猴头核桃手串:聚氨酯泡沫塑料及其火灾危险性

聚氨酯泡沫塑料火灾危险性分析及其防火措施

聚氨酯泡沫塑料火灾危险性分析及其防火措施

　　　　　　　　　　　　

　　 

摘要　 聚氨酯泡沫塑料是一种高分子合成材料，应用范围十分广泛，但聚氨酯泡沫塑料在火灾时能放出使人窒息死亡的毒气，特别是近年来已在一些场所造成重大的人员伤亡事故。文章通过对聚氨酯泡沫塑料的燃烧过程及燃烧产物的毒性分析，探讨聚氨酯泡沫塑料的防火措施，并首次提出聚氨酯泡沫塑料在火灾初期对人体的伤害以及如何在一些场所有效、安全、合理地使用这一材料。



关键词  聚氨酯　  燃烧  火灾  毒性  阻燃  措施

The toxicity of  urethane foams fire hazards  and the fire-protection measures 

　  ZHAO  Zhi-an　 Lu Guang-bin  Lu Jian

(Hefei Fire Brigade,Hefei 230061,China)

Abstract： The  urethane foams is a kind of high molecular synthetic material and can be used widely.But being burned,it can get out the poison suffocatingly gas . Especially it lead to some  accidents with a lot of peoples death. The thesis research the technology of fire-protection for urethane foams by the combustion process of the urethane foams and the combustion products of it. The thesis  raise the combustion products of the urethane foams injury to people firstly,and the ways to use it effectively,safely and reasonably .

Key words: urethane foams；synthesis combustion；fire；toxicity； measure；





○　 引言

聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称。凡是在高分子主链上含有许多重复的-NH-CO-O-基因的高分子化合物通称为聚氨基甲酸酯。泡沫塑料是聚氨酯合成材料主要品种之一，它的主要特征是具有多孔性，因而相对密度小、比强度高。根据所用原料不同和配方不同，可制成软质、半硬质和硬质聚氨酯泡沫塑料等几种。

聚氨酯泡沫塑料（PUF）具有优良的物理机械性能，声学性能，电学性能和耐化学性能，尤其是硬质聚氨酯泡沫塑料热导率特别低，是一种优质的绝热保温保冷材料。再之聚氨酯泡沫塑料的成型施工极为方便、价格便宜，因此它的应用范围十分广泛，几乎渗透到国民经济各部门，特别在家具、床具、运输、冷藏、建筑、绝热等部门使用得十分普遍，已经成为不可缺少的材料之一。

聚氨酯泡沫塑料在着火时，能放出大量使人窒息的毒气，易造成众多人员伤亡。聚氨酯材料火灾危险性分析和防火措施一直是人们关注的焦点，本文着重分析聚氨酯泡沫塑料燃烧过程的化学机理及其燃烧产物的毒性，初步探讨聚氨酯泡沫塑料的防火措施，并首次从理论上提出这一材料在火灾初期阶段对人的伤害以及如何在一些公众聚集场所有效、安全、合理地使用这一材料，预防火灾事故的发生。

1、聚氨酯泡沫塑料燃烧过程及其化学机理。

生产聚氨酯泡沫塑料的原料主要是有机异氰酸酯、有机多元醇化合物和助剂。有机异氰酸酯是指在分子结构中含有异氰酸酯基因（-NCO）的有机化合物。即R-（NCO）n，其中R为烷基，芳基、脂环基等，n为1、2、3…整数，如：甲基二异氢酸酯（TDI）的分子式为

多苯基多次甲基多异氰酸酯（PAPI）的结构式为

由于这种有机异氰酸酯含有较多的不饱和基因-N=C=O，因此有机异氢酸酯是一种反应性极高的化合物；有机多元醇化合物是指有机化合物中含有二个以上羟基（-OH）的化合物。作为聚氨酯原料，则要求多元醇化合物分子中羟基数大于2；助剂包括催化剂、泡沫稳定剂、发泡剂、耐燃剂、各种抗热、抗氧稳定剂及填料等。它们在配方中用量不大，但对聚氨酯的性能影响却很大。

聚氨酯泡沫塑料燃烧过程和一般高分子物质的燃烧过程相似，大体可分为五个阶段：热量积蓄、热分解或降解与挥发、着火、热传递、蔓延。[1]

　　　　　　　  →不可燃气体

泡沫塑料 + 热— →可燃气体 + 氧化剂

　　　　　　　　　　　　　　　　  着火　　 火焰

　　　　　　　 →残渣或炭 + 氧化剂



聚氨酯泡沫塑料与外来热源接触，使其热量增加。由于聚氨酯塑料的热绝缘性比较好，这就容易使它的温度迅速升高，在达到分解温度时塑料发生分解或降解与挥发，产生可燃性气体。这些气体与空气中的氧气发生化学反应，达到比较激烈的程度，造成燃烧。燃烧过程中产生的热量传递给邻近的聚氨酯泡沫塑料，使之重复上面的过程，从而促使聚氨酯泡沫塑料分解，这样循环下去，直到泡沫塑料燃尽。

聚氨酯泡沫塑料燃烧不仅与燃烧条件（温度，空气供应量等）有关，而且聚氨酯泡沫塑料本身的结构不同，将会有不同的燃烧产物。对于硬质聚氨酯泡沫塑料，主要是由多元醇和多异氰酸酯反应而成，以氨基甲酸酯基为主体；而软质聚氨酯泡沫体，当采用水作为发泡剂时，在聚合物中存在有大量的脲基，因此，在聚氨酯泡沫塑料的燃烧中，其热分解主要有四种反应：

（1） 分子断裂为异氰酸酯和醇

RNHCOOR′→RNCO+R′OH

（2） 生成伯胺、烯烃和二氧化碳

RNHCOOCH2CH2R′→RNH2+CH2= CHR′+ CO2

（3） 生成仲胺和二氧化碳

RNHCOOR′→RNHR′+ CO2

（4） 脲分解为异氰酸酯和伯胺

RNHCONHR′→RNCO+ R′NH2

这些热分解反应的起始温度也随置换基的多少而异，通常在200℃左右就开始逸出挥发物，稍高一些的温度就有异氰酸酯、多元醇、氨和二氧化碳气体等分解出来，这些分解产物，与足够量的氧气相混合，就可能会发生燃烧或进一步分解。

2、聚氨酯泡沫塑料的火灾危险性。

由于聚氨酯泡沫塑料在加工过程中添加了各种助剂包括阻燃剂等，因此聚氨酯泡沫塑料在燃烧时多为不完全燃烧，这种不完全燃烧在火灾中表现为很浓很黑的烟气，这种浓烟含有大量的C0、CO2、HCHO、HCN等有毒性气体。这些有毒气体的释放速率和总量不仅与聚氨酯泡沫塑料是否阻燃有关，而且还与聚氨酯泡沫塑料的燃烧温度有直接的关系。

以块状聚氨酯软泡和阻燃的块状聚氨酯软泡的燃烧产物进行对比，阻燃的块状聚氨酯软泡的有毒气体释放速率和总量要比不阻燃的块状聚氨酯软泡释放的有毒气体要大得多。[2]（P870）如下表所示：









表1：　 块状软泡的燃烧产物



燃烧产物　　　　 释放总量　　　　　　 最大速率　  达到最大值的

　　　　　　　  3min 后　 5min后 10min 后  单位  min.m2  时间,S

  CO，g　　 6.7　 7.8　 7.9　  4.7　　　　  90

  CO2，g　  1110  1115  1120  1500　　　　 43

  COх，mg  4950  4970  4990  8150　　　　 26

HCN，mg  710　 715　 720　 1960　　　  25

　　　　 

　　　　 

表2:　  阻燃块状软泡的燃烧产物



燃烧产物　　　 释放总量　　 m2　　　 最大速率　　 达到最大值的

　　　　　　　  3min后 5min后 10min后  单位  min.m2  时间,S

  CO，g　　 31.8  40　 42.2　 21.2　　　　 91

  CO2，g　  1050 1060  1070　 1990　　　  49

  NOх，mg  9990 10100 10200　 15100　　　 45

HCN，mg  3750 3770  3790　 6670　　　  18

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

聚氨酯泡沫塑料的燃烧温度与有毒气体的发生量有直接的关系,以硬质PAPI系泡沫体为例,HCN发生量最高温度约为500℃，在这温度以上，由于HCN将着火燃烧，就会使HCN气体发生量降低，反之，当温度低于500℃左右时，HCN的发生量就随温度的上升而增加[2]（P869）。如图所示。

　　　　　

　 因此聚氨酯泡沫塑料虽然在火灾初期，火场温度并不高，但是它所释放的有毒气体就足以使身处火灾中的人员还不知道是怎么一回事或者还没等消防人员到场施救时就已经中毒死亡了。而且90%以上都是中毒窒息而亡。这类火灾案例国内已发生多起，其现状惨不忍睹。现在我们就以 2000年12月25日发生在河南省洛阳市东都商厦火灾为例，来介绍聚氨酯泡沫塑料的燃烧产物的毒性。

从东都商厦的灾后情况来看，其被烧毁部分主要集中在负二层家具城，而导致死亡309人主要原因正是由于聚氨酯泡沫塑料的燃烧。从最主要的过火区域负二层燃烧的主要可燃材料来看，聚氨酯（软包，海绵）占了很大的比重，当它们开始燃烧后，分解出与加热温度相应的热分解产物，主要是二氧化碳、一氧化碳、氰化氢、甲醛等毒性气体。这些有毒气体很快进入该商厦四楼，正在营业的歌舞厅里的那些年轻人正在进行平安夜狂欢，有许多年轻人在还不知道发生什么事情的情况下就已经窒息死亡了。这里仅以氰化氢、一氧化碳对人体的作用来讨论聚氨酯泡沫塑料的火灾危险性。

HCN是一种毒性作用极快的物质，它可以使人体缺氧，抑制人体中酶的生成，阻止正常的细胞代谢。当人体血液中每毫升含氰化物一微克就足以显示出氰化物的巨大毒性,当血液中氰化物达到3mg / m1以上时可致人于死亡。表3给出了氰化氢浓度与中毒症状。[3]





表3  氰化氢浓度与中毒症状

  HCN浓度　　　　　　　　　　  症　　　 状

(ppm)　　　　　　 

18∽36　　　　　　 数小时后出现轻度症状

45∽54　　　　　　 0.5∽1小时无大的损害

110∽125　　　　　 0.5∽1小时有生命危险或致死

135　　　　　　  30分钟致死

181　　　　　　  10分钟致死

270　　　　　　  立即死亡

一氧化碳是火灾中致人于死亡的主要原因，CO通过肺被血液吸收，由于血红蛋白对CO的亲合力大于对O2的亲合力，从而使血液中氧含量降低致使供氧不足。在表4中给出了不同CO浓度对人的作用….表中给出的CO作用仅是考虑单一成份对人体的影响情况，而实际火灾中的情况远比之复杂，其毒性作用情况有待于进一步的研究。[3]

表4　  CO对人体的作用

  HO浓度　　　　　 作　　 用　　　　　　　　　　  血液中 

(PPm)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 COHb%

50∽100　　　 允许暴露8小时　　　　　　　　　　　 ―

400∽500　　 1小时内，人体无明显反应　　  ―

600∽700　　  1小时后刚引起明显作用的浓度　　　　 ―

1000∽1200　  1小时时刻人体感觉不适但无危险　　　 ― 

1500∽2000　  暴露1小时时的危险浓度　　　　　　  35

4000　　　  人在1小时内死亡　　　　　　　　　  50+

10000　　　 人在1分钟内死亡

实际上，聚氨酯泡沫塑料在燃烧过程中还产生大量的烟尘，这些烟尘被人体吸入后会直接引起呼吸道的机械阻塞，使人体肺部有效呼吸面积减少，再加上火灾中热辐射及火焰对人体的灼伤,人们的恐慌心理以及多种有害气体对人体的综合作用，缺氧等因素，导致人群在火灾中死亡就不可避免了。可见，一旦发生火灾，人群必须在相当短的时间内，在燃烧产物浓度还未达到足以致人死亡时逃出，否则后果不堪设想。

3、聚氨酯泡沫塑料的防火措施。

近三十年来，聚氨酯泡沫塑料的应用已经渗透到包括工业、交通、军事、民用生活等各个方面。所以，聚氨酯材料的安全性尤其是燃烧性已经成为一个不可忽视的问题。聚氨酯泡沫塑料防火措施主要包括阻燃、抑烟及运用三个方面。

（1） 聚氨酯泡沫塑料的阻燃。  聚氨酯泡沫塑料阻燃的具体要求是：不易着火；火焰传播性小；发烟量小；燃烧时生成的有害气体少。聚氨酯泡沫塑料阻燃方法主要有四种：

　　 a、反应型阻燃剂（又称结构型阻燃剂）。在聚氨酯泡沫塑料原料中，引入具有阻燃作用含磷、卤素等阻燃性元素的多元醇。由于参与化学反应，这些元素被引入聚合物分子的骨架上，因而使泡沫塑料阻燃作用持久。

b、添加型阻燃剂。在生产聚氨酯泡沫塑料的原料中，添加不具有反应活性的但具有阻燃作用的物质。发泡成型后，阻燃性的物质分散在泡沫塑料中，达到阻燃的目的，这是应用得最早、最简便而又经济的方法。添加型阻燃可分为有机添加型阻燃剂和无机添加型阻燃剂。有机添加型阻燃剂主要有三（B--氯乙基）磷酸酯、氯化石蜡等，无机添加型阻燃剂主要有氧化锑、氢氧化铝、磷酸氨、硼酸盐等。

c、浸渍法。把 聚氨酯泡沫塑料浸于含阻燃剂的液体中，然后取出泡沫塑料，将其干燥。这种方法适用于开孔率较高的泡沫塑料。

d、防火涂层法。在 聚氨酯泡沫塑料的外层,另加一层防火涂层。

   （2）聚氨酯泡沫塑料的抑烟技术： 聚氨酯泡沫塑料的不完全燃烧以及大量采用聚氨酯的阻燃技术和工艺而降低聚氨酯的燃烧速度，因此 聚氨酯泡沫塑料在燃烧过程中往往产生大量有毒的黑烟。严重妨碍了火场上人员逃生时的视线。为降低聚氨酯泡沫塑料燃烧时的烟气浓度，现在主要采用化学抑烟技术来增强抑烟作用。化学抑烟技术主要是采用氢氧化铝、碳酸钙等具有抑烟作用化合物。氢氧化铝分解时吸热，同时放出水蒸汽，可与烟雾中碳粒发生反应而吸热，从而有效地降低气相温度，降低燃烧速度和烟量。

另外二茂铁与糠醛类化合物以及有机酸中的富马酸、马来酸、间苯二甲酸等均具有明显的抑烟作用，以有机硅共聚醚为原料的 聚氨酯泡沫塑料，其烟密度远低于含磷多元醇制得的聚氨酯泡沫塑料。

  （3）聚氨酯泡沫塑料的运用。聚氨酯泡沫塑料的氧指数为16.5，经过阻燃的聚氨酯泡沫塑料的氧指数为26[4] ，因此，即使经过阻燃过的聚氨酯泡沫塑料也应是可燃材料（B2级），[5]，一般要求，聚氨酯泡沫塑料不能当作单（多）层民用建筑、高层民用建筑、地下民用建筑、工业厂房中的顶棚、墙面、地面和隔断材料使用，当顶棚或墙面表面局部必须采用多孔或聚氨酯泡沫塑料时，其厚度不应大于15mm，面积不得超过该房间顶棚或墙面的10%，绝对禁止当作各类疏散楼梯间、建筑内部的变形缝、各类建筑安全出口或门厅的材料使用，更不能穿越防火墙或防火分区。由于聚氨酯泡沫塑料通常在200℃∽250℃时就开始逸出挥发物，开始进行热分解反应，它的闪点和自燃点分别为310℃和415℃，因此，聚氨酯泡沫塑料不得用于厨房装修，不能用作灯饰材料，更不能靠近照明灯具的高温部位，不得用作防烟分区的挡烟垂壁，更不能当作敷设各类电线的穿管材料使用。

　 聚氨酯泡沫塑料适用于各类建筑中的普通家俱以及可当作壁挂、雕塑、模型使用，但不应靠近火源或热源。可广泛用于设备工业致冷方面作为绝热保温、保冷材料使用。

4、结论

　聚氨酯泡沫塑料毕竟是一种有机高分子可燃材料，要求它在火灾中不燃烧是不可能的。而且聚氨酯泡沫塑料在燃烧初始阶段它的烟气有毒性。往往能造成群死群伤的火灾。

  尽管这种材料具有广泛的用途，但是由于它燃烧产物毒性强、发烟量大，燃点低，因此，使用这种材料有着很大的局限性。即使使用也应尽量选择经过阻燃、 抑烟的聚氨酯泡沫塑料。

在含有聚氨酯泡沫塑料的场所要加强对使用明火的管理，严禁将聚氨酯泡沫塑料靠近在有火源或热源的地方，严防火灾事故的发生。