Flame retardancy of polyurethane foam reinforced by hollow glass microspheres and ammonium polyphosphate
本研究表明，一种结合了空心玻璃微珠和聚磷酸铵的简单“一锅法”能够成功制备出疏水且具有弹性的聚氨酯泡沫，其峰值热释放率降低了12.9%，为工业规模生产高性能阻燃海绵提供了一条极具前景的途径。
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火是一种无情的力量，能将普通的材料转化为燃料，但有些材料比其他材料更渴望燃烧。聚氨酯泡沫是一种轻质、海绵状的材料，广泛存在于从家具垫子到建筑绝缘材料的各种物品中，它正是这样一种材料。其结构本身充满了微小的气孔，这使其成为一种极佳的绝缘体，但也使其具有危险的可燃性。因为这些气孔捕捉了氧气，所以泡沫可以迅速起火，产生剧烈的热量并释放出浓厚的有毒烟雾。几十年来，科学家们一直试图寻找方法，在不破坏其有用特性的情况下，使这种多功能材料变得更加安全。挑战在于寻找既能阻止火势蔓延，又能保持泡沫柔软、轻盈和耐用，同时又避免使用对环境或人类健康有害的化学添加剂的方法。
在最近的一项研究中，中国安康大学的研究人员通过结合两种不同的材料，探索了一个直接的解决方案：中空玻璃微球和聚磷酸铵。该团队致力于通过一种他们称为“一锅法”的简单混合过程，来创造一种新型的阻燃泡沫。他们没有采用复杂的、多步骤的制造工艺，而是将这两个特定的成分直接添加到制造聚氨酯泡沫的标准原料中。中空玻璃微球是具有中空中心的微小、轻质玻璃球；而聚磷酸铵是一种以其阻燃能力著称的常见无毒化学物质。通过将它们混合在一起，研究人员旨在观察这种组合是否能在保持泡沫结构完整性的同时，保护其免受燃烧。
实验结果表明，这种新混合物非常有效。当研究人员在显微镜下观察泡沫时，他们发现玻璃微球和化学添加剂已经很好地整合到了泡沫的结构中。该材料保留了其熟悉的、由互连孔隙组成的网络结构，但这些孔隙的壁上现在涂覆了添加的颗粒。通过分析泡沫的化学成分，证实了这种整合，结果显示其中存在硅和磷，分别对应于玻璃微球和阻燃化学物质中的关键元素。此外，团队发现经过处理的泡沫具有了疏水性。当水滴落在表面时，水滴会聚集成一个完美的球体而不是渗入其中，这表明这种新材料可以承受未经处理的泡沫可能会失效的潮湿环境。
最显著的发现出现在团队测试泡沫在火灾中的表现时。使用一种测量热释放的专门设备，他们将这种新泡沫与标准的、未经处理的聚氨酯泡沫进行了对比。未经处理的泡沫燃烧剧烈，在极短的时间内释放出巨大的热量爆发，且无法形成任何保护屏障。相比之下，经过处理的泡沫表现得不同。当暴露在同样的热量下时，它在表面形成了一层致密的、具有保护性的炭化层。这层炭化层充当了盾牌，阻挡了热量和氧气到达下方的材料。因此，经过处理的泡沫释放出的总热量显著减少。其峰值热释放率下降了近13%，且整个燃烧过程中的总热量释放量减少了20%。
研究人员解释说，这种改善来自于两种添加剂之间的协同作用。受热时，聚磷酸铵会分解产生一种物质，促使泡沫转变为一层坚实的、富含碳的层，而不是熔化流失。与此同时，它还会释放惰性气体，从而稀释易燃烟气。中空玻璃微球通过在炭化层内充当一个刚性骨架来支持这一过程，帮助炭化层保持完整，并阻挡热量向内传递。这种结合有效地减缓了火势的进展，并降低了火灾所能产生的能量。研究结论认为，这种简单的单步法成功创造了一种不仅更安全、更抗火，而且更具防水性的聚氨酯泡沫，为在不依赖有害化学物质的情况下，开发用于建筑和交通领域的更安全材料提供了一条切实可行的路径。
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