建材聚氨酯阻燃氧指數(shù)測(cè)定的影響因素
聚氨酯(polyurethane，簡(jiǎn)稱PU)是聚氨基甲酸酯的簡(jiǎn)稱，是建筑業(yè)、工業(yè)設(shè)備廣泛應(yīng)用的絕熱材料及汽車(chē)、造船、包裝等工業(yè)的重要材料。但由于聚氨酯泡沫本身結(jié)構(gòu)特殊，極易燃燒，其氧指數(shù)只有17%左右，燃燒時(shí)釋放出大量的煙和毒氣，容易發(fā)生滴落現(xiàn)象，它的易燃問(wèn)題一直是聚氨酯工業(yè)研究的重要課題。世界各國(guó)制定出各種測(cè)試聚氨酯的阻燃標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)，并逐步測(cè)試方法，生產(chǎn)了各種測(cè)試儀器設(shè)備。氧指數(shù)是判定阻燃性能的標(biāo)志之一，在氧指數(shù)的測(cè)試中，會(huì)受到環(huán)境條件、操作人員、制樣差異等因素的影響，為了更準(zhǔn)確測(cè)定材料的氧指數(shù)值，本文對(duì)測(cè)試過(guò)程中各種因素對(duì)氧指數(shù)的影響進(jìn)行了探討。
1.試驗(yàn)部分：
1.1 參照標(biāo)準(zhǔn)
氧指數(shù)按GB/T2406，試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境按GB/T2198。
1.2 泡沫樣品制作方法
由聚氨酯黑料(多異氰酸酯R - NCO)、白料(聚醚多元R-OH和助劑)以及阻燃劑按比例混合均勻，倒入模具內(nèi)，使其發(fā)泡。
1.3 氧指數(shù)試驗(yàn)法
實(shí)驗(yàn)原理：
極限氧指數(shù)(LOI)簡(jiǎn)稱氧指數(shù)，是判定阻燃性能的標(biāo)志之一，它是指在規(guī)定的條件下，試樣在氧、氮混合氣流中維持平衡燃燒所需的氧濃度，以氧氣所占的體積百分?jǐn)?shù)表示。
氧指數(shù)法的原理就是把一定尺寸的試樣用試樣夾垂直加持于透明燃燒筒內(nèi)，其中有按一定比例混合的向上流動(dòng)的氧氮?dú)饬?。點(diǎn)燃試樣的上端，觀察隨后的燃燒現(xiàn)象，記錄持續(xù)燃燒時(shí)間或燃燒過(guò)的距離，并與規(guī)定值比較，超過(guò)規(guī)定值就降低氧濃度，不足就增加氧濃度，如此反復(fù)操作，從上下兩側(cè)逐漸接近規(guī)定值，至兩者的濃度差小于0.5%。
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試驗(yàn)儀器：
氧指數(shù)測(cè)定儀，主要由燃燒筒、樣品夾、氣源、流量計(jì)及控制部分等構(gòu)成。燃燒所用氣源為工業(yè)級(jí)氣體，O2和N2含量濃度均≥99.5%，計(jì)時(shí)器用秒表。
2.氧指數(shù)的影響因素分析：
2.1 狀態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間的影響
根據(jù)GB/T2918-1988的要求，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，以盡量減小環(huán)境偶然因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。因此選用已制備的TDCPP阻燃聚氨酯泡沫試樣進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，調(diào)節(jié)恒溫箱的溫濕度在要求的某一特定值(溫度：23℃；相對(duì)濕度：50%；氣壓：86～106 kPa)。
通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，隨著試樣調(diào)節(jié)時(shí)間的增加，試驗(yàn)所得氧指數(shù)的平均值不斷降低，當(dāng)調(diào)節(jié)時(shí)間滿足一定時(shí)*，氧指數(shù)保持穩(wěn)定狀態(tài)。不同調(diào)節(jié)時(shí)間下樣品的檢驗(yàn)結(jié)果不同。因此，應(yīng)將試樣按標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，然后進(jìn)行測(cè)試，以便在標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間下得到準(zhǔn)確的氧指數(shù)值。
2.2 試樣點(diǎn)燃方法的影響
根據(jù)GB/T2406-93，對(duì)TDCPP阻燃聚氨酯泡沫試樣選用兩種點(diǎn)燃方法進(jìn)行氧指數(shù)測(cè)試，點(diǎn)火時(shí)間均為15s。
頂端點(diǎn)燃法：
使火焰可見(jiàn)部分接觸試樣頂端，并覆蓋整個(gè)頂表面，勿使火焰碰到試樣的棱邊和側(cè)表面。
擴(kuò)散點(diǎn)燃法：
充分降低和移動(dòng)點(diǎn)火器，使火焰的可見(jiàn)部分同時(shí)施加于試樣頂表面及垂直側(cè)表面約6mm長(zhǎng)。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同樣材料相同條件下進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，不同點(diǎn)燃方式對(duì)氧指數(shù)的測(cè)定數(shù)據(jù)幾乎沒(méi)有影響或者影響不大，不足以改變對(duì)樣品氧指數(shù)結(jié)果的評(píng)定。無(wú)論是哪種點(diǎn)燃方式，何時(shí)撤走點(diǎn)火源并開(kāi)始計(jì)時(shí)是要通過(guò)肉眼對(duì)試樣點(diǎn)燃情況的直觀判斷，存在著一定的誤差，并可能導(dǎo)致對(duì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)造成影響，只有增加試驗(yàn)次數(shù)才能盡量減小誤差。在實(shí)際操作中，點(diǎn)燃試樣時(shí)采用頂端點(diǎn)燃法比較省力。
2.3 試樣長(zhǎng)度的影響
中受檢產(chǎn)品的試樣長(zhǎng)度為70 ～150mm，目的是為了與試驗(yàn)儀器玻璃圓筒的長(zhǎng)度保持一致，使玻璃圓筒內(nèi)的小環(huán)境混合氣體中氧濃度均勻恒定。
可以看出，試樣長(zhǎng)度對(duì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響還是很大的，在要求的范圍內(nèi)，隨著試樣長(zhǎng)度的增加測(cè)定的氧指數(shù)值不斷增加。當(dāng)試樣長(zhǎng)度較短時(shí)，受檢試樣的燃燒區(qū)域上方距圓筒頂部還有相當(dāng)大的距離，因此其火焰燃燒所需氧氣*由儀器本身支持，不受圓筒外氣流影響。但隨著試樣長(zhǎng)度的增加，受檢試樣的燃燒區(qū)域與圓筒頂部的距離變短，火焰燃燒所需氧氣的流動(dòng)受圓筒外氣流的影響程度逐漸加大。為了能夠支持火焰燃燒，儀器本身就必須提供更多的氧氣以滿足火焰燃燒，結(jié)果就使得測(cè)得的氧濃度數(shù)值逐漸加大。由此，應(yīng)將受檢樣品的長(zhǎng)度規(guī)定為一特定值而非一范圍值，以減小室內(nèi)環(huán)境空氣流動(dòng)對(duì)儀器圓筒內(nèi)燃燒狀況的影響程度。天津循煜科技有限公司研供YZS-8A型全自動(dòng)氧指數(shù)測(cè)定儀，自動(dòng)化程度高好用。
2.4 阻燃劑的影響
阻燃劑作為聚氨酯泡沫中一種價(jià)格昂貴的添加劑，其作用非常重要，阻燃劑添加量并不是越多越好，還要考慮阻燃劑的添加量對(duì)泡沫物理機(jī)械性能的影響。鑒于成本、安全、滿足阻燃技術(shù)指標(biāo)和泡沫物理機(jī)械性能等因素的考慮，應(yīng)該優(yōu)化使用適當(dāng)?shù)淖枞紕┦蛊浒l(fā)揮大作用。
阻燃劑添加量的影響：
數(shù)據(jù)表明，對(duì)于TDCPP阻燃劑，以聚醚多元醇為基計(jì)，10Phr的TDCPP可使PUF的氧指數(shù)于23%，PUF的氧指數(shù)隨著阻燃劑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，試樣的氧指數(shù)提高的十分有限。
不同阻燃劑的影響：
不同的阻燃劑在聚氨酯泡沫中的阻燃作用各不相同，隨阻燃劑含量的變化，阻燃作用變化規(guī)律也不一樣，這主要是受阻燃劑的種類差異以及阻燃劑與聚氨酯泡沫相容性的影響。
TDCPP是一種不具有反應(yīng)活性，但具有阻燃作用的添加型阻燃劑。隨著阻燃劑用量的增加，阻燃性能也隨之上升，但在添加量為20%以上時(shí)，阻燃性能的提高并不明顯，而且阻燃劑與組合聚醚混合后會(huì)釋放出一些酸性物質(zhì)，在泡沫中還具有一定的增塑作用，會(huì)導(dǎo)致泡沫強(qiáng)度的下降，所以阻燃劑的添加量在15%左右為宜。天津循煜科技有限公司研供YZS-8A型全自動(dòng)氧指數(shù)測(cè)定儀，自動(dòng)化程度高好用。
按照阻燃機(jī)理，磷能在燃燒過(guò)程中與聚合物或周?chē)h(huán)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，這些玻璃狀的液態(tài)衍生物熱穩(wěn)定性高，可在高聚物的表面形成一層隔離膜。它的形成，既可以阻擋火焰區(qū)熱量傳入使高聚物分解，又可阻擋分解出的可燃?xì)膺M(jìn)入火焰區(qū)，況且高聚物分解和可燃?xì)馊紵窍嗷ゴ龠M(jìn)的或相互消弱的，所以這一液膜覆蓋層的形成，必然促進(jìn)阻燃作用的大幅度提高，物質(zhì)材料的阻燃作用主要是它能催化形成結(jié)炭固體覆蓋層，氫氧化鋁的阻燃作用在于它一方面能形成三氧化二鋁固態(tài)保護(hù)層，在火源和泡沫間形成不燃性的屏障，從而起到阻燃作用；另一方面含有大量的結(jié)晶水，在泡沫生產(chǎn)過(guò)程中很穩(wěn)定，但在泡沫燃燒時(shí)將快速分解，吸熱降溫。
