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        高性能膨脹型磷腈防火阻燃涂料的制備及評價體系的建立

        2019-08-01 02:48:20蔡建賓萬芯瑗夏曉健嚴康驊林德源洪毅成陳云翔韓紀層
        浙江化工 2019年7期

        蔡建賓,萬芯瑗,夏曉健,嚴康驊,林德源,洪毅成,陳云翔,韓紀層

        (國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院,福建 福州 350007)

        0 前言

        近年來的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示,在全國各類火災(zāi)事故中電氣火災(zāi)所占比重最大,且引發(fā)的較大以上等級的火災(zāi)事故最多,2008~2016年導(dǎo)致重特大火災(zāi)的直接原因中最多的是電氣火災(zāi),占統(tǒng)計火災(zāi)總數(shù)的30%以上[1]。目前市面上的電纜材料都會在受熱燃燒時產(chǎn)生一系列有毒氣體,而這些有毒氣體正是導(dǎo)致電氣火災(zāi)中大量人員傷亡的主要兇手。因此,如何有效地對電纜材料進行無煙化阻燃成為當今人們研究的熱點[2]。

        自新世紀以來,電纜的防火不再以電纜材料本身防火為主,而是轉(zhuǎn)向在電纜上涂覆阻燃涂料的涂層化。與傳統(tǒng)的電纜材料防火相比,涂層化的阻燃方式成本低廉,且對于整個電纜防火體系的防火效果可以迅速提高。而在各種電纜防火涂料中,傳統(tǒng)的含鹵阻燃劑由于在燃燒時會放出大量有毒物質(zhì),對于環(huán)境和失火現(xiàn)場的被困人員都有很大危害。并且隨著國家對于環(huán)境問題的日益重視,傳統(tǒng)的含鹵阻燃劑必將被淘汰。無鹵阻燃劑中的化學(xué)膨脹阻燃劑(IFR)產(chǎn)生的炭層的數(shù)量和致密性、熱穩(wěn)定性等因素直接決定了阻燃涂料的阻燃性能,采用不同的成炭協(xié)效催化劑與膨脹阻燃劑協(xié)同阻燃電纜材料,達到高效阻燃的目的,也是本領(lǐng)域今后發(fā)展的重要趨勢[3-4]。膨脹阻燃劑以其突出的低毒、高阻燃效果而備受青睞,被廣泛用在電纜防火領(lǐng)域。膨脹型阻燃劑阻燃性能高效的主要原因有:(1)受熱反應(yīng)形成的炭層厚度相比原來的涂層厚度增加了幾十倍甚至上百倍,并且其導(dǎo)熱系數(shù)很小,可以顯著降低高溫對基材的加熱;(2)在受熱時,涂層會發(fā)生一系列物理變化和化學(xué)反應(yīng),反應(yīng)吸收熱量從而延遲了基材溫度升高的速率;(3)涂料中的成分受熱產(chǎn)生不燃氣體,如二氧化碳、氨氣等,稀釋了可燃氣體的濃度,從而延緩了燃燒進程[5]。但膨脹型涂料的缺點也比較明顯,比如添加量較大、阻燃效率不高、容易潮濕等[6]。

        我國目前膨脹型防火涂料依然有許多問題存在,比如依然含有鹵素、成炭不穩(wěn)定、阻燃劑添加量大等[7]。目前的趨勢是向著更低毒環(huán)保、阻燃效率更高發(fā)展。無毒無煙,且還有著高效的阻燃性能是膨脹型阻燃劑的發(fā)展方向。在此基礎(chǔ)上,尋找高效的成炭劑也是備受關(guān)注的一個方向。

        1 膨脹型磷腈防火阻燃涂料

        1.1 膨脹型磷腈防火阻燃涂料簡介

        磷腈屬于一類雜化物,其中以P、N交替排列形成骨架,每一個P上都連有兩個P-CI。由于PCI的活潑型較強,其上的CI很容易被取代,因而可以反應(yīng)得到一系列有著不同功能的磷腈衍生物。這些衍生物中都含有P、N元素,而P、N元素也可以起到阻燃的作用,因此這些衍生物中有一些可以作為阻燃涂料的成分。本文制備的磷腈型阻燃涂料加入了磷腈作為協(xié)效成炭劑。磷腈分子受熱分解會產(chǎn)生磷酸和偏磷酸等酸性物質(zhì),這些酸性物質(zhì)能夠催化炭層的形成,同時能夠釋放氮氣和氨氣等不燃氣體,稀釋可燃氣體濃度,具有比傳統(tǒng)膨脹型涂料更高的阻燃效率,具有發(fā)展前景[8-9]。

        1.2 膨脹型磷腈防火阻燃涂料的制備

        (1)磷腈微球的制備:將 10 g的 4,4-二羥基二苯砜(BPS)加入燒瓶,隨后加入600 mL乙腈。然后加入3.06 g的六氯環(huán)三磷腈(HCCP)并攪拌至完全溶解。隨后滴入5.28 g的三乙胺(TEA),在40 kHz超聲下反應(yīng)15 min,離心分離后用丙酮洗滌,烘干后得到磷腈微球。反應(yīng)式如下:

        原料以及PZS的紅外譜圖見圖1。

        圖1 BPS,HCCP及PZS紅外譜圖

        從圖1可以看出,1584.1 cm-1和1487.8 cm-1為苯環(huán)中的C=C的振動峰,1289.1 cm-1和1153.5 cm-1為O=S=O的振動峰,1187.4 cm-1為 P=N的振動峰,原料BPS在3371 cm-1和3408 cm-1處有較強的酚羥基的振動峰,而PZS中沒有出現(xiàn)此峰,在949 cm-1位置出現(xiàn)了一個新的P-O-苯環(huán)的振動峰,說明成功制備出了磷腈微球。

        (2)改性磷腈微球 (PZS-g-PMo)的制備:將10 g的PZS粉末溶解于250 mL丙酮溶液中,加入3.72 g的1-甲基咪唑后在60℃下回流反應(yīng)24 h得到10.2 g的PZS-甲基咪唑氯鹽。之后向500 mL的去離子水中加入8.5 g的磷鉬酸,再加入上面反應(yīng)得到的PZS-甲基咪唑氯鹽,在常溫下攪拌反應(yīng)10 h后過濾并用去離子水洗滌,烘干后得到改性磷腈微球 (PZS-g-PMo)。反應(yīng)式如下:

        PZS及PZS-g-PMo的紅外譜圖見圖2。

        圖2 PZS及PZS-g-PMo的紅外譜圖

        由紅外譜圖可以看出,與PZS圖相比,PZS-g-PMo在三個不同的位置出現(xiàn)了新峰:1384.7 cm-1處為咪唑環(huán)的振動峰,1063.3 cm-1是P-O的振動峰,800.8 cm-1是Mo-O-Mo的振動峰。說明咪唑磷鉬酸成功地與PZS微球進行了化學(xué)反應(yīng)。

        (3)膨脹型磷腈防火涂料的制備:選用丙烯酸樹脂作為防火涂料的基體材料,將步驟(2)得到的改性磷腈微球與丙烯酸樹脂復(fù)配得到膨脹型磷腈防火涂料的最終產(chǎn)品。將12.4 g改性磷腈微球與21.6 g丙烯酸樹脂在80℃恒溫下以95 r/min攪拌反應(yīng)2.5 h即得到最終產(chǎn)品。

        2 評價體系的選擇和建立

        我國電纜防火涂料采用GB 28374—2012標準進行性能的檢測評估,我們在參考GB 28374—2012標準的同時,結(jié)合實際情況下對于涂料快速評估的要求,現(xiàn)提出以下性能檢測作為我們建立的新的評價體系的內(nèi)容。

        2.1 在容器中的狀態(tài)

        涂料充分攪拌后,觀察涂料是否均勻,有無結(jié)塊。

        根據(jù)觀察結(jié)果,本文制備的膨脹型磷腈防火阻燃涂料在容器中分散均勻,且無結(jié)塊。

        2.2 細度

        按 GB 28374—2012中 GB/T 6753.1的規(guī)定進行試驗。在GB/T 6753.1規(guī)定的細度板上進行測試,取三次試驗結(jié)果的平均值為最終結(jié)果。

        根據(jù)測試,本文制備的膨脹型磷腈防火阻燃涂料的三次測試結(jié)果分別為 90μm,90μm,85μm。所以制備的膨脹型磷腈防火阻燃涂料的平均細度為88μm。

        2.3 黏度

        按照GB/T 1723的規(guī)定進行試驗。采用乙法涂-4粘度計法進行試驗。

        根據(jù)試驗結(jié)果,得到校正系數(shù)k的平均值為1.194,制備的膨脹型磷腈防火阻燃涂料的流出時間平均值為74.38 s。

        2.4 干燥時間

        按GB/T 1727-92的規(guī)定,現(xiàn)采用甲法—吹棉球法檢測涂層是否表面干燥。

        根據(jù)測試結(jié)果,制備的膨脹型磷腈防火阻燃涂料的表干時間為3 h。

        實際干燥時間的測定,采用甲法—壓濾紙法。

        根據(jù)測試結(jié)果,制備的膨脹型磷腈防火阻燃涂料的實干時間為15 h。

        2.5 耐油性

        取3根一定長度的電纜涂上涂料,涂料干燥后,用石蠟和松香1∶1混合物對要浸泡的一端進行封端后浸泡于機油中。

        每24 h觀察記錄一次電纜情況。7 d試驗后,若有2根或以上表面沒有明顯損壞,則認為涂料的耐油性合格。

        根據(jù)測試結(jié)果,涂有制備的涂料的3根電纜經(jīng)過7 d浸泡后均無明顯損壞,因此制備的膨脹型磷腈防火阻燃涂料耐油性合格。

        2.6 耐鹽水性

        取3根一定長度的電纜涂上涂料,涂料干燥后,用石蠟和松香1∶1混合物對要浸泡的一端進行封端后浸泡于3%的NaCl溶液中。

        每隔24 h觀察記錄一次電纜情況。7 d試驗后,若有2根或以上沒有明顯損壞,則認為涂料的耐鹽水性合格。

        根據(jù)測試結(jié)果,涂有制備的涂料的3根電纜經(jīng)過7 d浸泡后均無明顯損壞,因此制備的膨脹型磷腈防火阻燃涂料耐油性合格。

        2.7 耐濕熱性

        取3根一定長度的電纜涂上涂料,涂料干燥后,將電纜放置于溫度45℃、相對濕度95%的調(diào)溫調(diào)濕箱中7 d。

        每隔24 h觀察一次電纜情況,7 d后,若有2根或以上的電纜無明顯損壞,則認為涂料的耐濕熱性合格。

        根據(jù)測試結(jié)果,涂有制備的涂料的3根電纜經(jīng)過7 d浸泡后均無明顯損壞,因此制備的膨脹型磷腈防火阻燃涂料耐油性合格。

        2.8 耐凍融循環(huán)性

        取3根一定長度的電纜涂上涂料,涂料干燥后,放置于-20℃的低溫箱中3 h,再放入50℃的烘箱中3 h,再放入溫度25℃、50% 的環(huán)境下18 h。

        上述試驗循環(huán)15次后,若有2根或以上的電纜無明顯損壞,則認為涂料的耐凍融循環(huán)性合格。

        根據(jù)測試結(jié)果,涂有制備的涂料的3根電纜在15個周期后均無明顯損壞,因此制備的膨脹型磷腈防火阻燃涂料耐凍融循環(huán)性合格。

        2.9 抗彎性

        取3根15 cm的電纜涂上涂料,涂料干燥后,分別迅速繞著一定直徑的圓柱體正反方向各纏繞一圈。電纜基本恢復(fù)原狀后,觀察涂層是否有明顯損壞。

        若3根電纜中有2根或以上的電纜無明顯損壞,則認為涂料的抗彎性合格。

        根據(jù)測試結(jié)果,涂有制備的涂料的3根電纜均無明顯損壞,因此制備的膨脹型磷腈防火阻燃涂料抗彎性合格。

        2.10 阻燃性

        阻燃性的測試結(jié)果,為了對實際應(yīng)用更具有指導(dǎo)意義,采用以下方法進行測試。

        針對同一涂料,分別在基材上涂上不同厚度的涂料,然后分別用噴槍在一恒定溫度下進行燃燒,通過熱電偶測得燃燒的溫度,并記下燃燒的時間。通過比較涂有不同厚度涂料的基材的燃燒狀況,得到涂料在一定涂料厚度和溫度以及燃燒時間下的阻燃性能。

        本文制備的磷腈型防火阻燃涂料,主要優(yōu)勢在于燃燒時生成致密的炭化層,隔絕空氣的同時,還可以有效隔絕熱量向內(nèi)擴撒,從而達到高效阻燃的效果。

        根據(jù)上述測試方法,現(xiàn)選擇涂有400μm,600 μm,800 μm,1000 μm 厚度涂料的基材進行燃燒。燃燒溫度為800℃,燃燒時間為15 min。實際燃燒結(jié)果見圖3。

        根據(jù)實際燃燒結(jié)果可以看出,400μm厚度涂料的燃燒狀況最差,隨著涂料厚度的增加,燃燒狀況逐漸轉(zhuǎn)好。對比600μm,800μm和1000μm厚度涂料的燃燒狀況,隨著涂料厚度增加,燃燒狀況的轉(zhuǎn)好趨勢趨于平穩(wěn),800μm與1000μm厚度涂料的燃燒狀況改變不大??紤]實際成本和阻燃要求,可優(yōu)先選擇800μm厚度的涂料。

        3 總結(jié)

        本文制備了一種高效的膨脹型磷腈防火阻燃涂料,并參考國家標準和結(jié)合實際運用,制定了評價膨脹型防火阻燃涂料的評價體系。制備的膨脹型磷腈防火阻燃涂料是一種性能優(yōu)異的新型涂料,其性能檢測結(jié)果,在符合國家標準的情況下,還考慮到實際運用的問題,是一種有巨大潛力的涂料。

        圖3 阻燃性測試圖

        建立的評價體系,既參考了國家標準,又考慮了實際因素,理論和實際相結(jié)合,能夠較為全面地評價一種涂料,具有重要的指導(dǎo)意義。

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