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东莞一实验室火灾!吸音材料惹祸?浅谈如何选择正确的吸音材料

家居与资讯 要闻2020-10-21 13:33

9月25日15时16分,东莞市消防救援支队指挥中心接到报警,东莞松山湖高新区一在建工地起火。15时20分,松山湖消防救援大队到达起火现场进行扑救。起火建筑为单层钢架结构,面积约5000平方米,正在装修施工中,未正式启用。起火建筑为钢结构建筑,主要燃烧物质为吸音绵。

后经消防救援人员全面搜索清理,发现起火建筑内有3名死者,经核实为园区物业管理公司员工。

什么是吸音绵? ·

吸音材料是指对频率的平均吸声系数大于0.2的材料。吸音材料大多为疏松多孔的材料,如隔音绵、吸音喷涂等。

吸音材料通常用于室内音量、音质的控制。一般房间体积越大,混响时间就越长,语言清晰度就越差,为了保证语言清晰度,需要在室内做吸声,控制混响时间。如礼堂、教室、体育场、电影院、餐厅等场所。

对于吸音材料用于建声类建筑要求会严格一些。吸音材料的使用要保证声音一定的丰满度和适当延长混响时间。为了防止回声、声反馈、声聚焦等声学缺陷,在后墙面、二层眺台栏杆面、侧墙面及局部都可使用吸音材料。

不同的吸音材料分析 ·

吸音材料主要有聚酯纤维材质、玻璃纤维、聚氨酯泡沫等类型。吸音绵具有一定的阻燃性,但并不代表不会燃烧,此前就有吸音绵发生火灾的案例。此次起火的可能就是上述几种吸音材料。

聚酯纤维属于有机材料,阻燃性没有玻璃纤维那么好,更易燃烧。

聚酯纤维由于良好的机械性能、化学稳定性、可纺性和低成本,在吸音材料和装饰用等领域应用广泛。但聚酯纤维本身易燃,燃烧容易产生熔滴的特点,限制了在装饰用纺织品领域的应用,尤其是作为高层建筑和密闭环境中使用的装饰用纺织品。

▲ 聚酯纤维吸音绵 | 图片来源于网络

01聚氨酯泡沫

我国聚氨酯泡沫塑料产销量占聚氨酯合成材料的 40%以上,由于其孔状结构及表观密度低的特性,以及软泡的高回弹及硬泡的保温隔热价格低等优点,而广泛应用于日常生活和工业生产等各个领域。但是,由于聚氨酯泡沫塑料是一种有机高分子材料,它的氧指数低(18%左右),易燃,导致其存在火灾危险及应用受限。

有实验采用特定的交联剂和阻燃剂制备耐热老化聚氨酯泡沫。通过150℃,168h高温老化实验,比较泡沫的物性损失率。实验结果表明,交联剂和阻燃剂对泡沫的耐热性能影响较大。密度为200kg/m³左右的泡沫,热老化(150℃,168h)后物性保留率大于80%;

▲ 聚氨酯泡沫 | 图片来源于网络

因此需要在聚氨酯泡沫中添加各种阻燃剂的方案以达到阻燃的效果,尤其是阻燃多元醇。在众多无机阻燃剂中,聚磷酸铵(APP)由于氮、磷含量高,磷-氮协同阻燃效应而被广泛应用。姜浩浩等[1]将聚磷酸铵加入到硬质聚氨酯泡沫中,可明显提高泡沫材料的阻燃性能,当加入30份聚磷酸铵时,能够使得聚氨酯泡沫达到UL94V-0级别,LOI达到23.6%。

但由于聚氨酯中含有脲基酸酯(降解温度106℃) 及缩二脲(降解温度144℃)等结构,常用聚氨酯耐热性能较差,当被加热到80℃以上时,长时间使用力学性能大幅下降,形变明显[2-3]。

氧指数

聚氨酯含量对泡沫阻燃性能的影响

从上图可以看出,随着聚氨酯含量比例的增加,氧指数越来越小。目前,根据极限氧指数把材料分为易燃材料(极限氧指数小于22%)、难燃材料(极限氧指数在22%~27%之间)及高难燃材料(极限氧指数大于27%) [4].当聚氨酯含量为0、5%和10%时,泡沫塑料属于高难燃材料;当聚氨酯含量比例为15%和20%时,泡沫塑料属于难燃材料;当聚氨酯含量高于20%,泡沫塑料属于易燃材料。但聚氨酯是一种易燃性材料,它的加入比例越高其吸音绵的阻燃性越低。

热失重分析 (TGA)

TGA是研究热稳定性表征方法之一,通过TGA分析泡沫的热稳定性,结果见下图。

热失重分析

由上图可知,温度达150℃时,泡沫失重小于1%,温度继续升高277℃时,泡沫材料失重约5%。因此再次说明该泡沫在高于150℃后难以确保其热稳定性[5]。

聚氨酯泡沫是一种重要的合成材,在各行各业有广泛的用途。由于密度小、比表面积较大、其本身氧指数仅为14%~16%,故极易着火燃烧。同时,聚氨酯在生产过程中对发泡工艺条件要求高,阻燃剂的加入对发泡工艺的影响尤为明显。

添加阻燃剂对于聚氨酯泡沫起到十分重要的作用,聚氨酯材料种类广泛,不仅仅是聚氨酯泡沫,还有聚氨酯涂料、聚氨酯胶黏剂等,这些材料在日常和工业上应用的都十分广泛。添加型阻燃剂工艺简单,价格低廉,但是它与聚氨酯泡沫的相容性不好,极大程度影响了材料的其他性能及应用范围。

因此我们极需找到一种热稳定性、阻燃、耐高温、环保和吸音系数等都不亚于聚氨酯泡沫的吸音材料。

02 雅声乐泡沫吸音材料

雅声乐吸音泡沫材料是一种具有阻燃、吸音降噪、隔热、耐热稳定、卫生无毒、后加工性能优良的绿色环保的高性能泡沫材料。

雅声乐泡沫属于三维网状的高度交联结构体系,具有较高的热稳定性和耐老化性。其无需添加阻燃剂,只有在与明火接触的情况下,不但不会燃烧而且温度到达一定时表面立即炭化。

一旦开始炭化,将分解产生大量惰性不燃气体,减缓了燃烧的速度;同时在燃烧体的表面迅速形成致密的焦炭层而有效地阻滞燃烧向深层的发展,明火离开后自动熄灭。

主要技术指标

在不添加阻燃剂的情况下,雅声乐泡沫就可以达到DIN4102所规定的B1级低可燃性材料标准及UL94-V0级高阻燃材料标准;雅声乐泡沫在燃烧时结焦而不产生流滴,产生的烟雾量很小,毒性相应也较小;雅声乐泡沫可以长期在150℃工况条件下工作,可短时间在180℃工况条件下工作,无分解和变形现象,只有当处于400℃以上的高温环境时才出现明显的分解现象。

而一般的泡沫塑料,如聚烯烃、聚苯乙烯、聚氨酯等,其上述阻燃性能远劣于雅声乐泡沫。不但容易发生熔融、流滴,释放有毒气体,且其工作温度超过80℃则发生变形和分解。

雅声乐吸音泡沫材

雅声乐泡沫具有充分开孔的三维网格结构,其网格的长径比L/D约在10~20,其极高的开孔率特征(超过99%)使得声波能迅速有效地进入泡沫体的深层并转变为网格的震动被消耗,从而有效地消除反射声波,达到吸音的效果。

吸音性能数据

广州谷拓材料科技有限公司通过驻波管试验对雅声乐泡沫的吸声性能进行了测试发现该泡沫塑料具有良好的吸声性能,特别是中高频(≥1kHz)吸声系数明显高于玻璃绵、矿渣绵及聚氨酯泡沫塑料。密度对雅声乐泡沫吸声系数的影响不大,只在频率<400Hz略有影响;增加泡沫厚度能提高其低频段(<1kHz)的吸声系数。

对于中高频声波的吸收效果极为显著,远远优于玻璃绵等常用吸音材料,按照DIN52215标准进行测试获得的雅声乐泡沫吸音性能测试数据表明,随着雅声乐吸音泡沫厚度的增加,吸收的频率范围逐渐增加,当厚度为10cm时,对于200Hz以上声波的吸收率可以达到50%,对于400Hz以上声波的吸收率可以达到90%。

氧指数

阻燃改性剂种类和用量对泡沫极限氧指数的影响

上图为不同阻燃改性剂制备的雅声乐泡沫的阻燃改性剂用量一极限氧指数图,由图可知,未添加阻燃改性剂雅声乐吸音泡沫的极限氧指数为29.8%,随着阻燃改性剂用量的增大,雅声乐泡沫的极限氧指数均逐渐提高,其中添加柠檬酸的雅声乐泡沫的极限氧指数从29.8%逐渐增加到35.3%。

热失重分析 (TGA)

未添加阻燃改性剂雅声乐泡沬的TGA和DTG曲线如下图中所示。由下图可知,未添加阻燃改性剂雅声乐泡沫显示出三个特征温度区域,第一区域为75-135℃,第二区域为135-350℃,第三区域为350-480℃。从图3.22还可以看出,泡沫材料在350℃时分解开始加速,此时残重为81.35%;在408℃时有最大分解速率,产生气体的速率最快,此时残重为60.87%;900℃时,其残重为3.08%。

未添加阻燃改性剂雅声乐泡沫的热重曲线显示出的三个特征温度区域,其中,第一区域(75-135℃)可以归因于水蒸发和泡沬的游离甲醛释放;第二区域(135-350℃)归因于树脂的进一步交联和醚键的断裂释放出水、甲醛等小分子;第三区域(350-480℃)归因于聚合物的热裂解,该阶段的重量损失主要归因于亚甲基键的断裂,以及大分子网络结构降解成更小和更稳定的片段而释放。

由此可知,未添加阻燃改性剂雅声乐吸音泡沫的耐热性能较好。

未添加阻燃改性剂的热重分析图

雅声乐吸音泡沫可以和毡、纤维、金属箔和塑料薄膜等模压在一起制成轮廓填充部件,用作隔音器、消音器、隔热板或遮阳板等。与其他吸声材料相比,采用该材料可以节约紧固件。该材料具有充分开孔的三维网格结构。加工温度为200℃左右,吸音性能优异,密度低(9kg/m³),热稳定性高,适用于多方面的应用。

作为一种本征型高性能的阻燃泡沫,雅声乐吸音泡沫具有许多其他添加型阻燃泡沫不具备的特性,同时由于雅声乐的性价比高,使其与昂贵的阻燃泡沫相比极具价格优势,在许多领域中具有广阔的应用前景。世界各国对该泡沫材料的开发研究高度重视,投入了大量的人力、物力与财力,对其制备工艺及应用技术进行了深入研究并进行了产品开发。

随着技术的不断发展,雅声乐吸音泡沫有望全面应用于阻燃、耐高温等各种领域。作为阻燃材料所使用的雅声乐泡沫材料的发展趋势主要有:

1)大力发展易于降解和回用的雅声乐泡沫材料;

2)不断开发出性能好的新型增强材料,而且增强材料的粒径向纳米级方向发展,在泡沫制备的过程中采用复合增强技术,制备出综合性能优异的雅声乐吸音泡沫材料;

3)进一步拓展雅声乐泡沫的应用领域。

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