氧指数是判定阻燃性能的标志之　一样在氧、氮混合气流中维持平衡燃烧所需的最低氧　浓度，以氧气所占的体积百分数表示。　氧指数法的原理就是把一定尺寸的试样用试样　夹垂直加持于透明燃烧筒内，其中有按一定比例混　合的向上流动的氧氮气流。点燃试样的上端，观察　随后的燃烧现象，记录持续燃烧时间或燃烧过的距　离，并与规定值比较，超过规定值就降低氧浓度，不　足就增加氧浓度，如此反复操作，从上下两侧逐渐接　近规定值，至两者的浓度差小于０．５％　。　，在氧指数的测试中，会受到环境条件、操作人员、　仪器设备：试验仪器采用氧指数测定仪ＦＴＡ一　Ⅱ，主要由燃烧筒、样品夹、气源、流量计及控制部分　制样差异等因素的影响，为了更准确测定材料的氧　指数值，本文对测试过程中各种因素对氧指数的影　响进行了探讨。　等构成。燃烧所用气源为工业级气体，Ｏ　和Ｎ　含　量浓度均Ｉ＞９９．５％，计时器用秒表。　ｌ试验部分　１．１参照标准　氧指数按ＧＢ／Ｔ２４０６—１９９３，试样状态调节和试　２氧指数的影响因素分析　２．１状态调节时间的影响　根据国家标准ＧＢ／Ｔ２９１８—１９８８的要求，通过　对试验材料进行状态调节，以尽量减小环境偶然因　素对试验结果的影响。因此选用已制备的ＴＤＣＰＰ　验的标准环境按ＧＢ／Ｔ２１９８—１９８８。　１．２泡沫样品制作方法　由聚氨酯黑料（多异氰酸酯Ｒ—ＮＣＯ）、白料　（聚醚多元Ｒ—ＯＨ和助剂）以及阻燃剂按比例混合　阻燃聚氨酯泡沫试样进行比对试验，调节恒温箱的　温湿度在国标要求的某一特定值（温度：２３￣Ｃ；相对　湿度：５０％；气压：８６～１０６　ｋＰａ）。结果见表１。　通过测试数据可以看出，随着试样调节时间的　均匀，倒入模具内，使其发泡。　１．３氧指数试验法　收稿日期：２００９—０６—１ｌ　作者简介：刘洁（１９８３一），女，陕西榆林人，西安科技大学安全技　术及工程专业在读硕士研究生，主要从事防灭火材料方向研究。　增加，试验所得氧指数的平均值不断降低，当调节时　间满足一定时限时，氧指数保持稳定状态。不同调　节时间下样品的检验结果不同，因此，应将试样按标　１６　陕西煤炭　２０１０焦　准要求严格进行状态调节，然后进行测试，以便在标　准的状态调节时间下得到准确的氧指数值。　表１　不同调节时间下样品氧指数检验结果　际操作中，点燃试样时采用顶端点燃法比较省力。　２．３试样长度的影响　国家标准中受检产品的试样长度为７０～１５０　ｍｍ，目的是为了与试验仪器玻璃圆筒的长度保持一　致，使玻璃圆筒内的小环境混合气体中氧浓度均匀　２．２试样点燃方法的影响　根据ＧＢ／Ｔ２４０６—９３，对ＴＤＣＰＰ阻燃聚氨酯泡　沫试样选用两种点燃方法进行氧指数测试，点火时　间均为１５　ｓ。不同点燃方式氧指数测定结果见表　２。　表２不同点燃方式氧指数测定结果　顶端．占、燃法：使火焰的最低可见部分接触试样　顶端，并覆盖整个顶表面，勿使火焰碰到试样的棱边　和侧表面。　扩散点燃法：充分降低和移动点火器，使火焰的　可见部分同时施加于试样顶表面及垂直侧表面约６　ｍｍ长。结果发现，同样材料相同条件下进行试验　测定，不同点燃方式对氧指数的测定数据几乎没有　影响或者影响不大，不足以改变对样品氧指数结果　的评定。无论是哪种点燃方式，何时撤走点火源并　开始计时是要通过肉眼对试样点燃情况的直观判　断，存在着一定的误差，并可能导致对检验数据造成　影响，只有增加试验次数才能尽量减小误差。在实　恒定。不同试验长度计氧指数测定结果见表３。　表３　不同试验长度氧指数测定结果　可以看出，试样长度对检验数据的影响还是很　大的，在国家标准要求的范围内，随着试样长度的增　加测定的氧指数值不断增加。当试样长度较短时，　受检试样的燃烧区域上方距圆筒顶部还有相当大的　距离，因此其火焰燃烧所需氧气完全由仪器本身支　持，不受圆筒外气流影响。但随着试样长度的增加，　受检试样的燃烧区域与圆筒顶部的距离变短，火焰　燃烧所需氧气的流动受圆筒外气流的影响程度逐渐　加大。为了能够支持火焰燃烧，仪器本身就必须提　供更多的氧气以满足火焰燃烧，结果就使得测得的　氧浓度数值逐渐增大。由此，应将受检样品的长度　规定为一特定值而非一范围值，以减小室内环境空　气流动对仪器圆筒内燃烧状况的影响程度。　２．４阻燃剂的影响　阻燃剂作为聚氨酯泡沫中一种价格昂贵的添加　剂，其作用非常重要，阻燃剂添加量并不是越多越　好，还要考虑阻燃剂的添加量对泡沫物理机械性能　的影响　。鉴于成本、安全、满足阻燃技术指标和　泡沫物理机械性能等因素的考虑，应该优化使用适　当的阻燃剂使其发挥最大作用。阻燃剂添加量与氧　指数关系见图ｌ。　阻燃剂添加量的影响：数据表明，对于ＴＤＣＰＰ　阻燃剂，以聚醚多元醇为基计，ｌＯＰｈｒ的ＴＤＣＰＰ可使　第１期　刘　洁　马正恒　阻燃聚氨酯氧指数测定影响因素分析　１７　芝　｝　）毒　∞　％　如　埔　图１　氧指数随各种阻燃剂含量变化的关系曲线　ＰＵＦ的氧指数于２３％，ＰＵＦ的氧指数随着阻燃剂添　加量的增加而增高，但是ＴＤＣＰＰ用量大于１５Ｐｈｒ以　后，再增加ＴＤＣＰＰ的用量，试样的氧指数提高的十　分有限。　不同阻燃剂的影响：由图１可以看出，不同的阻　燃剂在聚氨酯泡沫中的阻燃作用各不相同，随阻燃　剂含量的变化，阻燃作用变化规律也不一样，这主要　是受阻燃剂的种类差异以及阻燃剂与聚氨酯泡沫相　容性的影响。　ＴＤＣＰＰ是一种不具有反应活性，但具有阻燃作　用的添加型阻燃剂。随着阻燃剂用量的增加，阻燃　性能也随之上升，但在添加量为２０％以上时，阻燃　性能的提高并不明显，而且阻燃剂与组合聚醚混合　后会释放出一些酸性物质，在泡沫中还具有一定的　增塑作用，会导致泡沫强度的下降，所以阻燃剂的添　加量在１５％左右为宜。　按照阻燃机理，磷能在燃烧过程中与聚合物或　周围环境的氧相互作用生成磷酸、偏磷酸和聚偏磷　酸等一系列衍生物，这些玻璃状的液态衍生物热稳　定性高，可在高聚物的表面形成一层隔离膜。它的　形成，既可以阻挡火焰区热量传人使高聚物分解，又　可阻挡分解出的可燃气进入火焰区，况且高聚物分　解和可燃气燃烧往往是相互促进的或相互消弱的，　所以这一液膜覆盖层的形成，必然促进阻燃作用的　大幅度提高Ｈ　。　三聚氰胺的阻燃作用主要是它能催化形成结炭　固体覆盖层，氢氧化铝的阻燃作用在于它一方面能　形成三氧化二铝固态保护层，在火源和泡沫间形成　不燃性的屏障，从而起到阻燃作用；另一方面含有大　量的结晶水，在泡沫生产过程中很稳定，但在泡沫燃　烧时将快速分解，吸热降温。　３　结论　通过以上对阻燃ＰＵ泡沫氧指数测试及实验的　研究、分析、对比，得出如下结论。　（１）根据国标中的检验方法，能够较好地测定　试样氧指数值，但由于国标中的检验范围过于宽泛，　使得对样品的检验误差增大，所以应该细化检验范　围，对不同样品的检验更有针对性，减小因范围过大　而造成的误差。　（２）同种阻燃剂，添加量在一定的比例范围内，　随着加入量的增加，氧指数值也呈增加趋势，达到一　定程度后上升幅度趋缓。　（３）固态阻燃剂（三聚氰胺和氢氧化铝）与混合　料液相容性差，对泡沫试样物理力学性能方面的影　响明显大于液态阻燃剂，三聚氰胺和氢氧化铝在泡　沫中的阻燃作用较小，磷系阻燃剂对泡沫试样的阻　燃效果最好，因此，对聚氨酯泡沫阻燃剂的研制和开　发重点应放在磷系阻燃剂上。　（４）阻燃剂的加入会影响聚氨酯泡沫的泡体结　构，产品生产商增加样品中阻燃成分的含量的同时，　应充分考虑到阻燃剂对泡沫基本性能、环境污染等　因素的影响，尽量选择经济、环保、高效的泡沫阻燃　剂。　参考文献－　［１］刘斌，杨小燕．聚氨酯材料的阻燃与防火［Ｊ］．江　苏化工，２００３，１２（６）：５４．　［２］　修玉英，谢菲菲，罗钟瑜．聚氨酯泡沫的阻燃［Ｊ］．　合成材料老化与应用，２００５，３４（２）：３９．　［３］　陈东明．软质聚氨酯泡沫的阻燃性能研究［Ｊ］．河　南理工大学学报，２００５，６（３）：２０５．　［４　吴勇，剧『肋．环境温湿度对氧指数测定值的影响　［Ｊ］．消防科技，１９９７，（１）．　［５］　韩斌，孙祖德，谭洪生，彭伟红．无卤阻燃聚乙烯　燃烧性能测试影响因素分析［Ｊ］．塑胶工业，　２００６，（４）．　［６］　张勇．阻燃聚氨酯软质泡沫塑料［Ｊ］．消防技术与　产品信息，２００３，（６）：７６．　［７］　肖鹏．聚氨酯泡沫阻燃材料［Ｊ］．聚氨酯，２００４，　（１　１）：６３．　［８］　张骥红，陈峰．聚氨酯泡沫阻燃剂浅谈［Ｊ］．聚氨　酯工、　，２００１，（４）：６—９．