增韧改性酚醛泡沫的烟密度和宏观燃烧行为探究

李蔚

（包头市消防救援支队，内蒙古 包头 014030）

0 引言

选取制备的聚乙二醇和聚氨酯体系改性酚醛泡沫为研究对象，通过烟密度测试对其烟密度进行评估。利用锥形量热仪（Cone）在高辐射能量1000℃下对增韧改性泡沫进行宏观燃烧行为观察和分析，补充其耐火性能变化的研究，以期所制的改性泡沫保温材料在韧性和不粉化性提高的同时兼有优异的耐火性能[1-6]。

1 实验部分

1.1 实验原料

选用制备出的几种改性较好的泡沫：纯酚醛泡沫（PF）、8份聚乙二醇1000改性酚醛泡沫（PPEG2）、聚乙二醇-1份玻璃纤维混合改性酚醛泡沫（PPEGGF2）、聚乙二醇-玻璃纤维-0.5份有机蒙脱土混合改性酚醛泡沫（PPEGGFOMT2）、8份聚氨酯改性酚醛泡沫（PPU2）、聚氨酯-1份玻璃纤维混合改性酚醛泡沫（PPUGF2）、聚氨酯-玻璃纤维-0.5份有机蒙脱土混合改性酚醛泡沫（PPUGFOMT2）。

1.2 实验设备与性能测试

1.2.1 烟密度测试

按照相关标准使用建材烟密度箱进行测试，测试样品制成25mm3×25mm3×6mm3尺寸规格，其原理是通过测量平行光束穿过试样燃烧产生烟雾的透过率的变化，从而计算出烟密度的大小，评估其烟密度等级。

1.2.2 锥形量热仪（Cone）测试

按照IS05660标准试验方法，在锥形量热仪（英国FTT公司生产）上测试，试样制成100mm3×100mm3×30mm3尺寸规格，试验时所用的辐射源温度为900℃。锥形量热仪以氧消耗原理，可测量材料在暴露在给定热辐射条件下的各种参数，包括着火时间（TTi）、热释放速率（HRR）、总释放热量（THR），质量损失速率（MLR）、比消光面积（SEA）、 烟生成速率（SPR）等。Cone得到的有些结果与大型火灾实验的结果有一定的相关性，被公认为能有效测试材料在模拟火灾燃烧条件下的燃烧性能，可以充分评价材料的火灾风险性[3-7]。

1.2.3 燃烧测试

本次改性酚醛泡沫保温材料的燃烧行为是在Cone中进行的，实验时将100mm3×100mm3×30mm3的改性酚醛泡沫水平放置于Cone的载物台上，在1000℃的辐射源作用下对其点火引燃，用摄像机实时记录改性酚醛泡沫的宏观燃烧过程，以此也可以大致衡量其耐火焰穿透性。

2 结果与讨论

2.1 增韧改性酚醛泡沫保温材料的烟密度

火灾中烟气是威胁人员生命安全的最主要因素，案例统计表明，因火灾所造成的人员伤亡中，80%以上是由于吸入有毒烟气引起窒息而死亡。建材烟密度箱是用来测量材料在热解或燃烧条件下烟释放程度的，其结果可以用来评估火灾危险性。烟密度箱主要由样品架、箱体、点火器、计时器和光电系统等部分组成。实验样品的尺寸为25.4mm3×25.4mm3×6.2mm3，样品表面要求平整且无毛刺，每组实验至少进行4次，结果取平均值。

从表1得知，酚醛泡沫发烟量非常小，最大烟密度只有6.31%，烟密度等级为0.89%，因为其苯酚结构是优异的自由基捕捉剂，可以捕捉材料高温分解时产生的自由基，中断链式热解反应，从而使得泡沫极难燃烧，所以其发烟量很小。聚乙二醇改性酚醛泡沫的烟密度有所提高，玻璃纤维和有机蒙脱土的添加，使得聚乙二醇混合体系改性泡沫燃烧时的烟密度有所降低，但比纯泡沫的要高。聚氨酯体系改性泡沫烟密度要稍微低于聚乙二醇体系改性的酚醛泡沫，但还是要略高于纯样。但改性的酚醛泡沫的烟密度值还是比较低，在火灾发生时，其释放的烟密度不足以对人生命财产构成危险，因此都在合理的范围内。

2.2 增韧改性酚醛泡沫保温材料的宏观燃烧行为

图1显示了聚乙二醇体系改性酚醛泡沫在1000℃下的宏观燃烧行为。纯酚醛泡沫在1000℃下放置，未开防火罩前已有一些烟气产生，表面迅速炭化变黑，点火1s后立即引燃，较为剧烈的燃烧并伴有较多烟气释放，燃烧只持续几秒钟的时间，大部分时间均处于小火的余燃状态，一直持续至180s完全熄灭，此后表面仍有烟气产生，350s时泡沫燃烧完全。聚乙二醇改性泡沫在点火1s后也迅速燃烧，火焰燃烧的比纯酚醛泡沫要剧烈，几秒后明火消失转至余燃，一直到160s完全消失，此后烟气不断挥发。加入玻璃纤维后，对于阻隔火焰发展和强度没有作用，但直到165s余燃才完全结束。有机蒙脱土的添加后，聚乙二醇混合体系改性泡沫的火焰强度有所减缓，但起始点燃时间和明火消失时间没有变化，直至169s余燃才结束，总燃烧时间延长了。

表1 增韧改性酚醛泡沫的烟密度数据

图1 纯酚醛泡沫（左上），8份聚乙二醇改性酚醛泡沫（右上），聚乙二醇-玻璃纤维混合改性酚醛泡沫（左下），聚乙二醇-玻璃纤维-有机蒙脱土混合改性酚醛泡沫PF（右下）在1000℃下的燃烧行为

通过比较材料燃烧后的碳渣，可以推测材料在燃烧时的火蔓延以及火焰强度的情况，有助于研究添加剂对火焰阻隔作用的机制。对比图 2得出，酚醛泡沫虽然耐火性很好，但在1000℃的高温下也较快燃烧完毕，最后只极少量残渣剩余（4.3%），说明其耐火穿透性并不好。聚乙二醇改性泡沫剩余的残渣更少（3.3%），这是因为聚乙二醇本身成碳性很差。玻璃纤维虽然对阻止火焰发展、强度没有明显作用，但最终残重却有所提高（7.2%），但碳渣要比纯的要黑，说明其在燃烧时炭化程度更好。至于聚乙二醇混合体系改性泡沫，有机蒙脱土的加入不仅对减缓火灾发展有所帮助，最终的残重也提高到11.5%，其基本形状保持完好，但表面有较大的裂痕。有机蒙脱土的片层阻隔作用在燃烧时促进泡沫成炭，但不够致密，因此对火焰的阻隔程度不大。

图2 纯酚醛泡沫（左上），8份聚乙二醇改性酚醛泡沫（右上），聚乙二醇-玻璃纤维混合改性酚醛泡沫（左下），聚乙二醇-玻璃纤维-有机蒙脱土混合改性酚醛泡沫PF（右下）在900℃下燃烧后所剩碳渣的照片

图3记录了聚氨酯体系改性酚醛泡沫在1000℃下的燃烧行为。跟纯酚醛泡沫相比，聚氨酯改性酚醛泡沫在开罩点火2s后被引燃，泡沫较为剧烈的燃烧并放出较多的烟气，几秒钟后即转为小火余燃，一直持续至172s才完全熄灭，而后表面仍有烟气产生，到350s时泡沫燃烧完全没有烟气生成。玻璃纤维的添加对于减缓火焰发展和强度没有明显作用。至于聚氨酯混合体系改性泡沫，有机蒙脱土的加入使泡沫的引燃时间延长至3s，并且减缓了泡沫燃烧时的火焰强度，直至176s余燃才结束，到350s时燃烧完全结束。

图3 纯酚醛泡沫（左上），8份聚氨酯改性酚醛泡沫（右上），聚氨酯-玻璃纤维混合改性酚醛泡沫（左下），聚氨酯-玻璃纤维-有机蒙脱土混合改性酚醛泡沫PF（右下）在1000℃下燃烧行为

通过对比图4看出，柔性聚氨酯虽然耐火性较差，对阻隔泡沫火灾蔓延的作用不大，最终的残炭量也不高（3.9%），但相比聚乙二醇而言，碳化程度要稍高些。添加玻璃纤维使得泡沫最终残重提高到8.4%。有机蒙脱土的添加使得最终的残重也大大提高到了13.5%，和聚乙二醇体系的相比，其表面更为致密，这说明有机蒙脱土在燃烧时对聚氨酯改性的泡沫成炭性较好。因此聚氨酯混合体系改性对泡沫燃烧时火焰的阻隔程度较好。

图4 纯酚醛泡沫（左上），8份聚氨酯改性酚醛泡沫（右上），聚氨酯-玻璃纤维混合改性酚醛泡沫（左下），聚氨酯-玻璃纤维-有机蒙脱土混合改性酚醛泡沫PF（右下）在1000℃下燃烧后所剩碳渣的照片

3 结论

（1）从烟密度测试可知，聚乙二醇和聚氨酯混合体系改性酚醛泡沫的烟密度等级都比纯的要高，分别为2.03%和1.05%。

（2）改性酚醛泡沫的烟密度值还是比较低，都在合理的范围内。

（3）酚醛泡沫虽然耐火性很好，但在900℃的高温下也较快燃烧完毕，最后只极少量残渣剩余（4.3%）。聚乙二醇混合体系对阻止火焰发展、强度没有明显作用，但最终残重却有所提高（12.5%），碳渣表面有较大的裂痕。

（4）聚氨酯混合体系改性泡沫直至3s才被引燃，火焰强度有所降低，最终的残重也大大提高到13.5%，碳渣表面更为致密。