可膨脹石墨對CPE/EPDM基鋼結(jié)構(gòu)防火卷材性能的影響

楊守生，鄭 斌，牛貴來，周俊偉，牛少偉,孟 濤

(1.中國人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000； 2.石家莊市消防救援支隊，河北 石家莊 050000；3.駐馬店市消防救援支隊，河南 駐馬店 463000； 4.濮陽市消防救援支隊，河南 濮陽 457000)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)材料是指涂覆或者包覆在鋼結(jié)構(gòu)表面，提高其耐火極限的材料，常用的有鋼結(jié)構(gòu)防火涂料、防火板等，噴涂鋼結(jié)構(gòu)防火涂料和包覆鋼結(jié)構(gòu)防火板材，是鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)中最常用的兩種保護(hù)方法[1]。鋼結(jié)構(gòu)防火卷材是一種新型防火保護(hù)材料，是以膨脹型防火涂料為基礎(chǔ)的改型材料[2-5]，從環(huán)保及預(yù)制施工性角度看，該類材料具有應(yīng)用前景。開發(fā)較防火涂料有更高耐火性能和超長耐久性能的防火卷材是研究者追求的目標(biāo)?？膳蛎浭鳛榕蛎浶妥枞紕?yīng)用于高分子材料的阻燃，在體系中具有成炭性、發(fā)泡性和抑煙性，可有效改善阻燃材料的防火性能和耐火性能[6]。本文將可膨脹石墨應(yīng)用于CPE/EPDM基鋼結(jié)構(gòu)防火卷材中[7]，以提高其防火保護(hù)性能。

1 試驗部分

1.1 主要試驗材料

三元乙丙橡膠(EPDM)，Nordel 1040，工業(yè)級，杜邦公司；氯化聚乙烯(CPE)，GRADE:SG-7,臨沂奧星化工有限公司；聚磷酸銨(APP)：Ⅱ型，江蘇鎮(zhèn)江星星阻燃劑公司；三聚氰胺(MEL)，中國醫(yī)藥上?；瘜W(xué)試劑公司；季戊四醇(PER)，天津大茂化學(xué)儀器供應(yīng)站；可膨脹石墨EG-AF(50目)、EG-E300(80目)、EG-100(100目)、EG-200(200目)，工業(yè)級，青島大旺石墨有限公司；防火膠，廊坊碩達(dá)保溫材料有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

開放式煉膠(塑)機(jī)，X(S)K-160，無錫美鈺橡膠機(jī)械制造有限公司；平板硫化機(jī)，XLB-D350×350×2-Z，上海第一橡膠生產(chǎn)廠；氧指數(shù)測定儀，HC-2，南京江寧分析儀器廠；水平垂直燃燒儀，UL94SCZ-3，南京上元分析儀器廠；錐形量熱儀，S001，F(xiàn)ire Testing Technology Ltd.UK；萬能電子試驗機(jī)，XWW-10A，承德金建檢測儀器有限公司；耐火性能測試儀，自制。

1.3 樣品制備

在CPE/EPDM基鋼結(jié)構(gòu)防火卷材配方中(基料70%、APP15%、MEL9%、PER6%)[7]，加入不同量和不同粒徑的可膨脹石墨，經(jīng)共混、混煉、平板硫化制得試樣。

1.4 測試方法

錐形量熱儀(CONE)分析：按照ASTME-1354標(biāo)準(zhǔn)對試樣進(jìn)行CONE試驗[8-9]，熱輻射功率為35 kW·m-2。拉伸試驗：試驗速度100 mm·min-1，最大負(fù)載500 N，最大位移23。彎曲試驗：試驗速度2 mm·min-1，最大負(fù)載500 N，最大位移23。耐火性能試驗：采用自制的模擬大板法燃燒試驗裝置來測試鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)材料的耐火性能[2-3]。

2 結(jié)果和討論

2.1 石墨粒徑對鋼結(jié)構(gòu)防火卷材性能的影響

表1是含15%不同粒徑可膨脹石墨的CPE/EPDM基鋼結(jié)構(gòu)防火卷材性能數(shù)據(jù)。由表1可以看出，可膨脹石墨的粒徑對防火卷材的耐火性能影響顯著。在本體系中50目可膨脹石墨提高了CPE/EPDM基鋼結(jié)構(gòu)防火卷材的耐火性能，其耐火極限達(dá)到了1.48 h，是原卷材耐火極限的4.93倍，源于可膨脹石墨受熱物理膨脹生成的“蠕蟲”狀炭體和APP/PER/MEL之間化學(xué)膨脹產(chǎn)生的膨脹層交聯(lián),具有類似纖維的增強(qiáng)作用，提高炭層強(qiáng)度，使炭層結(jié)構(gòu)緊密。隨著可膨脹石墨粒徑減小耐火性能下降，是因為小粒徑可膨脹石墨受熱膨脹倍數(shù)小，不足以填充原材料受熱成炭的空穴[10]?？膳蛎浭岣吡司聿牡睦煨阅芎涂箶嗔研阅?，添加50目石墨時材料的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率分別為7.56 MPa與1 477.16%，較未加入石墨的防火卷材分別提升了138.49%和42.68%；彈性模量和最大應(yīng)力分別是6.92 MPa和8.08 MPa，較未加入石墨的防火卷材分別升高了2.22%和27.24%。

表1 石墨粒徑對防火卷材性能的影響

2.2 石墨用量對鋼結(jié)構(gòu)防火卷材性能的影響

表2是添加50目可膨脹石墨的CPE/EPDM基鋼結(jié)構(gòu)防火卷材性能數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，可膨脹石墨用量對防火卷材的耐火性能有影響。添加5%的可膨脹石墨，可以提高耐火極限333.33%。添加可膨脹石墨5%～15%之間，卷材耐火極限增加不顯著，含量超過20%時耐火極限顯著下降，在本體系中石墨用量在5%～15%為宜。適量的可膨脹石墨受熱膨脹變成長短不均勻的“蠕蟲”狀物穿插于炭質(zhì)層中,填充炭層孔隙，增強(qiáng)炭層強(qiáng)度。石墨用量過度時，因其在較低溫度下大量膨脹，使基料樹脂變得疏松，其催化成炭后變得疏松多孔，受熱升力作用隨煙氣流失，炭層出現(xiàn)空隙，耐火極限下降，如圖1所示。

表2 石墨用量對防火卷材性能的影響

適量的石墨可以改善卷材的力學(xué)性能。卷材的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率隨石墨用量的增加先上升后下降。石墨含量為15%的卷材斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長率較未加入石墨的防火卷材分別提升了138.49%和42.68%；石墨含量為20%的卷材斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率分別為2.68 MPa和900.54%，較石墨用量為15%的防火卷材分別下降了64.55%和39.04%。

(a)含石墨15%的炭層

(b)含石墨20%的炭層

2.3 含石墨鋼結(jié)構(gòu)防火卷材防火性能分析

表3為防火卷材的35 kW·m-2輻射功率CONE試驗結(jié)果。可膨脹石墨加入使卷材的點燃時間縮短。未加石墨的防火卷材的熱釋放速率峰值(pkHRR)、平均熱釋放速率(av-HRR)和總釋放熱(THR)分別為49.58 kW·m-2、21.24 kW·m-2和28.65 MJ·m-2；加入15%可膨脹石墨的防火卷材的pkHRR由49.58 kW·m-2降低至35.49 kW·m-2，降幅達(dá)到28.42%，THR由28.65 MJ·m-2降低至26.48 MJ·m-2，降幅達(dá)到7.57%。含石墨防火卷材達(dá)到pkHRR的時間比不含石墨卷材延遲了200 s，說明石墨對防火卷材具有阻燃隔熱作用。未加石墨的防火卷材的平均比消光面積與平均一氧化碳產(chǎn)率分別為2 183.75 m2·kg-1、0.06 kg·kg-1，加入15%可膨脹石墨防火卷材的平均比消光面積與平均一氧化碳產(chǎn)率分別為313.63 m2·kg-1、0.04 kg·kg-1，降低了85.64%和33.33%。石墨對防火卷材有抑煙作用,煙氣毒性也大大降低。

表3 防火卷材CONE測試結(jié)果

表4為防火卷材的火勢增長指數(shù)(FGI)、發(fā)煙指數(shù)(TSPI6min)、放熱指數(shù)(THRI6min)和毒性氣體生成速率指數(shù)(ToxPI6min)四項燃燒性能指數(shù)。含15%石墨的防火卷材的FGI、TSPI6min、THRI6min、ToxPI6min均小于未加可膨脹石墨的防火卷材，降幅分別達(dá)到了46.34%、5.40%、17.51%、4.24%，是因為可膨脹石墨使防火卷材炭層的致密性和厚度增加，阻止熱量傳遞，降低了材料的火災(zāi)危險性和危害性。

表4 材料燃燒性能指數(shù)

3 結(jié)論

3.1 石墨的粒徑對鋼結(jié)構(gòu)防火卷材性能有顯著影響。含15%粒徑為50目可膨脹石墨的防火卷材耐火極限是不含石墨的防火卷材耐火極限的4.93倍。防火卷材的耐火極限隨粒徑的增加呈先下降后上升的趨勢。防火卷材的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率隨著石墨粒徑的減小而減小。添加50目石墨時防火卷材的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率、彈性模量、最大應(yīng)力較未加入石墨的防火卷材分別提升了138.49%、42.68%、2.22%和27.24%。

3.2 石墨用量對鋼結(jié)構(gòu)防火卷材性能有顯著影響。隨石墨用量的增加，材料耐火極限先上升后下降。添加5%的可膨脹石墨，可以提高耐火極限333.33%。添加可膨脹石墨5%～15%之間，卷材的耐火極限增加不顯著，含量超過20%時耐火極限顯著下降，在本體系中石墨用量在5%～15%為宜。

3.3 可膨脹石墨使防火卷材防火阻燃性能有提升。含15%可膨脹石墨防火卷材的熱釋放速率峰值、總釋放熱、平均比消光面積、平均一氧化碳產(chǎn)率較原卷材分別下降了28.42%、7.57%、85.64%、33.33%，pkHRR的時間延遲了200 s；FGI、TSPI6min、THRI6min、ToxPI6min均小于未加可膨脹石墨的防火卷材，降幅分別達(dá)到了46.34%、5.40%、17.51%、4.24%，降低了材料的火災(zāi)危險性和危害性。