如何增强硬质聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能？

在各类聚氨酯制品中，聚氨酯泡沫塑料是重要的一部分，它的主要特征是具有多孔性，因而具有相对密度小，比强度高等特点。根据所用原料的不同和配方的变化，可制成软质、半硬质和硬质聚氨酯泡沫塑料等几种。其中，硬质聚氨酯泡沫塑料是一种性能优越的高分子材料，被广泛地应于工业、农业、军事、文教及医疗卫生等众多领域。由于该材料具有绝热效果好、机械强度高、电学性能好、耐化学腐蚀性能强及隔音效果优良等特性，从而使其在家具、汽车内饰、建筑保温、家电等诸多工程领域具有广泛的应用空间，有着其他材料不可替代的作用，特别是在建筑保温方面，由于世界能源短缺和节能目标的要求，聚氨酯硬质泡沫作为较好的绝热保温材料将被大量使用。

聚氨酯硬泡一般为室温发泡，成型工艺比较简单。但是,由于聚氨酯硬质泡沫密度小、比表面积大、绝热性好,其燃烧问题尤为突出,极易被点燃和燃烧。而且一但着火,燃烧迅速猛烈,不易扑灭,其燃烧过程中产生的烟雾是有毒的,极易造成人员窒息死亡。未经阻燃处理的聚氨酯泡沫属于易燃材料,氧指数只有14-16,遇火容易燃烧并分解,产生大量有毒烟雾和气体,造成人员伤亡。正是因为这些因素,聚氨酯泡沫阻燃技术已经成为聚氨酯工业乃至消防、铁路、航空、公路运输等有关部门关注的热点,开展聚氨酯泡沫阻燃技术研究具有十分重要的现实意义。

提高聚氨酯泡沫阻燃性的方法分为物理法和化学法两大类。常用的物理法有添加阻燃剂法和浸渍、涂敷法;常用的化学法有结构改性法以及使用反应性阻燃剂法。洛阳天江化工的专家对这几种方法的阻燃机理做了一些简单的介绍：

1、添加阻燃剂法,即将添加型阻燃剂直接加入聚氨酯基料中,机械地混合,再经挤塑、模塑、发泡定型等加工过程而成为制品,使其具有阻燃性。有机磷酸酯类化合物,尤其是有机卤代磷酸酯,是聚氨酯泡沫常用的添加型阻燃剂。阻燃机理如下:

含磷阻燃剂在泡沫塑料燃烧时受热,将磷化物转化为偏磷酸和聚偏磷酸:磷化物→磷酸→偏磷酸→聚偏磷酸

聚偏磷酸覆盖在聚合物表面形成保护层,磷酸、聚磷酸及聚偏磷酸的脱水作用,形成碳化膜阻止氧气的补给和热量传递,从而阻止燃烧反应的不断进行。

含卤素阻燃剂在泡沫塑料燃烧时,受热分解成卤化氢,卤化氢具有与燃烧反应中羟基自由基反应生成水的作用,从而降低了羟基自由基的浓度,破坏了燃烧反应继续进行的条件,抑制了燃烧反应进一步进行。同时,生成的水在高温下汽化,会在环境中吸收热量,使温度有所下降,从而减慢燃烧速度,达到阻燃的作用。

2、浸渍、涂敷法,即用含有阻燃剂的液体浸渍或涂敷聚氨酯泡沫制品,随后取出、干燥,使制品具有阻燃性。该法一般用于要求具有高度阻燃性的泡沫制品,其缺点是对制品物理机械性能影响大,成本高。

3、结构改性法,即将聚氨酯泡沫结构中一部分结构用热稳定性更高的芳杂环结构取代,这些结构可以由异氰酸酯衍生,杂环结构大大提高了聚合物制品的耐热性。结构改性法可以从源头上改善聚氨酯硬质泡沫的阻燃性能,通过提高泡沫分解温度,达到阻燃目的。因为异氰脲酸酯基团热降解温度较高,又很容易引入到聚氨酯结构中,合成工艺可重复性较高,且价格低廉,因此广泛用于热稳定性好的硬质泡沫制品中。异氰脲酸酯是由3个异氰酸酯基团在三聚催化剂的作用下通过三聚反应形成的六元杂环,因此异氰酸酯指数的变化直接影响泡沫的阻燃性能。异氰酸酯指数较低时,无法有效生成异氰脲酸酯基团,达不到理想的阻燃效果;异氰酸酯指数过高时,会增加泡沫脆性,影响泡沫品质,因此控制好异氰酸酯指数是关键。

4、使用反应型阻燃剂法,即在原料异氰酸酯或有机多元醇键上引入氯、溴、磷、锑等难燃元素,达到泡沫阻燃效果。该法的优点是难燃效果持久,对聚合物物性影响小,且后期施工简便,但是合成工艺复杂,原材料成本大幅度提高,一般较少采用。

上述的几种方法中，使用添加型阻燃剂法是提高聚氨酯泡沫阻燃性应用广泛的阻燃方法。该法对泡沫体生成时的反应影响较小,制造工艺不必作很大变动,阻燃效果显著,泡沫制品的综合性能较好。

聚氨酯硬质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)作为添加型阻燃剂。这三种阻燃剂均为含磷阻燃剂,由于磷元素含量不同,导致阻燃性能差异较大。其中,TCPP阻燃性能较差;TCEP阻燃效果持久性较差,但价格便宜;DMMP磷元素含量多,阻燃性极佳。天江专家通过大量实验研究发现,当阻燃剂混合使用时,阻燃效果要比单独添加一种阻燃剂好得多,且阻燃剂的用量可以大大减少,从而降低成本、降低燃烧发烟量,这即是阻燃剂的协同效应。但是添加型阻燃剂存在易迁移、不能持久保持阻燃效果等缺点,当阻燃剂用量增加到一定值时,聚氨酯泡沫氧指数几乎不再提高,故采用添加型阻燃剂所制的泡沫只能应用于阻燃要求不很高的领域。