噴涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量對自燃事故的影響研究

劉 偉

（西安市消防救援支隊，陜西西安710032）

當前高檔精密儀器、貴重機械物品、高檔工藝品等貴重價值的物品包裝，已經(jīng)離不開聚氨酯泡沫塑料［1］。由于聚氨酯泡沫塑料所具有極佳的彈性、柔軟性、伸長率、高強度的壓縮性、穩(wěn)定的化學性質(zhì)等特點，將聚氨酯泡沫塑料用于沙發(fā)制作中［2］。但是在制作和存放聚氨酯泡沫塑料的過程中，卻經(jīng)常出現(xiàn)聚氨酯泡沫塑料自燃的現(xiàn)象［3］。因此，國內(nèi)外紛紛開展聚氨酯泡沫塑料阻燃措施的研究，通過對聚氨酯泡沫塑料改良，提高聚氨酯泡沫塑料的防火性能，并取得了一定的研究成果［4-8］。但是在研究的過程中，發(fā)現(xiàn)聚氨酯泡沫塑料原材料含水量，對噴涂成型聚氨酯泡沫塑料改良影響較大［9］。因此設(shè)計噴涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量對自燃事故的影響實驗，分析噴涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量對自燃事故存在的影響，進而提出預(yù)防噴涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量造成自燃事故的影響對策，為聚氨酯泡沫塑料阻燃措施提供更為嚴謹?shù)膶嶒灧较颉?/p>

1 資料與方法

1.1 實驗藥品和實驗設(shè)備

研究噴涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量對自燃事故的影響實驗，由于聚氨酯泡沫塑料的生成，是通過聚異氰酸酯和羥基化學反應(yīng)形成，但是在這個化學反應(yīng)的過程中，需要多種試劑［10］。因此所選擇的化學試劑見表1。

表1 化學試劑名稱和規(guī)格Table 1 Names and specifications of chemical reagents

表1 中，蒸餾水為發(fā)泡劑；催化劑為辛酸亞錫和三亞乙基二胺混合的復合催化劑；泡沫穩(wěn)定劑即表面活性劑，且占原料總重量的1% ～2%；阻燃劑為EBG 阻燃劑［11］。實驗儀器見表2［12］。

表2 實驗儀器和型號Table 2 Experimental instruments and models

1.2 自燃測試方法

進行噴涂成型聚氨酯泡沫塑料，原材料含水量對自燃事故的影響實驗。原材料含水量分為20%、40%、60%、80% 四個檔次。聚氨酯泡沫塑料自燃，是與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，因此，采用氧氣收集裝置，在標準狀態(tài)下，收集空氣中的氧氣，并將氧氣濃度分為230、250、270、290、310、330、350、370 和390 mg/L 九個檔次。將原材料含水量為20%、40%、60%、80% 四個檔次的聚氨酯泡沫塑料，分別放置在九個檔次的氧氣濃度中，采用自燃點測定儀，測定聚氨酯泡沫塑料在不同含水量時，在不同氧氣濃度中所產(chǎn)生的自燃點。

1.3 制備聚氨酯泡沫塑料

在制備的過程中，不斷改變原材料的含水量，且噴涂成型聚氨酯泡沫塑料其他性質(zhì)不變，此次實驗所需的泡沫塑料制備流程如圖1 所示。

圖1 泡沫塑料制備流程Fig. 1 Preparation process of foam plastics

如圖1 所示的噴涂成型聚氨酯泡沫塑料制備流程中，采用一次性發(fā)泡技術(shù)，以噴涂發(fā)泡成型的方式，生成聚氨酯泡沫塑料。在制備過程中，改變原材料的含水量，確定生成泡沫達到乳白、凝膠、不沾時間、泡沫升高程度等參數(shù)不變。添加助劑時，使用集熱式恒溫磁力攪拌器，讓助劑與組合聚醚充分反應(yīng)，在反應(yīng)的過程中，需要不斷測量并記錄生成泡沫達到乳白、凝膠、不沾時間、泡沫升高程度等參數(shù)［13］。當生成的泡沫完全固化后，采用電熱恒溫鼓風干燥箱，催熟生成的泡沫。

由于助劑中含有阻燃劑，為避免阻燃劑對實驗結(jié)果造成影響，因此在此次實驗中，需要在考慮阻燃劑影響的基礎(chǔ)上對聚氨酯泡沫塑料性能進行計算。

1.4 計算聚氨酯泡沫塑料性能

由于聚氨酯屬于可燃物，遇火會燃燒并分解［14］。因此需要確定聚氨酯泡沫塑料總含量，避免由于聚氨酯含量，影響聚氨酯泡沫塑料原材料含水量對自燃事故影響的實驗結(jié)果。因此，設(shè)所需聚氨酯的總用量(g) 為W總，聚氨酯當量值為G，配方中聚酯多元醇的總用量(g) 為W醇，配方中蒸餾水的總用量(g)為W水，聚氨酯純度為R，聚氨酯指數(shù)為P，則聚氨酯總量計算表達式為：

確定聚氨酯泡沫塑料的體積(mm3) ，質(zhì)量(g) ，得到聚氨酯泡沫塑料表觀密度(kg/m3) r：

聚氨酯泡沫塑料原材料含水量變化，是此次實驗的重點，因此采用含水量快速測定儀，得到聚氨酯泡沫塑料所含水的質(zhì)量m水，聚氨酯泡沫塑料所含干物料的質(zhì)量為m物，即可計算出聚氨酯泡沫塑料原材料含水量S：

為避免其他原因，導致聚氨酯泡沫塑料出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，因此采用導熱系數(shù)測定儀測定聚氨酯泡沫塑料內(nèi)部所產(chǎn)生熱通量密度。設(shè)熱流（J）為Q，聚氨酯泡沫塑料厚度（mm）為d，聚氨酯泡沫塑料底面積（mm2）為A，試樣冷熱面之間溫度差（℃）為 ΔT ，則聚氨酯泡沫塑料的導熱系數(shù)λ 為：

制定聚氨酯泡沫塑料時必須添加阻燃劑，避免聚氨酯出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。因此必須采用氧指數(shù)測定儀，計算聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能。設(shè)氧指數(shù)濃度（%）為φ ，標準判定系數(shù)K，氧濃度變化步長l，則硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的氧指數(shù)（%）O 為：

根據(jù)上述5 個公式，不斷改變聚氨酯泡沫塑料蒸餾水含量，即可進行噴涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量對自燃事故的影響實驗。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 原材料含水量為20%時聚氨酯泡沫塑料的自燃點

采用自燃點測定儀，測定含水量為20% 的聚氨酯泡沫塑料，在230、250、270、290、310、330、350、370、390 mg/L 九個檔次的氧濃度下所產(chǎn)生的自燃點，實驗結(jié)果如圖2 所示。

圖2 原材料含水量為20% 時聚氨酯泡沫塑料自燃點Fig. 2 Self ignition point of polyurethane foam when water content of raw material is 20%

從圖2 中可以看出，當聚氨酯泡沫塑料原材料含水量為20% 時，隨著氧濃度的增加，自燃點測定儀測到的溫度呈直線式上升。當氧濃度達到標準大氣中的氧濃度310mg/L 時，聚氨酯泡沫塑料的自燃點溫度僅有80℃，未曾達到自燃溫度，在實驗過程中，也未曾出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。隨著氧濃度增加至390mg/L 時，聚氨酯泡沫塑料的自燃點溫度，也僅增加至135℃，未曾達到聚氨酯泡沫塑料的自燃點溫度。

2.2 原材料含水量為40% 時聚氨酯泡沫塑料的自燃點

選擇含水量為40% 原材料聚氨酯泡沫塑料，采用自燃點測定儀，測定其在230、250、270、290、310、330、350、370、390 mg/L 九個檔次的氧濃度下所產(chǎn)生的自燃點，實驗結(jié)果如圖3 所示。

圖3 原材料含水量為40% 時聚氨酯泡沫塑料自燃點Fig. 3 Self ignition point of polyurethane foam when water content of raw material is 40%

從圖3 中可以看出，當聚氨酯泡沫塑料原材料含水量為40% 時，隨著氧濃度的增加，采用自燃點測定儀測到的溫度，依然呈直線式上升趨勢，但是，相比圖2 所示原材料含水量為20% 時，自燃點溫度明顯升高，初始溫度有所增加，但不明顯。當氧濃度達到標準大氣中的氧濃度310mg/L 時，聚氨酯泡沫塑料的自燃點溫度已經(jīng)達到120℃，雖然未曾達到自燃溫度，在實驗過程中，也未曾出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，但是隨著氧濃度增加至370mg/L時，聚氨酯泡沫塑料的自燃點溫度，已經(jīng)超過180℃的自燃溫度，達到185℃，產(chǎn)生大量黑煙，且在氧濃度達到390mg/L 時，聚氨酯泡沫塑料的自燃點溫度，已經(jīng)高達210℃，并伴隨著明顯的火焰產(chǎn)生。

2.3 原材料含水量為60%時聚氨酯泡沫塑料的自燃點

選擇含水量為60% 原材料聚氨酯泡沫塑料，采用自燃點測定儀測定九個檔次的氧濃度下所產(chǎn)生的自燃點，實驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 原材料含水量為60% 時聚氨酯泡沫塑料自燃點Fig. 4 Self ignition point of polyurethane foam when water content of raw material is 60%

從圖4 中可以看出，當聚氨酯泡沫塑料原材料含水量為60% 時，隨著氧濃度的增加，聚氨酯泡沫塑料自燃點已經(jīng)呈現(xiàn)兩極分化的趨勢，且初始溫度已經(jīng)從20℃增加至45℃。在標準大氣中的氧濃度310mg/L 之前，所產(chǎn)生的自燃點溫度，呈直線式增加至180℃，逐漸有煙霧出現(xiàn)。但是，隨著氧氣的增加，聚氨酯泡沫塑料自燃點增加，相較原材料含水量為20%和40%時，都較為緩慢。當氧濃度增加至330mg/L 時，聚氨酯泡沫塑料就已經(jīng)出現(xiàn)明火，且在氧氣濃度達到350mg/L 時，聚氨酯泡沫塑料在瞬間燃燒殆盡。

2.4 原材料含水量為80%時聚氨酯泡沫塑料的自燃點

選擇含水量為80% 原材料聚氨酯泡沫塑料，測定九個檔次的氧濃度下，所產(chǎn)生的自燃點，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 原材料含水量為80% 時聚氨酯泡沫塑料自燃點Fig. 5 Self ignition point of polyurethane foam when water content of raw material is 80%

從圖5 中可以看出，當聚氨酯泡沫塑料原材料含水量為80% 時，隨著原材料含水量的增加，在氧濃度為230mg/L 時，所檢測到的自燃點溫度，已經(jīng)出現(xiàn)明顯增加，從原材料含水量為20% 時的20℃增加至80℃；而隨著氧濃度的增加，聚氨酯泡沫塑料自燃點已經(jīng)呈現(xiàn)三極分化的趨勢，當氧濃度為290mg/L 時，聚氨酯泡沫塑料在瞬間自燃，且在自燃的瞬間，與230mg/L 時相比溫度迅速升高85℃。而在這個過程中，伴隨著大量的煙霧，且在溫度驟升后，聚氨酯泡沫塑料瞬間消失。此時，針對該現(xiàn)象進行分析后判斷，隨著氧濃度的不斷升高，當聚氨酯泡沫塑料超過自燃點后，瞬間出現(xiàn)了爆炸現(xiàn)象，加快了聚氨酯泡沫塑料的消失速度。

3 實驗結(jié)果討論

綜合上述四組實驗，對四組實驗結(jié)果進行統(tǒng)計，其統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 實驗結(jié)果統(tǒng)計（標準狀態(tài)下）Table 3 Statistics of experimental results (under standard state)

表3 統(tǒng)計了四組實驗過程中，在標準狀態(tài)下，氧氣與聚氨酯泡沫塑料相遇時的溫度、體積，且當其遇到聚氨酯泡沫塑料，由于化學反應(yīng)，所產(chǎn)生的驟升溫度，及溫度驟升后氧氣的體積分數(shù)。

從四組實驗結(jié)果中可以看出，聚氨酯泡沫塑料原材料含水量越高，和氧氣發(fā)生反應(yīng)的時間越短，反應(yīng)速度越快，且隨著聚氨酯泡沫塑料原材料含水量的增加，當與空氣中標準濃度的氧氣相遇時，溫度會急劇升高，瞬間爆炸。

在表3 實驗結(jié)果統(tǒng)計表中，也可以明顯看出，隨著聚氨酯泡沫塑料原材料含水量的增加，同一濃度的氧氣，與不同原材料含水量的聚氨酯泡沫塑料相遇時，含水量越高，所產(chǎn)生的初始溫度也會越高，與之相應(yīng)地，溫度驟升后，氧氣的體積分數(shù)下降越為明顯。

綜合上述分析可以判斷，當原材料含水量增加時，會促進聚氨酯泡沫塑料中含有的聚氨酯成分與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，讓熱量在聚氨酯泡沫塑料中不斷積蓄并析出，促使聚氨酯泡沫塑料的溫度逐漸升高，此時，隨著聚氨酯泡沫塑料原材料含水量的增加，會降低聚氨酯泡沫塑料對自身積蓄的熱量析出，讓聚氨酯泡沫塑料更快達到自身最低溫度，即聚氨酯泡沫塑料的著火點。此時，聚氨酯泡沫塑料是由于其本身與外界空氣發(fā)生氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的自燃，屬于本身自燃。所以，為避免聚氨酯泡沫塑料自燃現(xiàn)象的出現(xiàn)，需要降低聚氨酯泡沫塑料原材料中的水含量，避免聚氨酯泡沫塑料在原材料含水量的促進下，在自身內(nèi)部出現(xiàn)化學反應(yīng)，產(chǎn)生自燃事故。

4 結(jié)束語

本文分析噴涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量對自燃事故的影響，制備噴涂成型的聚氨酯泡沫塑料，改變聚氨酯泡沫塑料原材料含水量，分析聚氨酯泡沫塑料不同原材料含水量，在氧氣作用下由于氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的自燃點溫度變化。但此次分析噴涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量對自燃事故的影響，受材料限制，僅制備了最具代表性的聚氨酯泡沫塑料，未曾考慮聚氨酯泡沫塑料制備過程中，所使用的助劑，對聚氨酯泡沫塑料的影響。在今后的分析中，可以將聚氨酯泡沫塑料制備過程中，所使用的助劑因素加入實驗設(shè)計當中，深入分析噴涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量對自燃事故的影響。