鄭艷敏　孫忠強　張金鋒

(河北科技大學環(huán)境科學與工程學院　石家莊 050018)

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不同阻燃劑的聚氨酯泡沫材料陰燃特性研究*

鄭艷敏孫忠強張金鋒

(河北科技大學環(huán)境科學與工程學院石家莊 050018)

摘要為了解添加不同阻燃劑的聚氨酯泡沫材料的陰燃特性，對聚氨酯泡沫材料一半干燥一半采用添加MgCl2、防老劑、質(zhì)量分數(shù)為10%的水三種情況進行阻燃處理。各次實驗結(jié)果表明,添加MgCl2的材料阻燃效果較好，溫度傳播到含有添加劑的材料時，由于材料的阻燃性吸附阻止氧氣的傳播導致沒有發(fā)生陰燃向有焰火的轉(zhuǎn)化；當傳播到有防老劑材料時，由于防老劑的阻氧導致氧氣量緩慢減少，在接觸后的前期由于氧氣量變化緩慢導致氣相反應的出現(xiàn)，隨著氧氣量減少，陰燃結(jié)束；當傳播到含水材料時，溫度出現(xiàn)下降同時陰燃傳播速度變慢，但是陰燃仍然能夠維持，最后由于氧氣的大量進入轉(zhuǎn)化為有焰火。

關(guān)鍵詞陰燃明火阻燃劑氣相反應

0引言

近年來，由于城市居室中常用的沙發(fā)、席夢思床墊等大量使用聚氨酯泡沫材料，使得高層建筑火災越來越頻繁。這是因為這類疏松多孔材料在受到電加熱器的熱輻射等方式或者接觸未熄滅煙頭的時候很容易就會發(fā)生陰燃。陰燃不但具有維持時間長、難以熄滅等特點，而且會釋放出大量的CO、硫類以及烯烴等有毒煙氣，這也是高層建筑火災致死率最高的因素之一。 因此為了更好地預防建筑物火災的發(fā)生，本文研究含有不同阻燃物質(zhì)的聚氨酯泡沫材料的陰燃特性，為建筑室內(nèi)火災的預防和防治提供理論依據(jù)。

1實驗過程及結(jié)果分析

1.1實驗材料配備

實驗材料選擇居室中常用的聚氨酯泡沫材料，每組選擇為6片3 cm厚的材料，尺寸為18 cm×16 cm×20 cm。阻燃劑的配制方法為：稱取10 g MgCl2溶于80 g水中制成MgCl2溶液，取10 g溶液將其均勻注入試樣的上半部；同樣道理制備含有防老劑的材料，稱取5 g防老劑，溶于10 g CCl4中，充分溶解后加入少許增稠劑，再溶于85 g水中制成防老劑溶液，取10 g溶液將其均勻注入試樣的上半部；含水的試樣制作也一樣，取10 g水注入試樣的上半部分制成含水率為10%的試樣備用。

1.2實驗條件及過程

實驗裝置采用長方體狀不銹鋼容器，其上端自然開口，兩臂部分用5 cm厚的硅酸鋁纖維均勻填充以達到隔熱的目的，將下端的隔熱材料進行均勻開口以保證能在自然對流條件下進行整個實驗。選用有調(diào)節(jié)加熱功率的加熱器在不銹鋼容器的下部均勻加熱；熱電偶用來測量實驗過程中不同部位熱值的變化，材料表面上是第一根熱電偶，其余的熱電偶按照垂直距離間隔2 cm，橫向距離間隔2 cm進行布置；實驗過程中通過計算機進行采集并儲存熱電偶傳輸?shù)臒嶂怠嶒炑b置如圖1所示。

圖1　實驗裝置圖

1.3實驗結(jié)果及分析

陰燃傳播過程在材料的下半部分是勻速穩(wěn)定的，當傳播到含有不同阻燃劑的部分時表現(xiàn)出不同的反應狀態(tài)，從陰燃到有焰火的轉(zhuǎn)化狀態(tài)也有差別[1]。實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2　添加MgCl2的聚氨酯泡沫材料陰燃過程

從圖2可以看出，在材料的下半部分燃燒是連貫并近勻速進行，當燃燒傳遞到含有MgCl2的阻燃劑時，溫度急劇下降，從傳遞過來的溫度305 ℃下降到90 ℃，這可能是阻燃劑MgCl2的吸熱作用和隔絕氧氣作用導致的。在一定的溫度條件下，阻燃劑發(fā)生了強烈的吸熱作用，吸收燃燒放出的大部分熱量使得熱量傳遞到含有阻燃劑部分時溫度急劇下降；此外該阻燃劑的隔絕氧氣作用使得燃燒到含有阻燃劑部分時氧氣進入到反應區(qū)的少，同時前期傳遞過來的能量又大量減少使得陰燃難以持續(xù)直至熄滅。

材料含有防老劑的陰燃過程即溫度隨時間變化曲線如圖3所示，其前半部分經(jīng)歷的過程和圖2相似。兩者的不同點是含有防老劑的材料在陰燃傳播的過程中發(fā)生了溫度停滯后又急劇升高的一個變化。當陰燃傳播到含有防老劑的阻化劑時，同樣也出現(xiàn)了傳播速度變緩慢溫度降低的現(xiàn)象，溫度從傳遞過來時的490 ℃降低到375 ℃，隨后溫度又再次升高到425 ℃。這可能是阻燃劑防老劑的阻燃作用主要是捕捉活性自由基使鏈式反應中斷[2-3]，聚氨酯泡沫材料在反應的過程中自由基較少，而其吸熱和隔氧作用機理稍低于阻燃劑MgCl2，但是由于再次升高到的溫度還是稍微低于原來傳遞過來的溫度，陰燃傳播到最后也慢慢熄滅。

圖3　添加防老劑的聚氨酯泡沫材料陰燃過程

添加質(zhì)量分數(shù)為10%的水的聚氨酯泡沫材料的溫度隨時間變化曲線如圖4所示，可以看出材料的下半部分傳播過程都近乎相似。在該實驗過程中，也出現(xiàn)了溫度下降的過程，這個過程可能是由于當傳播到含水部分時，由于水的吸熱作用，使得熱量被吸收導致溫度發(fā)生下降，但是下降之后出現(xiàn)了已燃區(qū)整體溫度的躍升，躍升后的溫度達到了700 ℃以上，這是明火才具有的溫度，即這時發(fā)生了氣相反應[4]。已燃區(qū)溫度的整體躍升使得后續(xù)含濕材料能繼續(xù)陰燃，最后在所有材料轉(zhuǎn)變成碳后并伴隨著外界氧氣的大量進入，陰燃轉(zhuǎn)化為明火。

圖4　添加質(zhì)量分數(shù)為10%的水的聚氨酯

2熱分析實驗及討論

為了更好地討論添加阻燃劑后材料的氧化過程，采用熱重分析實驗考查。實驗的參數(shù)為：吹掃氣和保護氣都采用為N2，工作壓力0.05 MPa，兩者的流速為20 mL/min，升溫速率為10 ℃/min，最高升溫至600 ℃。得出結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5　添加MgCl2材料的TG-DSC曲線

圖6　添加防老劑材料的TG-DSC曲線

從圖5、圖6中可以看出，MgCl2的吸氧增長階段較防老劑的寬泛，這說明添加防老劑的聚氨酯泡沫材料在吸氧增重階段其吸氧的能力較解吸能力強，而添加MgCl2的聚氨酯泡沫材料在吸氧增重階段持續(xù)時間較長，這可能是由于其阻燃作用吸熱和隔氧的作用較明顯，也說明其結(jié)構(gòu)對于解吸所需的溫度較有利，即在一定程度上在初期含有MgCl2的材料其氧化所需的溫度較高。

對于后期燃燒階段，含有MgCl2添加劑的材料其斜率較含有防老劑的材料大，這在一定程度上說明含有MgCl2添加劑的材料達到燃燒的條件時燃燒反應進行得較快，含有防老劑的材料燃燒過程較為緩慢，這可能是因為防老劑對于材料后期的吸熱作用較明顯。這在一定程度上也能解釋上述的陰燃過程，在前期陰燃達到一定的溫度下含有阻燃劑MgCl2的材料發(fā)生陰燃到明火的轉(zhuǎn)化需要的表觀活化能較多，而由于其吸熱隔氧等阻燃作用導致其能量達不到燃燒所需的活化能[5]。而含有防老劑的材料其前期的吸熱作用較小，使得溫度有所下降，但是由

于熱量的短暫蓄積又發(fā)生溫度躍升，后期由于其阻燃作用較強致使陰燃傳播失敗以致熄滅。

3結(jié)語

(1)陰燃在聚氨酯泡沫材料的干燥部分是近乎勻速連貫的傳播，當傳播到干濕交界處的時候由于阻燃劑作用機制的不同呈現(xiàn)不同的變化過程，對于含有MgCl2阻燃劑的材料由于其較好的吸熱隔氧作用導致溫度急劇下降以致于陰燃傳播緩慢直至熄滅。含有防老劑的材料由于其前期存在的吸熱作用使陰燃傳播的穩(wěn)定性遭到破壞，但是由于內(nèi)部剩余氧氣與熱解可燃氣的反應蓄積熱量，溫度會有所反彈，在可燃氣逐漸消耗的情況下其后期阻燃作用的存在，陰燃難以傳播直至熄滅。對于含質(zhì)量分數(shù)為10%水分的材料由于其含水率較小，水分吸熱不足于阻止陰燃傳播，隨著溫度的不斷蓄積以及陰燃傳播到最后由于大量的氧氣進入發(fā)生了陰燃向有焰火的轉(zhuǎn)化。

(2)通過熱分析實驗表明含有兩種阻燃劑的材料在前期吸氧增重階段和后期燃燒階段的特性稍有不同。在前期階段含有MgCl2的反應特性較之含有防老劑材料的吸熱作用和所需的表觀活化能都較大，而在后期含有防老劑材料的阻燃特性較為顯著，變化速率較緩慢。這在一定程度上與陰燃傳播過程的性狀相吻合。

參考文獻

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Studies on the Characteristics of the Smoldering of Polyurethane Foam Materials with Different Flame Retardants

ZHENG YanminSUN ZhongqiangZHANG Jinfeng

(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,HebeiUniversityofScienceandTechnologyShijiazhuang050018)

AbstractIn order to know about the smoldering of polyurethane foam materials by different retardants, one half of the materials is dry and the other half is treated by retartants with MgCl2, age resister and 10% of water. The experiments show that the effect is good by adding retartant MgCl2, when temperature spreads to the materials, there will not be open flame happened because the retartant stops the spreading of the oxygen. When speading to the materials with age resister, because of the stop of oxygen, the oxygen reduces slowly, at earlier stage after the contact, because of slow reduction of oxygen, the gas phase will happen and with the reduction of the oxygen, the smoldering ends. When speading to the materials with 10% of water, the temperature will start to decrease, meanwhile the smoldering spreading speed slow down, but the smoldering will still keep and be changed finally into the open flame because of the introduction of large quantity of oxygen.

Key Wordssmolderingopen flameflame retardantgas phase reaction

(收稿日期：2015-03-19)

作者簡介鄭艷敏，女，1984年生，碩士，從事火災防治理論和技術(shù)方面的研究和教學工作。

*基金項目：河北自然科學基金項目(E2013208169)。