兩種瀝青路面阻燃劑的阻燃效果研究

路建強(qiáng)　杜傲偉　柳偉　孫成輝

摘要：研究了氫氧化物阻燃劑和有機(jī)磷系阻燃劑對(duì)瀝青的阻燃效果。采用熱重分析儀、X射線光電子能譜儀、傅里葉變換紅外光譜儀和掃描電子顯微鏡等設(shè)備表征兩種阻燃劑的阻燃效果。研究結(jié)果表明，兩種阻燃劑都能促進(jìn)瀝青表面生成具有阻燃效果的致密氧化層，從而起到阻燃作用。阻燃瀝青熱解產(chǎn)物中C-O和O=C特征峰強(qiáng)度比純?yōu)r青的大。無(wú)機(jī)阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、有機(jī)阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為lO%時(shí)，阻燃效果較好，并且有機(jī)阻燃劑的效果要優(yōu)于無(wú)機(jī)阻燃劑。有機(jī)阻燃劑在熱解前期就可以減少一部分芳香分和飽和分的揮發(fā)，同時(shí)，由于阻燃劑的黏連效果，氧化阻燃層較無(wú)機(jī)阻燃劑的更加致密。

關(guān)鍵詞：阻燃瀝青；有機(jī)阻燃劑；無(wú)機(jī)阻燃劑；熱解；燃燒

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來(lái)，我國(guó)公路隧道數(shù)量及總里程不斷增加，隨之而來(lái)的是將會(huì)產(chǎn)生更多的運(yùn)營(yíng)安全問(wèn)題[1]，例如，由于隧道空間狹窄、通風(fēng)性較差，在發(fā)生交通事故、人為縱火或車體自燃等情況時(shí)，溫度會(huì)迅速升高，從而可能引燃瀝青路面，加大火勢(shì)蔓延的速度；另外，瀝青燃燒時(shí)會(huì)釋放大量的有毒煙霧，可能出現(xiàn)逃生通道堵塞、被困人員窒息、救援難度增大等情況，對(duì)環(huán)境安全、財(cái)產(chǎn)安全、人身安全等造成巨大危害。因此，研究阻燃瀝青對(duì)公路隧道的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2-3]。

阻燃劑主要分為無(wú)機(jī)阻燃劑（inorganic flameretardant， IFR）和有機(jī)阻燃劑（organic flame retardant，OFR）。瀝青受熱過(guò)程中，無(wú)機(jī)阻燃劑中的氫氧化鋁、氫氧化鎂等物質(zhì)會(huì)發(fā)生劇烈地脫水、分解以及其他吸熱反應(yīng)，將會(huì)吸收燃燒產(chǎn)生的熱量、減少可燃性氣體的生成、降低瀝青各組分的分解速率，能夠有效阻止瀝青的繼續(xù)燃燒[4]。同時(shí)，阻燃劑受熱后會(huì)釋放大量的不可燃?xì)怏w，達(dá)到稀釋可燃?xì)怏w的效果[5]，促進(jìn)形成致密且穩(wěn)定的炭層，有很好的隔熱、隔氧和阻燃效果，增加了瀝青表面燃燒的難度[6-8]。Wu等[9]運(yùn)用極限氧指數(shù)法探究氫氧化鋁、氫氧化鎂、氫氧化鈣3種阻燃劑的阻燃性能，發(fā)現(xiàn)這3種阻燃劑與瀝青混合后都有一定的阻燃效果，其中氫氧化鋁的阻燃性能最好。丁慶軍等[10]制備了氫氧化鋁、氫氧化鎂及沸石粉的無(wú)機(jī)復(fù)合阻燃劑，阻燃性能優(yōu)良，但是阻燃劑濃度過(guò)高會(huì)影響瀝青的路用性能，同時(shí)會(huì)大幅度提高生產(chǎn)成本。Bonati等[11]提出了氫氧化鎂、氫氧化鋁與有機(jī)蒙脫土復(fù)配的設(shè)計(jì)，明顯提升了瀝青的阻燃性能。郭寅川等[12]將氫氧化鋁和有機(jī)蒙脫土復(fù)配研制出的復(fù)合阻燃劑對(duì)瀝青的阻燃、抑煙效果有明顯的提升。

有機(jī)磷系阻燃劑是有機(jī)阻燃劑中最具代表性的一種。有機(jī)磷系阻燃劑可以同時(shí)在氣相和凝聚相中發(fā)揮阻燃作用。氣相中，有機(jī)磷系阻燃劑燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生HPO．．HPO2．，PO2．，PO．等多種自由基，可以與空氣中較活潑的HO．和H．自由基反應(yīng)，終止自由基的連鎖反應(yīng)，從而達(dá)到阻燃的目的。在凝聚相中，有機(jī)磷系阻燃劑分解生成黏稠且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的聚磷酸，可以在瀝青表面形成致密的保護(hù)薄膜，將可燃?xì)怏w和空氣中的氧氣隔絕開(kāi)，防止瀝青繼續(xù)燃燒。同時(shí)，聚磷酸有很強(qiáng)的脫水性，可以使瀝青迅速脫水碳化，形成穩(wěn)定致密的炭層結(jié)構(gòu)。此外，含氮、磷等元素的阻燃劑在受熱分解過(guò)程中產(chǎn)生的多種不可燃?xì)怏w，可稀釋瀝青表面的氧氣和可燃性氣體的濃度，從而起到阻燃的作用[13-16]。Cheng等[17]使用殼聚糖和木質(zhì)素磺酸鹽／殼聚糖復(fù)合材料作為微膠囊紅磷的殼材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，可以使環(huán)氧樹(shù)脂具有良好的阻燃性能。

綜上所述，前人對(duì)無(wú)機(jī)阻燃劑和有機(jī)阻燃劑的阻燃效果開(kāi)展了大量研究，但是對(duì)兩種阻燃劑阻燃效果比較的研究較少。本研究選取一種無(wú)機(jī)阻燃劑和一種有機(jī)磷系阻燃劑，對(duì)比相同添加量時(shí)，瀝青阻燃效果的差異。利用各種測(cè)試手段分析無(wú)機(jī)阻燃劑、有機(jī)阻燃劑的熱解特性，以及阻燃瀝青的燃燒特性，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品和試劑

試驗(yàn)用瀝青、溫拌劑、阻燃劑由陜西某特種路面科技有限公司提供。選用的溫拌劑為DWMA-S型（二代），是由親油基和親水基分子組成的一種黃褐色表面活性劑，有溫拌劑及抑煙作用。無(wú)機(jī)阻燃劑由氫氧化鋁和氫氧化鎂混合組成，有機(jī)阻燃劑為磷系復(fù)合阻燃劑。

1.2 試驗(yàn)方法

為了探究試驗(yàn)選取的IFR和OFR的添加量對(duì)瀝青阻燃效果的影響，采用熔融法制備阻燃瀝青。將瀝青在170℃的油浴中加熱至熔融態(tài)后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的溫拌劑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%，8%，l0%的IFR或OFR，磁力攪拌12 h以上，充分混合，使阻燃劑和溫拌劑均勻地分散在瀝青中，冷卻至室溫，得到阻燃瀝青。稱取5 gIFR分別在300，500， 750℃進(jìn)行熱解；分別稱取5 g有機(jī)阻燃劑和瀝青分別在300，600，900℃進(jìn)行熱解。稱取2g加入無(wú)機(jī)阻燃劑的瀝青在750℃進(jìn)行燃燒，稱取2 g加入有機(jī)阻燃劑的瀝青在900℃進(jìn)行燃燒。以上操作均在管式爐中進(jìn)行，初始溫度為室溫，升溫速率為15℃/min，到達(dá)終溫后保溫60 min，所得固體產(chǎn)物冷卻后用密封袋封裝，放人干燥器中備用。添加阻燃劑和溫拌劑的試驗(yàn)方案與編號(hào)如表1所示，試驗(yàn)流程如圖1所示。

1.3試驗(yàn)儀器

熱重分析儀（thermal gravimetric analyzer，TGA）：利用NETZSCH STA 499 F5型TGA測(cè)定瀝青與阻燃瀝青的熱重（thermogravimetry，TG）曲線和微商熱重（derivative thermogravunetry，DTG）曲線，升溫速率為10℃/min。錐形量熱儀：按照IS05660-I標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，樣品尺寸為100 mmxl00 mmx3 mm，熱流輻射強(qiáng)度為50 kW/m2，燃燒時(shí)間為20～40 min。傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier transform infraredspectrometer， FT-IR）：采用Thermo Nicolet Avatar380型FT-IR測(cè)定瀝青和阻燃瀝青燃燒后殘留物官能團(tuán)的變化，使用壓片法進(jìn)行制樣，將樣品和溴化鉀按照質(zhì)量比1：100的比例均勻混合，使用研缽充分研磨，壓片機(jī)模具壓片。掃描32次，掃描范圍選用400～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1。X射線光電子能譜儀（X-ray photoelectron spectrometer，XPS）：采用Thermo Fisher Scientific ESCALAB 250Xi+型XPS測(cè)試瀝青以及熱解后的阻燃瀝青，以Al靶為X射線源，以Cls（ 284.8 eV）峰作為內(nèi)標(biāo)進(jìn)行結(jié)合能位置校正，使用軟件XPSPEAK對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）：將樣品在真空環(huán)境下噴金，采用ZEISSEVOIO型SEM在15 kV下觀察阻燃劑、瀝青、阻燃瀝青熱解或燃燒后的殘留物形貌特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 阻燃瀝青燃燒特性分析

圖2為瀝青與阻燃瀝青的TG-DTG曲線。由圖2可知，TG曲線中瀝青與阻燃瀝青的燃燒趨勢(shì)基本相同，阻燃瀝青的失重率總體上小于瀝青的，并且在350～750℃存在滯后現(xiàn)象。當(dāng)無(wú)機(jī)阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、有機(jī)阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，效果最明顯，有機(jī)阻燃劑與瀝青混合后燃燒總失重率更小。證明兩種阻燃劑都能起到阻燃效果，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下有機(jī)阻燃劑的阻燃效果要優(yōu)于無(wú)機(jī)阻燃劑的。

圖2（a）和圖2（b）分別是瀝青與無(wú)機(jī)阻燃瀝青在室溫至750℃下燃燒的TG曲線和DTG曲線，圖2（c）和圖2（d）分別是瀝青與有機(jī)阻燃瀝青在室溫至900℃燃燒的TG曲線和DTG曲線。

從圖2（c）和圖2中（d）中可以看出，DTG曲線可大致劃分為3個(gè)階段：第1階段主要在380℃左右，這是由瀝青中芳香分和飽和分揮發(fā)造成的，在該階段可以觀察到瀝青和無(wú)機(jī)阻燃瀝青的失重峰，有機(jī)阻燃瀝青在此處的失重峰并不明顯，說(shuō)明有機(jī)阻燃劑可以減少部分芳香分和飽和分的揮發(fā)；第2階段主要發(fā)生在380～520℃，燃燒主要消耗了剩余的芳香分、部分瀝青質(zhì)和膠質(zhì)，此時(shí)，瀝青的失重率最大，且出現(xiàn)了多個(gè)失重峰，說(shuō)明參與此階段燃燒的物質(zhì)較多，對(duì)比瀝青與兩種阻燃瀝青的DTG曲線可以發(fā)現(xiàn)，兩種阻燃瀝青的最大失重率對(duì)應(yīng)的溫度較瀝青的都有所提高；第3階段發(fā)生在520℃左右，瀝青的分解更加穩(wěn)定，由于阻燃劑的加入，瀝青能夠承受更高的溫度，導(dǎo)致瀝青和阻燃瀝青燃盡溫度不同[18-19]。

2.2 阻燃瀝青燃燒過(guò)程的錐形量熱分析

表2為瀝青與阻燃瀝青的錐形量熱儀測(cè)試結(jié)果。圖3和圖4分別為瀝青和阻燃瀝青燃燒時(shí)煙釋放曲線和熱釋放曲線。由表2可知，無(wú)機(jī)阻燃劑和有機(jī)阻燃劑都有降低平均熱釋放和峰值熱釋放的作用，同時(shí)也可以減少質(zhì)量損失和總煙釋放，并且在最適添加量下，有機(jī)阻燃劑效果更明顯，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的有機(jī)阻燃劑可使總煙釋放比瀝青的減少30%。由圖3可以看出，兩種阻燃劑都可以降低瀝青燃燒時(shí)煙釋放的峰值，這是因?yàn)樽枞紕p弱了瀝青的燃燒強(qiáng)度。由圖4可以看出，添加阻燃劑后，燃燒時(shí)的熱釋放峰值出現(xiàn)時(shí)間向后推遲，峰值有所下降，無(wú)機(jī)阻燃劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、有機(jī)阻燃劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，效果更明顯，且有機(jī)阻燃劑的阻燃效果更好。這主要是由于阻燃劑受熱生成的層狀結(jié)構(gòu)可以阻隔熱量傳遞，延緩火勢(shì)蔓延，同時(shí)促進(jìn)阻隔層的形成，最終導(dǎo)致瀝青燃燒時(shí)的峰值放熱和平均放熱同時(shí)降低。

2.3 阻燃劑的阻燃機(jī)制分析

2.3.1熱解產(chǎn)物表面碳氧結(jié)構(gòu)分析

圖5為瀝青和阻燃瀝青在不同溫度下熱解后殘留物的XPS全譜圖。由XPS全譜可以看出，不同溫度熱解后的瀝青和阻燃瀝青譜圖呈現(xiàn)出了相似的譜型，在瀝青熱解過(guò)程中，隨著溫度的升高，Ols的相對(duì)含量增加，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的無(wú)機(jī)阻燃劑B2或質(zhì)量分?jǐn)?shù)為00%的有機(jī)阻燃劑D3混合后，熱解后的殘留物中Ols相對(duì)含量增加，證明兩種阻燃劑都促進(jìn)瀝青表面生成致密的氧化物層，進(jìn)而達(dá)到阻燃作用。

圖6為瀝青和阻燃瀝青在不同溫度下熱解后殘留物的Cls譜圖。表3為瀝青與阻燃瀝青在不同溫度下熱解后的不同碳形態(tài)及含量。C-C/C-H，C-O，0一C對(duì)應(yīng)的特征峰結(jié)合能分別為：284.8，286.6，288.9 eV[20-21]。從表3中可以看出，瀝青在300℃熱解時(shí)，只有C- C/C-H的特征峰，在熱解溫度達(dá)到750，900℃時(shí)，C- C/C-H峰強(qiáng)度減弱，這是由于C - C/C-H鍵斷裂后與氧發(fā)生熱解反應(yīng)，隨著溫度的升高，更多的C- C/C-H鍵斷裂與氧反應(yīng)生成C-O，O—C鍵。瀝青與無(wú)機(jī)或有機(jī)阻燃劑混合后的熱解產(chǎn)物中，C-O，O—C的特征峰更加明顯，說(shuō)明無(wú)機(jī)阻燃劑和有機(jī)阻燃劑都有利于提高瀝青熱解殘留物的氧化程度，而在有機(jī)阻燃劑的處理下，殘留物更加致密。

2.3.2瀝青和阻燃瀝青燃燒產(chǎn)物的官能團(tuán)分析

圖7和圖8分別為瀝青和阻燃瀝青燃燒產(chǎn)物的FT-IR譜圖。阻燃瀝青燃燒產(chǎn)物的FT-IR曲線與瀝青燃燒產(chǎn)物的基本相似。2 800～2 970 cm-1特征峰由直鏈烷烴和環(huán)烷烴中甲基、亞甲基的C-H鍵伸縮振動(dòng)引起，隨著阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，峰強(qiáng)度也有增大的趨勢(shì)。l 550～1 850 cm-l特征峰是羰基C—O的伸縮振動(dòng)，1340 cm-l處是因?yàn)?=C=0的對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1 259 cm-l特征峰是瀝青中酚羥基或醚氧鍵中的C-O鍵，它們的強(qiáng)度代表了瀝青燃燒產(chǎn)物中含氧基團(tuán)的含量[22-23]?？梢钥闯鰞煞N阻燃劑都有利于提高瀝青燃燒產(chǎn)物的氧化程度，有機(jī)阻燃劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，燃燒產(chǎn)物表面含氧基團(tuán)含量較高，說(shuō)明阻燃氧化層更加致密，阻燃效果更好。

2.3.3 瀝青、阻燃劑與阻燃瀝青表面形貌

圖9是無(wú)機(jī)阻燃劑在750℃，有機(jī)阻燃劑在300，600，900℃熱解產(chǎn)物的SEM圖。無(wú)機(jī)阻燃劑在熱解后表面微觀形貌并無(wú)明顯變化，粒徑減小，大顆粒減少。粒徑減小可能是由于無(wú)機(jī)阻燃劑中的氫氧化鋁和氫氧化鎂大量脫水，釋放大量水蒸氣，稀釋可燃?xì)怏w，促進(jìn)形成致密且穩(wěn)定的炭層，有很好的隔熱、隔氧和阻燃效果，增加了瀝青表面燃燒的難度。

有機(jī)阻燃劑在不同溫度熱解后表面微觀形態(tài)變化明顯。在300℃熱解后，顆粒出現(xiàn)嚴(yán)重的黏連現(xiàn)象，層狀結(jié)構(gòu)被高溫破壞，顆粒表面出現(xiàn)氧化物造成顆粒黏連，團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重；隨著溫度上升，600℃熱解后生成了玻璃狀保護(hù)層，可以限制可燃?xì)怏w和氧氣的擴(kuò)散，同時(shí)可以減少熱量向炭層傳播；溫度升高到900℃時(shí)，保護(hù)層碳化，出現(xiàn)大量裂紋，薄膜的完整性遭到破壞，此時(shí)，有機(jī)阻燃劑的阻燃效果被嚴(yán)重破壞。

圖10是瀝青和無(wú)機(jī)阻燃瀝青在750℃燃燒后殘留物的SEM圖。從圖10中可以看出，瀝青A2在750℃燃燒后殘留物為松散的白色粉末狀，瀝青和無(wú)機(jī)阻燃劑混合燃燒后殘留物表面覆蓋致密性較高的炭層，可以減緩瀝青熱解速率，可以有效阻隔熱量和氧氣的傳遞，并且抑制可燃性氣體揮發(fā)和燃燒。無(wú)機(jī)阻燃劑C2的殘留物顆粒更大，表明此用量下生成的炭層更加致密，阻燃效果最佳。

圖11是瀝青和瀝青在900℃熱解后殘留物的SEM圖。從圖11 中可以看出，瀝青在900℃燃燒后殘留物均為松散的白色粉末狀，有機(jī)阻燃瀝青El燃燒后，白色粉末狀的殘留物有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象；有機(jī)阻燃瀝青E2，E3燃燒后，表面都具有局部光滑、總體凹凸不平的特點(diǎn)，殘留物形成明顯的阻燃層并且出現(xiàn)黏連現(xiàn)象。其中，E3的黏連現(xiàn)象更加明顯、阻燃層更加致密。

3 結(jié) 論

本文研究了一種無(wú)機(jī)阻燃劑和一種有機(jī)阻燃劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%，8%，l0%時(shí)對(duì)瀝青的阻燃效果，利用TG，F(xiàn)TIR，SEM-EDS和錐形量熱儀對(duì)樣品進(jìn)行表征，并分析了阻燃的可能原因：

（1）無(wú)機(jī)阻燃劑隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，阻燃效果呈先上升后下降的趨勢(shì)，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，阻燃效果更好，促進(jìn)瀝青表面生成致密的氧化層從而起到阻燃作用。

（2）有機(jī)阻燃劑隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，阻燃效果也隨之增加，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，阻燃效果最好，阻燃層黏連后更加致密；在燃燒時(shí)，熱釋放降低，同時(shí)，總煙釋放比瀝青的減少30%。

（3）無(wú)機(jī)阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，有機(jī)阻燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，阻燃效果最明顯。相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)量時(shí)，有機(jī)阻燃劑的效果要優(yōu)于無(wú)機(jī)阻燃劑的，這是由于黏連效果，阻燃層較添加無(wú)機(jī)阻燃劑的更加致密。

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[22]裴亮軍，李冬，袁揚(yáng)，等．不同正構(gòu)烷烴溶劑沉淀中低溫煤焦油瀝青質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成變化規(guī)律[J]．化工進(jìn)展，2017，36（6）：210l_2108.

[23]吳偉飛，李玉環(huán)，徐松，等．Mg—Al U）Hs改性瀝青的制備與抗老化性能研究[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36（4）：1—5．