1前言
随着我国经济的高速发展,作为基础工业的能源工业以及作为高科技产业基础的
通讯业得到了迅猛的发展。但是近十年来,由于电缆防火性能差而烧损的电缆约40万
m,造成经济损失100亿元以上,并有大量的人员伤亡。
电缆护套多由氧指数较高的树脂制成,如聚氯乙烯(PVC,其LOI为42,具有自熄能
力)。这些材料在没有持续热源的情况下,也能起到一定的防火作用,一旦已经起火或
有持续热源的存在,其阻燃性或防火能力就变得非常有限。而且这些含氯的材料在着
火初期甚至着火前会释放出大量有毒气体如CO和HCL。有资料报导,PVC在着火时产生
的CO大约是普通聚烯短的5倍;当空气中CO的浓度达到0.5%时,就能致人死亡。
美国消防协会统计数据表明,火灾中的人员死亡主要是由于窒息和毒烟(∞和卤
化氢EK)造成的,大体比例是80%源于毒烟,13%源于高温7%为其它原因。更有资料表明,
当电缆燃烧时放出的腐蚀性气体(主要是EE)造成的损害远远二大于火灾直接造成的损
失。如1971年瑞士的伯尔格核电站火灾事件中,由于2000m3的汽轮机润滑油泄露,使
5lm 长的PVC电缆全部烧毁,全厂被污染,使灭火工作遇到极大困难。这次火灾证明了
聚氯乙烯高聚物材料不但不是难燃材料,而且点燃后还可延燃;再如马岛战争中,装备
现代化的驱逐舰"考文垂"号和"谢菲尔德"号被飞鱼豆导弹击中后,迅速引燃了舰上的
氯丁橡胶和聚氯乙烯电缆,造成火势蔓延,继而使船舱内炮弹受热而爆炸,最终造成了
军舰葬身于海底的惨局。
可见,仅靠电缆护套材料本身来进行防火保护是很不够的。以目前的技术经济条
件来看,对电缆进行防火保护最经济、方便、有效的办法是在现有的电缆上涂刷一层
具有良好防火效果的电缆防火涂料。
2实验部分
2.1涂料的制备
2.1.1原料及配方
图1原料及配方
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原料名称 质量分数/%.
树脂 5~15
酸源 20~3O
气源 5~10
炭源 5~10
稀料 30~40
阻燃剂 5~10
炭化层增强剂 5~10
颜填料 5~10.
助剂 1~2
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2.1.2制漆步骤
按配方中的用量将各种材料混合在一起,并用高速分散机分散均匀:用三辘机研磨
至一定细度,补加稀料,并搅拌均匀。
2.1.3耐火性能评价
在研究过程中,涂料防火性能的好坏是通过比较炭化层质量来评价的。试验条件
为:稳定的酒精喷灯火焰、试件离灯口一定高度、一定的时间、一定的漆膜厚度。
2.2性能的测试
本涂料经国家防火建筑材料质量监督检验中心按GA181-1998检测,各项指标均达
到了A类电缆防火涂料的标准,结果如表2。
表2防火涂料的性能测试结果
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检验项目 检验结果 检验方法
阻燃性(炭化 0.5 GBA12666.5-90
高度)/m
在容器中状态 无结块, 白色粘 GA181-98.5.3
稠体
细度/um 85 GBfIY5753.1-86
粘度(涂一4 120 GB/r1723-93
杯)A
表干时间/h 0.5 GBA1728-89
实干时间/h
耐油性 浸泡7天,符合 GA181-98·5.7
要求
耐盐性 浸泡3天,符合 GA181-98.5.8
要求
耐湿热性 7天试验后,符 GA181一98.5.9
合要求
耐冷热 循环性15次循环,符合 GA181-98.5.10
要求
抗弯性 符合要求 GA181-98.5.11
注:细度检验结果展伸不确定度U95=5um
3结果与讨论
3.1阻燃性
. 对膨胀型防火涂料而言,炭化层质量的好坏对.涂层防火阻燃性能有决定性的影
响。所以把研究的.重点放在如何提高炭化层质量上(绝热、隔氧)。
3.1.1炭化物的产量
. 提高炭化物产量是改进膨胀型防火涂料阻燃性.的有效途径〔9〕,在膨胀型防火
涂料中,炭化物的回来源有两个:树脂和炭源。
①树脂对炭化物产量的影响
膨胀型防火涂料的成膜物一方面要具有普通涂.料基料的作用,另一方面还应该对炭化
物的总量有.帮助,否则就会导致涂料配方中炭源材料用量过多而使涂层物理性质恶
化。可用于防火涂料的树脂有很多如高氯化聚乙烯、氯化橡胶、丙烯酸树脂、醇酸树
脂、苯丙乳液、纯丙乳液、氯偏乳液等。这其中,含氯树脂由于氯素的存在导致树脂
材料在燃烧时发生不完全燃烧,从而产生大量的炭化物。单独丙烯酸树脂只能产生很
少量的炭化物质;但是当丙烯酸树脂与含磷阻燃剂如聚磷酸镀共用时,就会产生大量致
密的炭化物质层。季戊四醇是醇酸树脂主要成分之一,而季戊四醇正是常见的防火涂
料的炭源,因而醇酸树脂在燃烧过程中也能产生大量的炭化物质叭由于水性涂料在理
化性能方面的缺陷,我们只对一些油性树脂产生的炭化物进行了如下对比实验,即使与
聚磷酸镀共用,丙烯酸树脂产生的炭化物产量仍是最少的。
名称 HCPE CR ACL AC2 AC3 AC4 AL1 AL2
炭化物产量10 8 6 5 5 6 9 9
注:数字5~10表示炭化物产量由最少到最多;HcPE代表高氯化聚乙烯CR代表氯化橡胶AC
代表丙烯酸树脂;AL代表蹲酸树脂(下同)。.
②(多)季戊四醇对炭化物产量的影响
目前,国外防火涂料的炭源主要是二季戊四醇或三季戊四醇,多季戊四醇与单季戊
四醇相比在成炭量、炭化层强度和耐水性方面有很明显的优势。但在我国市场上,多
季戊四醇的来源比较困难,因此基本上都采用单季戊四醇作为主炭源,淀粉、纤维素等
多起基化合物虽然也可用作炭源,但在加工性、耐水性等方面有较大缺陷,因而并不常
用。对市场上的季戊四醇进行对比实验,发现炭化物产量与季戊四醇生产厂家关系不
大,在一定范围内与用量基本上成正比。:
3.1.2炭化层均匀程度对阻燃性的影响胃
理想的炭化层发泡要均匀,呈蜂窝状,每个小室应密闭充满气体,整个炭化层要致密。
影响炭化层致密均匀程度的因素主要有两方面。
.a、树脂
不同的树脂对炭化层的均匀程度影响很大,对量比结果如下。
名称 HCPE CR ACL AC2 AC3 AC4 AL1 AL2
炭化层状况 5 6 10 10 10 10 7 7.
注:数字5~10表示炭化层致密程度由差到好;5表示发泡均匀程度最差,大泡数量最多,
炭化层外层开裂处最多;10表示发泡最均匀、致密、元开裂现象。'
从实验结果看出,含氯树脂和醇酸树脂的炭化层其外表层有开裂现象,且炭化层内
部有零星大泡;丙烯酸树脂生成的炭化层在量上虽不如含氯树脂和醇酸树脂多,但是其
炭化层结构最均匀,整个膨胀层基本上没有大泡产生,而且,其发泡最外层基本元开裂
现象。
b、发泡剂
涂料中必须有气源物质才能在受热时膨胀形成厚度比原来厚几十倍的炭化层。能
促进膨胀的气体主要是一些不燃性气体,如CO、C02、N2、NH3等对涂料体系而言,∞、
∞2主要来源于树脂等有机物,N2、NH3等则主要来源于阻燃剂和发泡剂。要想使发泡
比较均匀致密,这些不燃性气体必须均匀、适时的释放出来,即:当温度升至某一高度
时,树脂软化、熔融,同时不燃性气体产生,将涂层鼓起。太早,涂层还没软化,发泡被
抑制或产生的气体将涂层破坏;太晚,涂层流动程度太高发生流淌。目前,常用的主发
泡剂是三聚氨胶,辅助发泡剂有聚磷酸钱、氯化石蜡等。
三聚氨胶在高温时热分解出NE毡,N,它的作用是促使涂层均匀发泡,按同一标准生
产的同一等级的不同厂家的产品,对炭化层的影响无明显区别。
聚磷酸钱在270℃时发生分解,在提供脱水催化剂的同时,分解出一部分Mf3,目前
几乎所有的膨胀型防火涂料都要使用它。不同厂家的产品其聚合度、粒度、杂质不
同,因此对炭化层的致密性有较大的影响,比较结果如下。
名称 APP1 APP2 APP3 APP4 APP5 APP6
炭化层致密程度 5 10 1 0 10 7 7
注:数字5~10表示炭化层致密程度由差到好;5表示发泡均匀程度最差、大泡;10表示发
泡最均匀、细密。
氯化石蜡(CP)既能作为增塑剂,也可用作发泡剂。但是它的含氯量、生产厂家对
涂层发泡行为有很大的影响。
3.1.3炭化层强度对阻燃性能的影响
研究表明,炭化物产量和致密均匀程度并不是防火效果好的充分条件,因为在火灾中空
气流动比较剧烈,若炭化层没有足够强度,就会很容易被气流破坏掉,所以炭化层的强
度对防火效果也是至关重要的。
炭化层强度主要受以下几个方面的因素影响,树脂和(多)季戊四醇、炭化层增强剂。
a、(多)季戊四醇
对多季戊四醇和单季戊四醇形成的炭化层进行了对比,多季戊四醇形成的炭化层在质
量上比单季戊四醇好;同是单季戊四醇,由于生产厂家不同,炭化层也有不同。
季戊四醇 1# 2# 3# 4# 5# 多季戊四醇
炭化层强度 8 8 5 5 7 10
注:数字5~10表示炭化层强度由差到好;5表示炭化层强度最差:10表示炭化层强度最
好。
b、树脂
对几种树脂产生的炭化层强度进行了对比,结果如下。
脂名称 HCPE CR AC1 AC2 AC3 AC4 AL1 AL2
炭化层强度 3 3 7 10 10 8 1 1
注:数字1~10表示炭化层强度由差到好:1表示炭化层强度最差;10表示炭化层强度最
好。通过对比可以看出,丙烯酸树脂形成的炭化层的强度是最好的。
c、炭化层补强剂
为了进一步提高炭化层的强度,在涂料配方中加入了炭化层补强剂。炭化层补强
剂的作用与膨胀剂相反,当炭化层补强剂的用量达到一定程度时能明显抑制涂层的发
泡。配方体系不同,炭化层补强剂的用量也有明显的不同。针对本发泡体系而言,当炭
化层补强剂的用量达到10%左右时,就能完全抑制涂层的发泡行为。从下列可以看出,B
能明显增强炭化层表层的强度,对炭化层内部影响不大;而A虽能增强炭化层整体的强
度,但炭化层表面有发白现象。本涂料选用的是二者联合的实验其结果如下。
名称 A B A+B C
炭化层 强度均匀 炭化层外层 强度增加 无明
强度 增加,表 强度明显提 比A、B好, 显效
层发白 高,表层不发白 表层基本 果
不发白
3.2耐盐水性
与钢结构防火涂料及饰面型防火涂料相比,电缆防火涂料增加了耐396NaCl溶液这
一指标。氯离子具有非常强的渗透力,对漆膜的破坏性非常大。对防火涂料而言,由于
颜基比很高,且所用原材料中聚磷酸钱、季戊四醇等均有很高的亲水性,所以仅仅通过
简单填加防水剂的办法根本无法达到要求,必须对所用全部原材料的亲水性(水溶性)
进行筛选。比较实验结果发现,单纯提高某些材料的耐水性级别,对整个涂料体系的耐
水性没有很大的改进,只有涂料配方体系中各种原材料搭配合理,才能使涂料体系的耐
水性有较大的提高。
3.3抗弯性
在GA181-1998中,抗弯性与阻燃性同为A类缺陷指标,与阻燃性同等重要。在其它
材料基本确定的情况下,只能通过填加增塑剂的方法来解决。通过实验可以看出,一般
小分子的增塑剂(包括含阻燃元素的)对炭化层有破坏作用,较大分子的增塑剂在提高
漆膜韧性的同时基本不对其它性能造成负面影响。
3.4细度对涂料性能的影响
对一般涂料而言,细度越细,综合性能就越好。通过研究涂料细度对本电缆防火涂
料的影响,结果发现并非越细越好。当细度低于701im时,漆膜外观最好,但施工性能变
差、加工难度变大;细度大于10011m时,漆膜外观明显变差,涂层发泡均匀程度变差;当
细度在(80~90)问时,综合性能最好,加工、施工方便、漆膜平整,炭化层质量好。
4.结论完
本防火涂料是以丙烯酸树脂为基料的P-N-C膨胀体系的膨胀型防火涂料,经国家防
火建筑材料质量监督检验中心按GA181-1998检测,炭化高度仅为0.5m,远远超过了电缆
防火涂料A类产品的标准(炭化高度不大于2.5m),处于国内领先 |
