劉 偉

（西安市消防救援支隊(duì)，陜西西安710032）

當(dāng)前高檔精密儀器、貴重機(jī)械物品、高檔工藝品等貴重價(jià)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(qiáng)度的壓縮性、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)等特點(diǎn)，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(duì)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(duì)噴涂成型聚氨酯泡沫塑料改良影響較大［9］。因此設(shè)計(jì)噴涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量對(duì)自燃事故的影響實(shí)驗(yàn)，分析噴涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量對(duì)自燃事故存在的影響，進(jìn)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(duì)策，為聚氨酯泡沫塑料阻燃措施提供更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)方向。

1 資料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品和實(shí)驗(yàn)設(shè)備

研究噴涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量對(duì)自燃事故的影響實(shí)驗(yàn)，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(xué)反應(yīng)形成，但是在這個(gè)化學(xué)反應(yīng)的過程中，需要多種試劑［10］。因此所選擇的化學(xué)試劑見表1。

表1 化學(xué)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(fù)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(shí)驗(yàn)儀器見表2［12］。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器和型號(hào)Table 2 Experimental instruments and models

1.2 自燃測(cè)試方法

進(jìn)行噴涂成型聚氨酯泡沫塑料，原材料含水量對(duì)自燃事故的影響實(shí)驗(yàn)。原材料含水量分為20%、40%、60%、80% 四個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)檔次。將原材料含水量為20%、40%、60%、80% 四個(gè)檔次的聚氨酯泡沫塑料，分別放置在九個(gè)檔次的氧氣濃度中，采用自燃點(diǎn)測(cè)定儀，測(cè)定聚氨酯泡沫塑料在不同含水量時(shí)，在不同氧氣濃度中所產(chǎn)生的自燃點(diǎn)。

1.3 制備聚氨酯泡沫塑料

在制備的過程中，不斷改變?cè)牧系暮浚覈娡砍尚途郯滨ヅ菽芰掀渌再|(zhì)不變，此次實(shí)驗(yàn)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?cè)牧系暮?，確定生成泡沫達(dá)到乳白、凝膠、不沾時(shí)間、泡沫升高程度等參數(shù)不變。添加助劑時(shí)，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(cè)量并記錄生成泡沫達(dá)到乳白、凝膠、不沾時(shí)間、泡沫升高程度等參數(shù)［13］。當(dāng)生成的泡沫完全固化后，采用電熱恒溫鼓風(fēng)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，因此在此次實(shí)驗(yàn)中，需要在考慮阻燃劑影響的基礎(chǔ)上對(duì)聚氨酯泡沫塑料性能進(jìn)行計(jì)算。

1.4 計(jì)算聚氨酯泡沫塑料性能

由于聚氨酯屬于可燃物，遇火會(huì)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(duì)自燃事故影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，設(shè)所需聚氨酯的總用量(g) 為W總，聚氨酯當(dāng)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(jì)算表達(dá)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(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)，因此采用含水量快速測(cè)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(jì)算出聚氨酯泡沫塑料原材料含水量S：

為避免其他原因，導(dǎo)致聚氨酯泡沫塑料出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，因此采用導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀測(cè)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(dǎo)熱系數(shù)λ 為：

制定聚氨酯泡沫塑料時(shí)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(cè)定儀，計(jì)算聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能。設(shè)氧指數(shù)濃度（%）為φ ，標(biāo)準(zhǔn)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(gè)公式，不斷改變聚氨酯泡沫塑料蒸餾水含量，即可進(jìn)行噴涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量對(duì)自燃事故的影響實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 原材料含水量為20%時(shí)聚氨酯泡沫塑料的自燃點(diǎn)

采用自燃點(diǎn)測(cè)定儀，測(cè)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(gè)檔次的氧濃度下所產(chǎn)生的自燃點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 原材料含水量為20% 時(shí)聚氨酯泡沫塑料自燃點(diǎn)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(dāng)聚氨酯泡沫塑料原材料含水量為20% 時(shí)，隨著氧濃度的增加，自燃點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)到的溫度呈直線式上升。當(dāng)氧濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)大氣中的氧濃度310mg/L 時(shí)，聚氨酯泡沫塑料的自燃點(diǎn)溫度僅有80℃，未曾達(dá)到自燃溫度，在實(shí)驗(yàn)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(shí)，聚氨酯泡沫塑料的自燃點(diǎn)溫度，也僅增加至135℃，未曾達(dá)到聚氨酯泡沫塑料的自燃點(diǎn)溫度。

2.2 原材料含水量為40% 時(shí)聚氨酯泡沫塑料的自燃點(diǎn)

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

圖3 原材料含水量為40% 時(shí)聚氨酯泡沫塑料自燃點(diǎn)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(dāng)聚氨酯泡沫塑料原材料含水量為40% 時(shí)，隨著氧濃度的增加，采用自燃點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)到的溫度，依然呈直線式上升趨勢(shì)，但是，相比圖2 所示原材料含水量為20% 時(shí)，自燃點(diǎn)溫度明顯升高，初始溫度有所增加，但不明顯。當(dāng)氧濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)大氣中的氧濃度310mg/L 時(shí)，聚氨酯泡沫塑料的自燃點(diǎn)溫度已經(jīng)達(dá)到120℃，雖然未曾達(dá)到自燃溫度，在實(shí)驗(yàn)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(shí)，聚氨酯泡沫塑料的自燃點(diǎn)溫度，已經(jīng)超過180℃的自燃溫度，達(dá)到185℃，產(chǎn)生大量黑煙，且在氧濃度達(dá)到390mg/L 時(shí)，聚氨酯泡沫塑料的自燃點(diǎn)溫度，已經(jīng)高達(dá)210℃，并伴隨著明顯的火焰產(chǎn)生。

2.3 原材料含水量為60%時(shí)聚氨酯泡沫塑料的自燃點(diǎn)

選擇含水量為60% 原材料聚氨酯泡沫塑料，采用自燃點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)定九個(gè)檔次的氧濃度下所產(chǎn)生的自燃點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 原材料含水量為60% 時(shí)聚氨酯泡沫塑料自燃點(diǎn)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(dāng)聚氨酯泡沫塑料原材料含水量為60% 時(shí)，隨著氧濃度的增加，聚氨酯泡沫塑料自燃點(diǎn)已經(jīng)呈現(xiàn)兩極分化的趨勢(shì)，且初始溫度已經(jīng)從20℃增加至45℃。在標(biāo)準(zhǔn)大氣中的氧濃度310mg/L 之前，所產(chǎn)生的自燃點(diǎn)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(diǎn)增加，相較原材料含水量為20%和40%時(shí)，都較為緩慢。當(dāng)氧濃度增加至330mg/L 時(shí)，聚氨酯泡沫塑料就已經(jīng)出現(xiàn)明火，且在氧氣濃度達(dá)到350mg/L 時(shí)，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(shí)聚氨酯泡沫塑料的自燃點(diǎn)

選擇含水量為80% 原材料聚氨酯泡沫塑料，測(cè)定九個(gè)檔次的氧濃度下，所產(chǎn)生的自燃點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 原材料含水量為80% 時(shí)聚氨酯泡沫塑料自燃點(diǎn)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(dāng)聚氨酯泡沫塑料原材料含水量為80% 時(shí)，隨著原材料含水量的增加，在氧濃度為230mg/L 時(shí)，所檢測(cè)到的自燃點(diǎn)溫度，已經(jīng)出現(xiàn)明顯增加，從原材料含水量為20% 時(shí)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(diǎn)已經(jīng)呈現(xiàn)三極分化的趨勢(shì)，當(dāng)氧濃度為290mg/L 時(shí)，聚氨酯泡沫塑料在瞬間自燃，且在自燃的瞬間，與230mg/L 時(shí)相比溫度迅速升高85℃。而在這個(gè)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(shí)，針對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行分析后判斷，隨著氧濃度的不斷升高，當(dāng)聚氨酯泡沫塑料超過自燃點(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

綜合上述四組實(shí)驗(yàn)，對(duì)四組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）Table 3 Statistics of experimental results (under standard state)

表3 統(tǒng)計(jì)了四組實(shí)驗(yàn)過程中，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氧氣與聚氨酯泡沫塑料相遇時(shí)的溫度、體積，且當(dāng)其遇到聚氨酯泡沫塑料，由于化學(xué)反應(yīng)，所產(chǎn)生的驟升溫度，及溫度驟升后氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

從四組實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dāng)與空氣中標(biāo)準(zhǔn)濃度的氧氣相遇時(shí)，溫度會(huì)急劇升高，瞬間爆炸。

在表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(shí)，含水量越高，所產(chǎn)生的初始溫度也會(huì)越高，與之相應(yīng)地，溫度驟升后，氧氣的體積分?jǐn)?shù)下降越為明顯。

綜合上述分析可以判斷，當(dāng)原材料含水量增加時(shí)，會(huì)促進(jìn)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(shí)，隨著聚氨酯泡沫塑料原材料含水量的增加，會(huì)降低聚氨酯泡沫塑料對(duì)自身積蓄的熱量析出，讓聚氨酯泡沫塑料更快達(dá)到自身最低溫度，即聚氨酯泡沫塑料的著火點(diǎn)。此時(shí)，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(jìn)下，在自身內(nèi)部出現(xiàn)化學(xué)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(duì)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(diǎn)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(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)當(dāng)中，深入分析噴涂成型聚氨酯泡沫塑料原材料含水量對(duì)自燃事故的影響。