無(wú)鹵阻燃性環(huán)氧樹(shù)脂在軌道交通的應(yīng)用前景

戚磊

【摘 要】簡(jiǎn)述了軌道交通輕量化復(fù)合材料用的常用樹(shù)脂阻燃要求，比較酚醛樹(shù)脂玻纖預(yù)浸料與無(wú)鹵環(huán)氧樹(shù)脂玻纖預(yù)浸料的氧指數(shù)、燃燒級(jí)別、甲醛釋放量和產(chǎn)煙率等阻燃性能，對(duì)比分析對(duì)應(yīng)三明治板的理化性能。無(wú)鹵環(huán)氧樹(shù)脂在軌道交通的復(fù)合材料零部件上使用具有廣闊的前景。

【Abstract】In this paper， the flame retardant requirements of commonly used resins for lightweight composites for rail transit are described. The flame retardant properties such as oxygen index， combustion grade， formaldehyde emission and smoke production rate of phenolic resin glass fiber prepreg and halogen free epoxy resin glass fiber prepreg were compared， and the physical and chemical properties of the sandwich plate were analyzed and compared. It is concluded that the halogen-free epoxy resin has great potential value in rail transit applications.

【關(guān)鍵詞】環(huán)氧樹(shù)脂；軌道交通；無(wú)鹵；阻燃

【Keywords】epoxy resin； rail transit； halogen-free； flame retardant

【中圖分類(lèi)號(hào)】TL284 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）04-0191-03

1 引言

目前，軌道交通大致可分為動(dòng)車(chē)組、有軌電車(chē)、地鐵和輕軌等。而動(dòng)車(chē)組是我國(guó)最主要的長(zhǎng)途出行的交通方式之一，有軌電車(chē)、地鐵和輕軌則是我國(guó)大城市市內(nèi)交通的主要方式[1]。

車(chē)輛結(jié)構(gòu)的輕量化是現(xiàn)代車(chē)輛制造技術(shù)的方向，同時(shí)軌道交通的制造技術(shù)也朝著舒適，安全，低自重的方向快速發(fā)展。相比金屬材料而言，采用FRP （Fiber Reinforced Plastic）復(fù)合材料制造軌道交通的材料，具有輕質(zhì)高強(qiáng)，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，設(shè)計(jì)自由度大，耐酸堿腐蝕，抗沖擊性能好的特點(diǎn)。目前，用于制造列車(chē)車(chē)頭，車(chē)體，車(chē)廂內(nèi)裝飾，衛(wèi)生設(shè)施及部分軌線(xiàn)設(shè)施，為軌道交通領(lǐng)域的輕量化提供了可行性材料選擇方案[2-4]。

軌道交通常用的普通熱固性樹(shù)脂主要有不飽和聚酯樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂三大常見(jiàn)樹(shù)脂。表1列出了常見(jiàn)的三大熱固性樹(shù)脂的特點(diǎn)[5，9，10]。表2比較了常見(jiàn)的三大熱固性樹(shù)脂的性能[5]。軌道交通用的樹(shù)脂體系不同于普通的熱固性樹(shù)脂體系，它具有一定的阻燃要求。最初的阻燃型樹(shù)脂主要原理是難燃或者不燃。但是實(shí)際發(fā)現(xiàn)，在絕大多數(shù)的火災(zāi)事故中，大多數(shù)死者均是被毒煙熏至窒息昏迷而死。后來(lái)阻燃的指標(biāo)增加了低煙和低毒的部分， 因此制定了煙、火、毒等保護(hù)措施和條款來(lái)界定熱固性復(fù)合材料作為軌道交通使用材料的安全系數(shù)，阻燃劑的方向也被定位成無(wú)鹵、微細(xì)化、低煙、低毒和多功能[1，6]。

由表1我們不難發(fā)現(xiàn)，普通的不飽和聚酯樹(shù)脂應(yīng)用在軌道交通上最致命的缺點(diǎn)是易燃，且燃燒時(shí)會(huì)放出危險(xiǎn)性的氣體和毒煙。因此最初的阻燃樹(shù)脂是在純樹(shù)脂的單體結(jié)構(gòu)上，添加或者接入的方式引入鹵素元素， 并配以三氧化二銻Sb2O3補(bǔ)充阻燃劑構(gòu)成的。盡管這是一個(gè)非常有效的阻燃系統(tǒng)， 但是鹵素系統(tǒng)在著火時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量又濃又黑的煙， 使人昏迷和阻礙逃生[1]。早在1986年瑞士和德國(guó)就已經(jīng)報(bào)道了含溴阻燃劑在火災(zāi)燃燒時(shí)會(huì)使人員中毒，并且會(huì)有有毒氣體對(duì)大氣環(huán)境的污染，對(duì)環(huán)境造成危害。關(guān)于其他鹵系阻燃體系對(duì)環(huán)境的危害性也陸續(xù)有所報(bào)到。現(xiàn)今環(huán)境保護(hù)迫在眉睫，對(duì)無(wú)鹵阻燃體系的呼聲也越來(lái)越高[7]。

無(wú)鹵阻燃的環(huán)氧樹(shù)脂體系在燃燒過(guò)程中，不會(huì)分解釋放出有毒的鹵化氫或有機(jī)鹵化物，從而使產(chǎn)煙量大大降低，煙氣毒性也隨之降低。因此，無(wú)鹵阻燃環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)可降低、阻止火災(zāi)的發(fā)生和蔓延，降低火災(zāi)發(fā)生對(duì)能源的浪費(fèi)、資源的損害以及生態(tài)環(huán)境的破壞，對(duì)減少火災(zāi)中人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失具有非常重要的實(shí)際意義，為消防工程的建設(shè)提供了切實(shí)可行的有效手段[8]，為軌道交通的安全性提供了確實(shí)有效的保障，更具有廣闊的市場(chǎng)前景。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

BAC 100改性阻燃酚醛樹(shù)脂，BAC 130無(wú)鹵阻燃型環(huán)氧樹(shù)脂，BAC 400改性阻燃酚醛樹(shù)脂-玻纖預(yù)浸料，BAC 430無(wú)鹵阻燃型環(huán)氧樹(shù)脂-玻纖預(yù)浸料，以上材料均為浙江百合航太復(fù)合材料有限公司制造產(chǎn)品。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

燃燒等級(jí)和氧指數(shù)測(cè)試按照TB/T 3237-2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；甲醛釋放量按照TB/T 3139-2006標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；產(chǎn)煙率測(cè)試按照CA/T505-2004標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；三明治板的剝離強(qiáng)度按照ASTM D1781-98（2012）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

3 分析與討論

3.1各種阻燃型能的測(cè)定結(jié)果

極限氧指數(shù)（LOI）是試樣在氮氧混合氣體等規(guī)定的條件下，維持平衡燃燒所需的最低氧濃度（體積百分比濃度）。聚合物材料的氧指數(shù)與其燃燒時(shí)的成炭率，燃燒焓及元素組成等因素有關(guān)。材料的產(chǎn)煙率是反應(yīng)材料熱分解或燃燒進(jìn)行程度的參數(shù)。毒性氣體的測(cè)試則是在動(dòng)車(chē)組用內(nèi)裝材料阻燃技術(shù)條件中最為關(guān)鍵的一環(huán)，極大地影響在火災(zāi)發(fā)生救援行動(dòng)的快慢程度。

一般認(rèn)為氧指數(shù)<22屬于易燃材料，氧指數(shù)在22-27之間屬可燃材料，氧指數(shù)>27屬難燃材料。而用于軌道交通的阻燃技術(shù)條件指標(biāo)中，氧指數(shù)應(yīng)大于等于32。由表3數(shù)據(jù)中的氧指數(shù)測(cè)定結(jié)果可知，酚醛樹(shù)脂-玻纖預(yù)浸料BAC 400的氧指數(shù)測(cè)定值為40，無(wú)鹵環(huán)氧樹(shù)脂-玻纖預(yù)浸料BAC 430的氧指數(shù)測(cè)定值為36。很明顯，雖然BAC 430的氧指數(shù)比BAC400的氧指數(shù)低，說(shuō)明BAC430的阻燃性不如BAC 400的阻燃性，但都屬于難燃材料，且均滿(mǎn)足動(dòng)車(chē)組內(nèi)裝材料阻燃性的標(biāo)準(zhǔn)。

垂直燃燒的燃燒結(jié)果表明，BAC 430和BAC 400的燃燒級(jí)別均為A級(jí)，說(shuō)明這兩種樹(shù)脂都具有很好的阻燃效果，也就是表明無(wú)鹵環(huán)氧樹(shù)脂-玻纖預(yù)浸料同樣也能達(dá)到阻燃的要求指標(biāo)。

產(chǎn)煙率的測(cè)定結(jié)果可知，BAC 430的產(chǎn)煙率是70%，而B(niǎo)AC 400的產(chǎn)煙率是78%。這表明BAC 430的抑煙效果比BAC 400的抑煙效果好，也就是表明無(wú)鹵環(huán)氧樹(shù)脂-玻纖預(yù)浸料的產(chǎn)煙率少，阻燃性更好。

甲醛釋放量的測(cè)試結(jié)果：酚醛樹(shù)脂體系BAC400的甲醛釋放量1.0mg/L，而無(wú)鹵環(huán)氧樹(shù)脂體系BAC430的甲醛釋放量未檢測(cè)出來(lái)，說(shuō)明至少小于0.2mg/L，實(shí)際上所使用的環(huán)氧樹(shù)脂體系中完全不含甲醛。 測(cè)試結(jié)構(gòu)表明酚醛樹(shù)脂體系雖然滿(mǎn)足阻燃性的指標(biāo)，但甲醛釋放量較大，而無(wú)鹵環(huán)氧樹(shù)脂體系的甲醛釋放量幾乎沒(méi)有，顯然更加安全環(huán)保。

3.2 三明治板的剝離強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

分別將BAC 430和BAC 400預(yù)浸料做成面板，與芳綸紙蜂窩芯材復(fù)合成為三明治板。從接觸面進(jìn)行單位寬度剝離時(shí)所需要的最大力，就是剝離強(qiáng)度，以表征樹(shù)脂基體與增強(qiáng)體材料的粘接性的強(qiáng)弱。由圖1可知BAC 430的三明治板的剝離強(qiáng)度為20.8N，而B(niǎo)AC 400的三明治板的剝離強(qiáng)度為12N。說(shuō)明無(wú)鹵環(huán)氧樹(shù)脂的粘接強(qiáng)度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于酚醛樹(shù)脂的粘接強(qiáng)度。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)BAC 430無(wú)鹵環(huán)氧樹(shù)脂-玻纖預(yù)浸料與BAC 400酚醛樹(shù)脂-玻纖預(yù)浸料的體系的氧指數(shù)、燃燒級(jí)別、甲醛釋放量、產(chǎn)煙率以及對(duì)應(yīng)的三明治板的剝離強(qiáng)度的測(cè)試，可得到如下結(jié)論：

①無(wú)鹵環(huán)氧樹(shù)脂-玻纖預(yù)浸料的氧指數(shù)雖然低于酚醛樹(shù)脂-玻纖預(yù)浸料，但仍能滿(mǎn)足軌道交通A級(jí)阻燃標(biāo)準(zhǔn)；

②無(wú)鹵環(huán)氧樹(shù)脂-玻纖預(yù)浸料可以達(dá)到比酚醛樹(shù)脂-玻纖預(yù)浸料還要低的產(chǎn)煙率；

③無(wú)鹵環(huán)氧樹(shù)脂-玻纖預(yù)浸料有比酚醛樹(shù)脂體系低得多的甲醛釋放量，更加無(wú)害和環(huán)保；

④無(wú)鹵環(huán)氧樹(shù)脂-玻纖預(yù)浸料所制得的三明治板具有比酚醛樹(shù)脂-玻纖預(yù)浸料三明治板更高的剝離強(qiáng)度；

⑤酚醛樹(shù)脂玻纖預(yù)浸料和環(huán)氧樹(shù)脂玻纖預(yù)浸料的阻燃性能都能滿(mǎn)足軌道交通對(duì)阻燃性的要求，但在這個(gè)前提上，無(wú)鹵環(huán)氧樹(shù)脂體系的毒性釋放量更少，且在力學(xué)上的粘接強(qiáng)度更好，不僅環(huán)保而且有利于復(fù)合材料的阻燃性，因此，無(wú)鹵環(huán)氧樹(shù)脂更值得重視，擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

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