Flame retardancy of polyurethane foam reinforced by hollow glass microspheres and ammonium polyphosphate
本研究は、中空ガラス微粒子とポリリン酸アンモニウムを組み込んだ簡便な「ワンポット」法が、最大熱放出率を12.9%低減させた疎水性かつ弾力性のあるポリウレタンフォームの製造に成功したことを示しており、工業規模の高性能難燃性スポンジに向けた有望な経路を提示している。
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火は、ありふれた素材を燃料へと変えてしまう容赦のない力ですが、燃焼に対してより熱心な素材もあれば、そうでないものもあります。家具のクッションから建物の断熱材まで、あらゆるものに見られる軽量でスポンジのような素材であるポリウレタンフォームは、まさにそのような素材の一つです。その構造自体が、優れた断熱材となる微細な空気のポケットで満たされているため、非常に燃えやすいという危険性を孕んでいます。これらのポケットが酸素を閉じ込めるため、フォームは急速に発火し、激しい熱とともに、濃い有毒な煙を放出することがあります。数十年にわたり、科学者たちは、この多用途な素材の有用な特性を損なうことなく、いかにして安全性を高めるかという方法を模索してきました。課題は、環境や人体に有害な化学物質を避けながら、フォームの柔らかさ、軽さ、耐久性を維持しつつ、火の回りを止める添加剤を見つけることにあります。
最近の研究において、中国の安康大学の研究者たちは、2つの異なる素材を組み合わせることで、この問題に対する明快な解決策を探求しました。研究チームは、「ワンポット法」と呼ぶ単純な混合プロセスを用いて、新しいタイプの難燃性フォームを作成することを目指しました。複雑で多段階の製造工程を行う代わりに、彼らはポリウレタンフォームを作る際に使用される標準的な原料に対し、これら2つの特定の成分を直接加えていきました。中空ガラスマイクロスフィア（中空のガラス球体）は、中心が空洞になった非常に軽量なガラス製の小さな球体であり、ポリリン酸アンモニウムは、火災を阻止する能力で知られる一般的な無毒の化学物質です。これらを混ぜ合わせることで、研究者たちは、この組み合わせがフォームの構造的完全性を維持しながら、燃焼から保護できるかどうかを確認しようとしました。
実験の結果、この新しい混合物は効果的に機能することが示されました。研究者が顕微鏡でフォームを観察したところ、ガラス球体と化学添加物がフォームの構造内にうまく統合されていることが分かりました。素材は、馴染みのある相互に連結した孔（あな）を持つスポンジ状のネットワークを保持していましたが、これらの孔の壁は、加えられた粒子によってコーティングされていました。この統合は、フォームの化学組成を分析することによって確認され、ガラス球体に含まれる主要元素であるケイ素と、難燃剤に含まれる主要元素であるリンの両方の存在が明らかになりました。さらに、チームは、処理されたフォームが撥水性を備えたことも発見しました。表面に水を滴らせると、水は浸透することなく完璧な球体となって玉になり、これは、未処理のフォームでは耐えられない可能性のある湿度の高い環境においても、新しい素材が耐えうることを示唆しています。
最も重要な知見は、チームがフォームが火災に対してどのように振る舞うかをテストした際に得られました。熱放出を測定する特殊な装置を用い、彼らは新しいフォームを標準的な未処理のポリウレタンフォームと比較しました。未処理のフォームは激しく燃え、非常に短時間で大量の熱を放出し、保護障壁を全く形成できませんでした。対照的に、処理されたフォームは異なる挙動を示しました。同じ熱にさらされた際、それは表面に緻密で保護的な炭化層（チャ）を形成しました。この炭化層は盾として機能し、熱や酸素が下の素材に到達するのをブロックしました。その結果、処理されたフォームが放出する総熱量は大幅に減少しました。熱放出のピーク率は13％近く低下し、燃焼プロセス全体を通じて放出される全熱量も20％減少しました。
研究者たちは、この改善は2つの添加剤による協調的な働きによるものであると説明しています。加熱されると、ポリリン酸アンモニウムは分解して、フォームが溶け落ちるのではなく、固体の炭素に富んだ層へと変化することを促す物質を作り出します。同時に、可燃性の煙を希釈する不活性ガスを放出します。中空ガラスマイクロスフィアは、このプロセスにおいて、炭化層の中に硬い骨格として機能することで、層が壊れるのを防ぎ、熱が内側へ伝わるのを遮断する役割を果たします。この組み合わせにより、火の進行を効果的に遅らせ、火が生成できるエネルギーの量を減少させることができます。この研究は、このシンプルな一段階のメソッドが、環境や人体に有害な化学物質に頼ることなく、より安全で、より耐火性が高く、かつ耐水性にも優れたポリウレタンフォームを製造することに成功したと結論付けています。これは、建物や輸送機器のためのより安全な素材に向けた実用的な道筋を提示しています。
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