聚氨酯發泡材料的阻燃改性與保溫性能研究進展

2024年3月31日發(作者：合肥市科技館)

聚氨酯發泡材料的阻燃改性與保溫性能

研究進展

Summary：聚氨酯泡沫材料具有良好的保溫性能，同時還具有耐磨、抗低溫以及

絕緣等特點，因此獲得了非常廣泛的發展，但是由于其阻燃效果較差，制約了

其進一步發展，因此研究人員對聚氨酯發泡材料阻燃改性進行了大量的研究，

基于此本文對聚氨酯發泡材料的阻燃改性與保溫性能研究進展進行了探討。

Keys：聚氨酯；發泡塑料；阻燃改性；保溫性能

1 聚氨酯材料的新能

聚氨酯材料時一種應用個非常廣泛的合成材料，其是通過多元異氰酸酯和

多元羥基化合物逐步反應加成而成的，在實際生產過程中，通過改變官能團的

數量和類型等方式，可以獲得不同形式和性能的聚氨酯材料。聚氨酯材料性能

非常出色，其具有耐磨、抗低溫、絕緣以及不易溶解等特點，同時其還具有發

泡性以及高彈性等。聚氨酯硬質泡沫體是一種應用廣泛的材料，其不僅質量

輕，而且導熱率低，具有良好的保穩性能和防水性能，這種材料的導熱系數為

0.018～0.023 W/( m·K)，在眾多保溫材料中其導熱系數是最低的，此外器在

吸水性、耐冷熱性能等方面都非常出色，具有較長的使用壽命，因此聚氨酯泡

沫常被應用于保溫墻體的使用中，但是聚氨酯泡沫作為保溫墻體材料時有一個

致命的缺陷，就是其非常容易燃燒，導致其防火性能比較差，這極大的限制了

其實際應用。相關報道表明，央視文化中心、北京大學體育館等地發生的火災

事故，起因都是聚氨酯泡沫材料被引燃導致的，造成了比較大的經濟損失和人

員傷亡，因此通過對聚氨酯材料進行改性，提高其阻燃性能獲得了人們廣泛的

關注。

為了提高聚氨酯塑料的阻燃能力，通常采用引入阻燃組分的方式來對其進

行改性，引入組分組分的方式主要有兩類，分別是結構型阻燃技術和添加型阻

燃技術，其中前者是通過添加異氰尿酸酯和碳化二亞胺等結構型阻燃劑來提高

聚氨酯材料的阻燃性能，后者則是加入添加型阻燃劑，這種阻燃劑通過分散到

聚氨酯泡沫中來阻止其進行燃燒。

2 聚氨酯泡沫材料所用阻燃劑的主要類別

為了提升聚氨酯泡沫材料的阻燃性能，會通過加入阻燃劑對其進行改性，

當前常用的阻燃劑類型有磷系阻燃劑、氮系阻燃劑、硼系阻燃劑、膨脹型阻燃

劑以及填充型阻燃劑等幾種，下面對這些方面的研究進展進行探討：

2.1 磷系阻燃劑

磷系阻燃劑主要有兩類，分別是無機型和有機型，其中前者主要包括紅磷

以及磷酸鹽等，后者則包括磷酸酯以及有機鹽等物質。當前，研究人員在磷系

阻燃劑方面進行了很多的研究，張立強等在聚氨酯發泡材料制作過程中加入了

蓖麻油基磷酸酯阻燃多元醇，有效地提高了聚氨酯材料的極限氧系數，使其達

到了23.8%

[3]

；Yanchuk等的研究顯示，通過在聚氨酯發泡材料的原料中加入乙

烯基二磷酸鹽類物質，從而有效地延長了聚氨酯材料的點火時間，而且隨著添

加量的增加而增加，再被點燃之后還能夠實現自熄

[4]

；錢立軍在聚氨酯材料的

原料中加入了反應型阻燃劑聚磷酸酯多元醇POP550，當這種阻燃劑加入量的質

量分數達到10%時，聚氨酯材料的極限氧系數可以達到23%

[5]

。

2.2 氮系阻燃劑

氮系阻燃劑以三聚氰胺以及其鹽類為主，包括氰尿酸鹽、雙氰胺鹽等。研

究人員對氮系阻燃劑也進行了比較多的研究。舉例來說，高明等制備了一種軟

質的聚氨酯材料，在其中添加了兩種氨基樹脂基阻燃劑，其研究結果顯示當阻

燃劑占到聚氨酯材料質量的30%時，該材料的極限氧系數可以達到27%左右，不

過相較于硬質聚氨酯材料，軟質聚氨酯材料的力學性能要差得多

[6]

；趙修文等

的研究顯示，通過在原料中加入含氮阻燃聚脲多元醇可以有效地提高聚氨酯材

料的阻燃性能，使其極限氧系數達到24.1%，同時還會使其發煙量極大的下降

[7]

。

2.3 硼系阻燃劑

硼系阻燃劑主要有兩類，分別是無機類和有機類。其中，硼酸鋅是應用最

為廣泛的無機硼系阻燃劑，通過在聚氨酯材料的原料中加入硼酸鋅，可以有效

地提高其阻燃性能，同時可以起到良好的抑煙的作用。硼酸鋅含有結晶水，當

其被加熱到300℃時期結晶水會被蒸發，這個過程會吸收大量的熱量，同時其

受熱會生成B

2

O

3

，這種物質呈現出玻璃狀薄膜的狀態，覆蓋在聚合物上，從而

將聚氨酯材料和氧氣、熱量等隔離開，從而起到良好的阻燃效果。Paciorek等

制備了一種含硼的多元醇有機物，將其作為反應型阻燃劑，制備了具有阻燃性

能的聚氨酯材料，這種聚氨酯材料相較于普通的聚氨酯材料，不僅阻燃性能得

到了有效的提升，同時其力學性能也的得到了提升，通過火焰測試，這種聚氨

酯材料能夠實現自熄，具有良好的阻燃性能

[8]

。

2.4 填料型阻燃劑

在眾多的阻燃劑中，填料型阻燃劑應用最為廣泛，用量最大，這主要使其

價格低廉，并且具有良好的穩定性，不過相較于其它的阻燃劑，阻燃效率比較

差。常用的填料型阻燃劑包括氫氧化鎂、氫氧化鋁和碳酸鈣等，其中鎂系和鋁

系阻燃劑不僅可以起到良好的阻燃劑，同時還有良好的抑煙功能。陶亞秋等分

別研究了氫氧化鋁、氫氧化鈉和尿素等三種物質對于硬質聚氨酯材料燃燒性能

的影響，研究結果發現加入尿素可以起到最好的阻燃效果，同時，其還對三者

復配的效果進行了研究，發現復配得到的阻燃效果明顯優于單獨使用

[9]

。氫氧化物阻燃劑存在一個明顯的缺陷，即粒徑并不均勻，因此在實際應

用中為了提高阻燃效果，通常會將其和其它阻燃劑復配使用，或者是對其進行

粒徑納米化來對其進行改進。

2.5 膨脹型阻燃劑

膨脹型阻燃劑通常包括脫水劑、成炭劑以及氣源等幾部分，通過加入這種

阻燃劑，在受熱后聚氨酯發泡材料表面會形成均勻的碳質泡沫層，這一碳質泡

沫層不僅具有隔熱、隔氧以及抑煙等功能，而且可以防止溶液產生，從而具有

良好的阻燃效果。當前，在膨脹型阻燃劑中，可膨脹石墨具有非常廣泛的應

用，這是由于其在具有較高的阻燃效率的同時，還具有無毒、低煙以及無溶滴

等方面的特點。如Bashirzadeh等對可膨脹石墨對聚氨酯材料阻燃性能的影