阻燃密封膠在地鐵人防工程中的應(yīng)用研究

王 帥，韓 瑜,2 ，劉 麗

(1.遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110005；2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024)

1 材料與要求

防火封堵是采用防火封堵材料對孔開口、貫穿孔口、建筑縫隙進(jìn)行密封和填塞，使其在規(guī)定的耐火時(shí)間內(nèi)與相應(yīng)構(gòu)件協(xié)同工作，以阻止熱量、火焰、煙氣蔓延擴(kuò)散的一種技術(shù)性措施。用于普通工業(yè)與民用建筑的防火密封膠不僅具有遇火時(shí)阻煙、防火和隔熱的性能，還應(yīng)具有滿足變形縫隙帶來的拉伸壓縮、剪切作用等物理性能。

地鐵人防封堵除滿足上述功能外，還必須具備如下功能：

(1) 優(yōu)良的氣(煙)密性和水密性，滿足戰(zhàn)時(shí)的防毒、防化和防液的功能需求。

(2) 防核輻射，達(dá)到相應(yīng)的照射等級要求。

(3) 抗沖擊波破壞等級要求。

(4) 在相對濕度較大的地下環(huán)境下，長期使用受潮不吸水，不風(fēng)化分解，防止失去原有防火功效。

(5) 地鐵人防工程內(nèi)部機(jī)電設(shè)備多，電纜密集，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家防火封堵材料測試標(biāo)準(zhǔn)中電纜填充面積在5%以下。而電纜填充面積超過5%的封堵節(jié)點(diǎn)，應(yīng)采用經(jīng)過等效工況測試的防火封堵材料及工藝。

(6)地鐵車輛的運(yùn)行造成地鐵內(nèi)構(gòu)筑物、設(shè)備、管線和橋架等隨之頻繁震動，而且檢修維護(hù)十分困難，應(yīng)采用具有適當(dāng)粘接強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)耐久性好的材料，同時(shí)兼顧維修方便的材料和工藝。

目前市場上應(yīng)用的大多數(shù)防火封堵材料(如防火包、防火模塊、防火膠泥等)基本都不能適合地鐵人防工程的要求。

2 阻燃密封膠的研制

結(jié)合以上要求，根據(jù)環(huán)氧樹脂固化后具有收縮率低、耐化學(xué)介質(zhì)、對各種金屬和部分非金屬材料均有良好的粘結(jié)性能等優(yōu)點(diǎn)，選擇以環(huán)氧樹脂做為密封膠基質(zhì)，研制出專門用于地鐵人防封堵工程的阻燃密封膠。

2.1 阻燃機(jī)理

常規(guī)的環(huán)氧樹脂是易燃材料，其氧指數(shù)平均值只有19.8%左右，并且離火后持續(xù)自燃，且激烈燃燒時(shí)產(chǎn)生大量黑煙。國內(nèi)建筑工程的防火封堵材料，主要是通過添加鹵素阻燃劑來獲得優(yōu)良的阻燃性。雖然鹵素材料具有良好的阻燃效果，但是當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)會釋放大量的煙霧和氯化氫氣體，這些煙霧和氯化氫氣體會強(qiáng)烈的刺激人眼和呼吸系統(tǒng)，阻礙消防人員和救援人員的滅火和搶救工作，開發(fā)無鹵阻燃劑已成為國內(nèi)阻燃材料領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。并且單一阻燃劑的特性不能滿足材料的阻燃、抑煙和隔熱要求，復(fù)合阻燃體系兼有多重阻燃劑的特性，研究不同阻燃劑的復(fù)合協(xié)同作用為國內(nèi)阻燃材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

本文研發(fā)的阻燃密封膠采用了無機(jī)、有機(jī)雙核協(xié)效膨脹阻燃體系，不僅保持了環(huán)氧樹脂膠黏劑優(yōu)良的物理力學(xué)性能和高強(qiáng)的黏結(jié)性能，還具有優(yōu)異的阻燃抑煙性能。

有機(jī)阻燃體系以三聚氰胺多聚磷酸鹽(MPP)季戊四醇(PER)組合為基材,這是一組氮磷類膨脹型有機(jī)阻燃劑，是碳源(成碳)、酸源(脫水劑)和氣源(發(fā)泡劑)的綜合載體，MPP在環(huán)氧樹脂體系中阻燃機(jī)理可以分為凝聚相的阻燃作用和蒸汽相的阻燃作用。凝聚相阻燃機(jī)理因?yàn)轶w系在遇熱分解過程中，MPP發(fā)生如下變化：聚磷酸鹽→磷酸→偏磷酸→聚偏磷酸，而聚偏磷酸是不易揮發(fā)的穩(wěn)定化合物，是強(qiáng)脫水劑，促使三聚氰胺和PRE迅速膨脹、脫水碳化，進(jìn)而形成致密碳層覆蓋于燃燒面，這種致密的單質(zhì)碳保護(hù)層和膨脹層使基質(zhì)與熱和氧隔絕開來，起到阻燃作用。蒸氣相阻燃機(jī)理因?yàn)镸PP是一種自由基捕捉劑，在聚合物燃燒時(shí)產(chǎn)生可以捕捉蒸氣相中H 游離基和OH 游離基的活性自由基，從而起到抑制火焰的作用。另外，MPP在阻燃過程中可以產(chǎn)生水分和惰性氣體，一方面可以降低凝聚相的溫度，另一方面可以稀釋蒸氣相中可燃物的濃度，從而更好的起到阻燃作用。

表1 MPP對環(huán)氧樹脂固化物氧指數(shù)、煙密度和沖擊強(qiáng)度的影響

注：MPP份數(shù)為占環(huán)氧樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

三聚氰胺多聚磷酸鹽(MPP)的加入能夠明顯改善環(huán)氧樹脂的阻燃效果，添加5～40份能使環(huán)氧樹脂固化物的LOI值從24.3%升高到33.6%，SDR值從52.5降低到41.2。MPP的加入對環(huán)氧樹脂固化物起到類似增韌劑的作用，隨著MPP用量的增加，抗沖擊強(qiáng)度先增后降，加入20份時(shí)抗沖擊強(qiáng)度最高。

無機(jī)阻燃體系以熱處理過納米級氫氧化鋁(ATH)為基材。ATH在環(huán)氧樹脂體系中具有阻燃、消煙、填充三重功能，不揮發(fā)、無毒、腐蝕性小，在燃燒時(shí)無二次污染，被譽(yù)為無公害阻燃劑。熱處理過的ATH熱分解溫度可以從195.35 ℃提高到242.15 ℃，并且納米級ATH粒子相比之下分散性大大提高，可以使體系表面形成一層單分子覆蓋膜，可以極大減小其表面能，減弱粒子間的強(qiáng)吸附作用。因此熱處理過的納米級ATH具有極佳的耐高溫性和優(yōu)良的可分散性、成型可塑性，是一種理想的新型阻燃密封材料。

表2 ATH對環(huán)氧樹脂固化物氧指數(shù)、煙密度和沖擊強(qiáng)度的影響

注：試驗(yàn)在MPP份數(shù)為20的最佳條件下，ATH份數(shù)為占環(huán)氧樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

試驗(yàn)表明，納米級ATH加入能夠明顯改善環(huán)氧樹脂的阻燃效果，添加0～20份能使環(huán)氧樹脂固化物的LOI值從30.4%升高到38.8%，SDR值從45.6降低到33.6。隨著ATH用量的增加，抗沖擊強(qiáng)度持續(xù)下降，加入20份時(shí)抗沖擊強(qiáng)度降到最低值。

考慮到阻燃抑煙性能、膠體黏接性能和物理力學(xué)性能的協(xié)同性，我們最終確定了一組適當(dāng)比例的的添加量。

2.2 理化性能

阻燃密封膠采用雙酚A型環(huán)氧樹脂、脂肪胺復(fù)合固化體系和自合成增韌劑做為基礎(chǔ)黏結(jié)密封材料，添加輕質(zhì)填充材料降低體密度和導(dǎo)熱系數(shù)，按照《防火封堵材料》GB 23864—2009對阻燃密封膠進(jìn)行檢測，性能指標(biāo)和檢測結(jié)果如表3所示。

表3 阻燃密封膠的理化性能

依照人防工程的特點(diǎn)，在貫穿性穿纜孔洞中間填入人防專用無機(jī)輕質(zhì)速固防火堵料，兩端以阻燃密封膠封口，此體系在短時(shí)間內(nèi)凝固，形成高強(qiáng)度剛性密封。經(jīng)檢測，此體系堵塞的靜荷載強(qiáng)度可到0.4 MPa，氣密性、水密性均符合要求，又可以滿足六級人防中第一道人防門的抗沖擊波能力。

2.3 黏結(jié)性能

與普通密封膠的較差力學(xué)性能和防火泥類產(chǎn)品同基材之間的物理附著不同，阻燃密封膠除與基材產(chǎn)生高強(qiáng)的化學(xué)黏結(jié)性能，自身還擁有良好的位移能力，能夠應(yīng)對一定的接縫尺寸變化。

表4 阻燃密封膠膠體性能和黏結(jié)能力

注：1.膠體壓縮試驗(yàn)壓縮比為10%，均無破壞，解除荷載后試件回到原始狀態(tài)； 2.與混凝土正拉粘結(jié)試驗(yàn)均為混凝土內(nèi)部破壞。

2.4 燃燒性能

眾所周知，火災(zāi)中濃煙和有毒氣體的擴(kuò)散是造成人員傷亡的關(guān)鍵。GB 23864—2009對防火封堵材料的燃燒性能做出規(guī)定，對于防火密封膠的燃燒性能按照《塑料燃燒性能的測定 水平法和垂直法》(GB/T 2408—2008)進(jìn)行檢測。不僅燃燒時(shí)無滴落，并且撤去火源后余焰時(shí)間與余輝時(shí)間都小于10 s，達(dá)到了最高級別Ⅴ-0級。試驗(yàn)表明，阻燃密封膠燃燒時(shí)極速碳化，絕無垂滴，杜絕了二次火源的產(chǎn)生。

表5 JGN-FD防火密封膠可燃性試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

本文研制的阻燃密封膠分為擠出和拌合兩種類型，在阻燃效果、理化性能、粘結(jié)性能、燃燒性能等指標(biāo)上滿足在多纜細(xì)管徑等復(fù)雜情況下封堵工程的工藝和質(zhì)量要求。作為一種新型的人防工程專用封堵材料，已經(jīng)在山西、沈陽、寧波、長沙等地下人防工程(車庫等)和地鐵中得到應(yīng)用，滿足了地鐵人防封堵工程的需求。