软质聚氨酯泡沫塑料自燃原因及预防措施

软质聚氨酯泡沫塑料自燃原因及预防措施软质聚氨酯泡沫塑料是一种新型高分子材料，分子量为2000～4000，密度为16～192kgPm3。它是用甲苯二异氰酸酯(简称TDI)与聚醚多元醇缩聚反应而合成，全称是聚胺基甲酯，俗称海绵。由于其密度小，弹性好，隔音防震，乘坐安全舒适，成型施工方便、价格便宜特点，因此，它的应用范围十分广泛，特别在家具、床具、运输、冷藏、建筑、绝热等行业使用十分普遍，已经成为不可缺少的材料之一。软质聚氨酯泡沫塑料是由二元或多元羟基化合物聚合而成的高分子化合物，在生产过程中多为放热反应，很容易产生自燃引起火灾，并在燃烧过程中能放出一氧化碳、氰化物、甲醛等有毒气体，易造成人员伤亡。但是，由于人们缺乏了解、掌握软质聚氨酯泡沫塑料在成型过程中的危险特性及其预防措施，近年来，在我国许多地区曾发生过屡似多次的重大火灾案例，给人民生命财产造成了重大的损失，教训十分深刻。2软质聚氨酯泡沫塑料自燃原因软质聚氨酯泡沫塑料是通过化学反应而生成的。反应基于两个主要化学组分聚醚多元醇和异氰酸酯，同时加入其它组分，包括水、一氟三氯甲烷、泡沫稳定剂、催化剂，这些物料在瞬间剧烈高速混合、反应，同时形成泡沫，这个过程放出大量热量。泡沫塑料是一种多孔性材料，比表面积很大，泡沫边缘部分热量尚可发散出去，而中心部分的热量，由于泡沫保温效果较好，则较难移出，在正常反应中，它们放出的热量使泡沫块中心升到一定温度而达到熟化的目的。然而，当原料不纯、含水量高，配方设计不合理，投料量不准确，在配料过程中，多加了水或活性催化剂，配比失调，或者搅拌不均等都会导致温度急剧升高而发生自燃。其次，软质聚氨酯泡沫塑料在熟化过程中，由于尚未完全反应的物料仍在继续放热，倘若车间内没有一定的排风装置，通风不良，会使泡沫塑料聚热不散，产生自燃。别外，成型的软质聚氨酯泡沫塑料摆放相互紧贴，没有距离，也会散热不良，容易造成泡沫块中心焦化，甚至酿成火灾。由于受上述某些因素的影响，软质聚氨酯泡沫塑料的热量逐渐积蓄，泡沫中心温度逐渐上升。经测定，发泡后2～6小时可升至140～160℃，有时甚至更高，约180℃。如果温度再继续升高，即会发生冒烟等现象，这表明此时泡沫开始发生较剧烈的分解，若不采取措施则会自燃。通常认为，泡沫中心温度不宜超过160℃，否则，泡沫会变黄，俗称“黄心”，或呈棕色，即“焦化”现象，温度超过175℃时，应特别加强警戒。总之，反应热的积蓄，使高分子材料分解，这是引起软质聚氨酯泡沫塑料自燃的根本原因。3影响软质聚氨酯泡沫塑料自燃的因素3.1聚醚多元醇目前，块料泡沫生产中所用的多元醇，几乎全部都是聚醚多元醇，聚醚多元醇在软质聚氨酯泡沫原料中所占比重最大，对泡沫自燃有很大的影响，不同品种聚醚多元醇即使表观质量如羟值、酸度、色泽、不饱和度、粘度等几乎相等，但内在质量可能差别很大。具体表现在以下几个方面：(1)热稳定性聚醚多元醇的热稳定性将直接影响软质聚氨酯泡沫塑料的热稳定性，世界上一些主要生产厂在聚醚多元醇出厂前，都已配入抗氧剂，以提高热稳定性，聚醚多元醇的热稳定性可以用起始氧化温度表征，不同品种的聚醚多元醇，在羟值相等或接近时，起始氧化温度差距可能较大。从下表可见三种聚醚多元醇的起始氧化温度差达50℃。表1聚醚多元醇的起始氧化温度序号羟值P(mgKOH.g-1)起始氧化温度P℃15621025660346170泡沫的起始氧化温度与聚醚多元醇的起始氧化温度有关，后者高，前者也高，加入抗氧剂不但能提高聚醚多元醇的起始氧化温度，也能提高所生成泡沫的氧化温度。(2)低沸物等杂质含量聚醚多元醇中低沸物等杂质含量是一项重要指标，聚醚多元醇中低沸物及碱金属离子的含量高，在生产泡沫过程中，少量游离环氧丙烷与TDI发生开环反应，因小环张力消失，而产物中发生大π键共轭和超共轭反应，产物能量降低，反应热明显比羟基类活泼氢化合物与TDI反应的热量要大。众所周知钾、钠离子对聚氨酯生成过程中某些化学反应(如缩二脲及脲基甲酸酯的生成)有强烈的催化作用，金属离子含量过高会加速后熟化反应，使反应热更为集中，而泡沫导热系数低，绝热性能好，热量不易散出，以致泡沫块中心温度骤然升高。大分子链热裂解而产生大量的游离基，引发链式反应，再加上聚醚多元醇中醛类化合物的作用，使链式反应不能终止而愈演愈烈，造成局部发黄、焦化直至分解产生大量可燃气体，在达到着火点时与空气接触发生自燃着火。3.2TDI指数发泡过程中TDI指数可以在一定范围内选择，TDI指数高则泡沫硬度高，但从生产安全角度考虑，TDI指数不能过高，若TDI过量，则过量的未反应TDI会与氨基甲酸酯基团中N原子上的H反应，生成脲基甲酸酯，同时脲基中N原子上的H还会与过量的TDI反应，生成缩二脲，这样导致放热延至数小时之久，使泡沫中心温度长期过高而引起焦化，甚至自燃着火。大部分生产厂认为指数以103%～108%为宜，也有人认为，高达112%～114%时，只要在发泡时精心操作，未必不安全。总之，TDI指数会影响泡沫的焦化程度，但它不是一个独立的因素，必须结合其它一些条件综合考虑。3.3水用量软质聚氨酯泡沫塑料的主要发泡剂是二氧化碳，它是由水和异氰酸酯反应而生成的，反应热为104.6～125.5JPmoL，曾对不同用水量软质聚氨酯泡沫塑料的中心温度作过估计，估算结果为:配方中水量为5时(以聚醚多元醇为100，下同)，泡沫中心温度为162℃，当水量为6.5时，则为184℃，曾有一工厂做过自燃失火试验，该厂采用高水量混合发泡剂，水量为6.2分，一氟三氯甲烷为15分，泡沫体积为1×1×1.5m。多次实验证明，自燃率为20%，由此可见，高水量配方，自燃可能性较大，但据报道，目前已开发出一种新型生产软质块状塑料用设备，允许采用极高水含量的配方，这种配方免去或极大减少了对助发泡剂的要求，该体系可使块状泡沫塑料迅速冷却，防止了可导致泡沫塑料降解的高发热。3.4温度及催化剂浓度研究发现，料温、环境温度较高或催化剂浓度较大时，软质聚氨酯泡沫塑料较易焦化，甚至自燃，并发现，夏季气温较高，原料温度为38℃，用水量为5.5时，泡沫会发生自燃，所以夏季天气炎热，热量不易散发，要注意防止泡沫自燃，特别在用水量较高时，更应注意防止发生事故。3.5泡沫块厚度聚合反应是强烈放热反应，一般聚合反应热在发泡过程中放出，大多数软质聚氨酯泡沫塑料在约10s内开始发泡。但是由于聚氨酯泡沫塑料的导热系数很小(λ0.04wPm•k)，热量不易散出，特别是生产厚制品(δ1.0m)时，泡沫块的中心温度高达140℃甚至更高，在完成泡沫膨胀以后，达到最高温度，若在配方中出现差错时，温度可能更高，在熟化过程中，导致泡沫块内部烧焦和自燃着火。3.6搅拌均匀程度搅拌器的结构型式及转速关系到多种物料在短时间内能否充分搅拌混合均匀，如果搅拌不好，将对泡沫塑料结构产生影响，使泡沫体表面出现大量气泡，产生开裂等缺陷，而且会造成反应体系内TDI局部过浓，促使局部聚合反应激烈，放热量集中，温度升高，以致着火自燃。4软质聚氨酯泡沫塑料自燃的对策预防措施4.1把好原料质量关不同的原料，其放热情况不一样，使用含水量高的聚醚，容易发热。因此，在选择原料时要把好质量关。特别是在更新原料时，先要进行小批量试验，并认真做好观察记录，在确认没有什么问题的情况下，再投入大批量生产。生产低密度产品时，尤需注意安全。在使用国产聚醚时，要注意消除低沸物，降低金属离子的含量，减少反应热，或者添加一定量的抗氧剂，以终止链式反应，避免自燃起火现象的发生。4.2把好配方配比关配方配比不当，容易发热，多加了活性催化剂或聚醚（脂）用量不足，尤其是羟基和异氰酸酯比例失调，或者搅拌不均，都会导致温度升高。因此，软质聚氨酯泡沫塑料的配方一经审定，不能随意变更，必须按规定要求配足配好所需原料。一是对计量器具要经常进行校验，确保计量准确；二是在配料过程中要形成监督机制，配备配料员和监督员，落实专人负责，增强其责任心。配料时，配料员和监督员要作好原始记录单上分别签名，做到有据可查，防止因配比失调而产生自燃。4.3把好值班监控关聚氨脂生产过程中要放出热量，尤其是软质聚氨酯泡沫塑料体积大，绝热性能好，能积聚热量，在熟化、固化时体内温度可达200℃，这时有一氧化碳和醇类低分子物质放出，在中心开始燃烧，一旦着火，蔓延很快。因此，在生产过程中要时刻注意温度变化，及时采取应急措施，尤其是熟化成型间是泡沫塑料产生自燃的主要场所，做好对熟化成型间的安全监控是预防泡沫塑料自燃的重要环节。为此，熟化成型间必须有专人值班，并加强观察和监测工作，注意泡沫塑料块温度的变化情况，发现有裂缝、变形、变色、倒塌或者冒黄烟等异常情况，立即采取冷却降温或将物料移出熟化成型间，单独放置于空旷场地上等措施。此外，熟化成型间的泡沫塑料块之间，应保持30㎝以上的间距，以利于通风散热。同时，要十分注意新发的泡沫塑料还有较高温度，要充分冷却后（一般要经过24小时）以后才能入库存放，以保安全。4.4把好厂房安全关建造软质聚氨酯泡沫塑料生产厂房，一定要进行合理布局，符合消防规范要求，经公安消防监督部门防火审核、消防验收合格后方可启用。发泡间、熟化成型间、切片间、仓库宜分开单独建造，相互之间的防火间距不应小于10-12m，如必须相连，应用防火墙或防火门隔开。软质聚氨酯泡沫塑料的预发、熟化成型间、切片间，要依据国家《建筑设计防火规范》设置自动喷淋灭火系统，厂房内外应设消火栓，还要配备一定数量的消防器材。同时，发泡、熟化成型间要装有良好的通风设施，屋顶上部要设有气流窗，墙体下部要设机械排风装置。此外，还要有防止雨水透入的设施，以防自然条件的生成。5结论软质聚氨酯泡沫塑料的生产虽然会放出热量，同时也会聚热不散发生自然，但是，人们只要对软质聚氨酯泡沫塑料生产特性、发生自然的原因以及影响自然的因素有一个充分的认识，从思想上引起足够的重视，在制度上、技术管理上、原料质量上、配料配比上、厂房设施上，真正落实严格的防范措施，软质聚氨酯泡沫塑料生产过程中的自然火灾事故是可以避免的。