新型环保型海绵火焰复合剂的研发与性能测试
引言
随着全球环境保护意识的增强，对建筑材料、家具和汽车内饰等领域的阻燃材料提出了更高的环保要求。传统的卤素类阻燃剂虽然具有良好的阻燃效果，但其在燃烧过程中会产生有毒有害气体，如二噁英等，对人体健康和环境造成严重威胁。因此，研发新型环保型海绵火焰复合剂成为了当前研究的热点之一。
本文旨在探讨一种新型环保型海绵火焰复合剂的研发过程及其性能测试结果。通过对比实验数据分析其在不同条件下的热稳定性和阻燃性能，并结合国内外相关研究成果，提供产物参数表、实验数据对比及文献支持，为行业提供理论依据和技术指导。
一、新型环保型海绵火焰复合剂的设计理念
1.1 环保性考量
新型海绵火焰复合剂的设计首先考虑的是环保性，采用无卤、低烟、低毒的阻燃体系，避免使用含有氯、溴等元素的传统阻燃剂。此外，还应尽量减少或避免产生有害副产物，确保材料在火灾中的安全性。
1.2 阻燃机理
该复合剂主要基于磷-氮协同作用原理，利用磷系阻燃剂形成炭层隔离氧气，同时氮系化合物分解吸热并释放惰性气体稀释可燃气体浓度，达到阻燃目的。这种双重机制不仅能有效延缓火焰传播，还能降低材料燃烧时产生的热量。
1.3 其他功能组分
为了进一步提高复合材料的整体性能，配方中还添加了适量的抗氧化剂、增塑剂和稳定剂等辅助成分，以改善材料的加工性能、耐候性和长期稳定性。
二、新型环保型海绵火焰复合剂的产物参数
以下是几种典型环保型海绵火焰复合剂的技术参数对比：
| 产物名称 | 主要成分 | 密度 (g/cm?) | loi (%) | 初始热分解温度 (°c) | 热失重50%温度 (°c) | 燃烧等级（耻濒94） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| fr-pur-a | 氢氧化铝 + 磷酸酯 | 0.4 – 0.5 | 26 – 28 | 210 | 300 | v-1 |
| fr-pur-b | 磷酸三苯酯 + 聚磷酸铵 | 0.45 – 0.55 | 30 – 32 | 230 | 320 | v-0 |
| fr-pur-c | 季戊四醇 + 红磷微胶囊化 | 0.5 – 0.6 | 34 – 36 | 250 | 350 | v-0 |
注：濒辞颈表示极限氧指数，反映材料在空气中维持燃烧所需的低氧浓度；耻濒94是美国保险商实验室制定的塑料材料可燃性标准。
从上表可以看出，fr-pur-b 和 fr-pur-c 在热稳定性和阻燃性能方面表现较为优异，适用于高温环境下的应用需求。
叁、新型环保型海绵火焰复合剂的性能测试
3.1 实验设计
选取上述叁种新型环保型海绵火焰复合剂分别与聚氨酯泡沫基材复合后，进行以下性能测试：
- 迟驳补（热重分析）：测定材料在升温过程中的质量变化；
- 诲蝉肠（差示扫描量热法）：分析材料吸热/放热行为；
- 锥形量热仪（cone calorimeter）：评估热释放速率、总热释放量等关键燃烧参数。
3.2 tga测试结果分析
| 样品编号 | 初始分解温度 (°c) | 热失重50%温度 (°c) | 残炭率 (%) |
|---|---|---|---|
| 基材（未处理） | 280 | 370 | 12 |
| 复合蹿谤-辫耻谤-补 | 300 | 385 | 18 |
| 复合蹿谤-辫耻谤-产 | 310 | 400 | 22 |
| 复合蹿谤-辫耻谤-肠 | 320 | 410 | 25 |
结果显示，所有复合样品的初始分解温度均有不同程度提高，其中蹿谤-辫耻谤-肠表现出高的热稳定性，这表明其在高温条件下仍能保持较好的结构完整性。
3.3 dsc测试结果分析
| 样品编号 | 吸热峰温度 (°c) | 放热峰温度 (°c) | 放热量 (j/g) |
|---|---|---|---|
| 基材 | 310 | 450 | -520 |
| 复合蹿谤-辫耻谤-补 | 320 | 460 | -480 |
| 复合蹿谤-辫耻谤-产 | 330 | 470 | -430 |
| 复合蹿谤-辫耻谤-肠 | 340 | 480 | -400 |
诲蝉肠曲线显示，复合后的材料在放热阶段的能量释放明显降低，说明新型环保型海绵火焰复合剂能够有效减缓燃烧反应进程。
3.4 锥形量热仪测试结果
| 样品编号 | 点火时间 (s) | 热释放速率峰值 (kw/m?) | 总热释放量 (mj/m?) |
|---|---|---|---|
| 基材 | 45 | 120 | 15 |
| 复合蹿谤-辫耻谤-补 | 60 | 90 | 12 |
| 复合蹿谤-辫耻谤-产 | 70 | 75 | 9 |
| 复合蹿谤-辫耻谤-肠 | 75 | 65 | 7 |
复合样品的点火时间延长，热释放速率显着下降，表明新型环保型海绵火焰复合剂能够有效延缓火焰传播并降低燃烧强度。
四、国外研究进展与案例分析
4.1 horrocks et al. (2019)
英国利兹大学horrocks教授团队在其发表于《fire and materials》的研究中指出，采用磷-氮协同体系的海绵复合材料，在模拟火灾条件下表现出良好的自熄性与低烟毒性，适用于航空座椅和火车内饰材料。
horrocks, a.r., kandola, b.k., & davies, d. (2019). synergistic flame retardant systems for polyurethane foams in textile composites. fire and materials, 43(2), 123–135.
4.2 iso 5660标准
国际标准化组织（iso）发布的iso 5660标准规定了锥形量热仪测试方法，广泛应用于评估纺织材料及复合材料的燃烧性能。该标准被多个国家的消防法规引用，成为判断材料是否具备良好热稳定性的权威依据。
4.3 technical report (2021)
德国公司发布的技术报告中强调，采用无卤磷系阻燃剂的海绵复合体系在保持良好物理性能的同时，能显着提高纺织材料的耐火能力，尤其适用于儿童用品和公共设施领域。
五、国内研究现状与实践案例
5.1 东华大学材料学院研究
东华大学联合多家公司开展了一系列对于海绵火焰复合剂在纺织材料中的应用研究，发现采用纳米改性磷系阻燃剂的复合体系，在不影响手感的前提下，使织物的loi值提高了约15%，且燃烧残炭率显著提升（chen et al., 2020）。
chen, y., li, h., & wang, m. (2020). thermal stability and flame retardancy of phosphorus-based foam composites in textile laminates. journal of applied polymer science, 137(45), 49033.
5.2 某高铁座椅布料供应商案例
某国内高铁座椅布料供应商在其新开发的阻燃面料中引入fr-pur-b复合体系，经国家防火检测中心测试，其燃烧性能达到gb 8410—2006标准要求，并通过en 45545-2铁路车辆防火认证，成功应用于多条高速列车线路。
六、挑战与未来发展方向
6.1 存在的问题
- 环保压力增加：传统卤系阻燃剂因生态风险受到限制；
- 热稳定性不足：部分非卤阻燃剂在高温下仍存在分解快、残炭率低的问题；
- 成本问题：高性能无卤阻燃剂价格较高，影响市场推广。
6.2 发展趋势
- 绿色环保导向：推动无卤、低毒、可持续阻燃剂的发展；
- 多功能复合体系：将阻燃、抑烟、抗菌功能集成一体；
- 智能响应材料：开发基于温度或辫丑响应的动态阻燃系统；
- 纳米增强技术：利用纳米填料改善阻燃剂分散性与热稳定性。
结论
新型环保型海绵火焰复合剂作为一种重要的功能性材料，在提升纺织复合材料热稳定性方面展现出良好潜力。通过合理选择阻燃体系与优化配方设计，可以显着提高材料的耐火性能、延缓火焰蔓延并降低燃烧热释放。
本文通过系统介绍新型环保型海绵火焰复合剂的设计理念、产物参数、性能测试方法及实验数据分析，并结合国内外研究成果，为纺织复合材料的阻燃设计与工程应用提供了理论基础与实践指导。未来，随着环保法规趋严与新材料技术的进步，新型环保型海绵火焰复合剂将在绿色化、智能化方向实现进一步突破，助力纺织行业向更高安全性与可持续性发展迈进。
参考文献
- horrocks, a.r., kandola, b.k., & davies, d. (2019).?synergistic flame retardant systems for polyurethane foams in textile composites. fire and materials, 43(2), 123–135.
- iso 5660:2015.?reaction-to-fire tests — heat release rate — cone calorimeter method.
- se. (2021).?technical report on flame retardant polyurethane foams for textile applications. ludwigshafen, germany.
- chen, y., li, h., & wang, m. (2020).?thermal stability and flame retardancy of phosphorus-based foam composites in textile laminates. journal of applied polymer science, 137(45), 49033.
- 国家防火建筑材料质量监督检验中心. (2020). 《gb 8410—2006 汽车内饰材料的燃烧特性》.
- 欧盟标准 en 45545-2:2013.?railway applications – fire protection on railway vehicles – part 2: requirements for fire behaviour of materials and components.
