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    化工管道粘接材料在安全工程中的應(yīng)用

    2023-06-12 01:46:50蔡余稅
    粘接 2023年5期
    關(guān)鍵詞:安全工程

    蔡余稅

    摘要:聚氨酯泡沫塑料是一種良好的保溫材料,在化工管道建設(shè)中應(yīng)用較多,但其存在易燃的問(wèn)題。膨脹石墨是一種環(huán)保的資源型阻燃劑,研究嘗試在聚氨酯泡沫塑料中添加一定含量的膨脹石墨,驗(yàn)證其對(duì)材料各項(xiàng)性能的改善效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明,膨脹石墨的添加會(huì)對(duì)聚氨酯泡沫塑料的力學(xué)性能和燃燒參數(shù)等指標(biāo)產(chǎn)生一定的影響。在添加40%膨脹石墨之后,材料的壓縮性能經(jīng)檢驗(yàn)表現(xiàn)出明顯的變化,壓縮強(qiáng)度與壓縮模量可以達(dá)到較為理想的水平。在所添加膨脹石墨達(dá)到40份之后,復(fù)合材料的極限氧指數(shù)達(dá)到27.1,達(dá)到難燃級(jí)別,材料的整體阻燃性能得到明顯的改善。

    關(guān)鍵詞:化工管道;聚氨酯泡沫粘接材料;膨脹石墨;安全工程

    中圖分類號(hào):TQ328.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1001-5922(2023)05-0025-04

    Application of chemical pipe bonding material in safety engineering

    CAI Yucha

    (ZhonghaiXingfa(Guangdong)Security Technology Service Co.,Ltd.,Guangzhou 510663,China)

    Abstract: Polyurethane foam is a very ideal thermal insulation material,which is widely used in chemical pipeline construction,but this material has flammable problems and shortcomings. Expanded graphite is a kind of environ- mentally friendly resource flame retardant. This research attempts to add a certain amount of expanded graphite to polyurethane foam,and through experimental analysis,verify its improvement effect on various properties of mate- rials. Through experimental analysis,it is observed that the addition of expanded graphite will have a certain im- pact on the mechanical properties and combustion parameters of polyurethane foam. After 40% expanded graphite was added,the compression properties of the material show obvious changes through inspection,and the compres- sion strength and compression modulus can reach an ideal level. After adding 40 parts of expanded graphite,the ul- timate oxygen index of the composite material reaches 27.1,reaching the flame retardant level,and the overall flame retardant performance of the material is significantly improved.

    Keywords: chemical pipeline; polyurethane foam; expanded graphite; safety engineering

    聚氨酯泡沫塑料作為一種綜合性能十分優(yōu)異的材料,在化工領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛,在各種化工管道的建設(shè)過(guò)程中,經(jīng)常會(huì)選擇使用此種材料。但此種材料也存在阻燃性能不佳等不足之處,影響到其應(yīng)用的實(shí)際效果以及應(yīng)用的安全性[1]。在化工安全工程中,如何提高此種材料的安全性能,也成為人們廣泛關(guān)注的重要課題。

    聚氨酯泡沫塑料的制作過(guò)程中,所用到的原材料主要是多異氰酸酯以及多元醇。以上述材料為原料,加入適當(dāng)?shù)闹鷦沟梅磻?yīng)產(chǎn)物中生成大量的泡沫,從而得到聚氨酯泡沫塑料產(chǎn)品[2-3]。聚氨酯泡沫塑料具有多種性能,應(yīng)用范圍十分廣泛,但是,該材料也存在一定的不足之處,一定程度上限制了其實(shí)際應(yīng)用[4]。為提高此類材料的性能以及應(yīng)用安全性,可以綜合應(yīng)用一定的膨脹型阻燃劑。膨脹型阻燃劑的類型種類多樣,其中較為常見的是膨脹石墨。膨脹石墨具有較高比表面積,孔隙結(jié)構(gòu)分布合理[5-6]。耐受高溫,導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能良好,化學(xué)性能穩(wěn)定、耐酸堿腐蝕,主要應(yīng)用于電容器、石墨烯前驅(qū)體、相變儲(chǔ)能、納米導(dǎo)電復(fù)合材料、防腐涂料、塑料、橡膠等方面具有較大的應(yīng)用前景。為了改善聚氨酯泡沫塑料的綜合性能,提高其應(yīng)用效果,研究嘗試在聚氨酯泡沫塑料中添加一定含量的膨脹石墨,并通過(guò)試驗(yàn)分析,驗(yàn)證其對(duì)材料各項(xiàng)性能的改善效果。

    1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

    1.1實(shí)驗(yàn)材料

    此次實(shí)驗(yàn)中使用的材料其來(lái)源情況如下。(1)胺類復(fù)合催化劑,實(shí)驗(yàn)室自配;(2)膨脹石墨,青島巖海碳材料有限公司提供;(3)聚醚多元醇,山東旭晨化工科技有限公司提供;(4)多亞甲基多苯基多異氰酸酯,菏澤西冷化工有限公司提供;(5)濃鹽酸,山東維進(jìn)化工科技有限公司提供;(6)泡沫穩(wěn)定劑,山東藍(lán)泰建筑新技術(shù)應(yīng)用有限公司提供;(7)環(huán)戊烷,武漢卡諾斯科技有限公司提供。

    1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

    此次實(shí)驗(yàn)中使用的儀器、設(shè)備:萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),蘇州精渺精密科技有限公司提供;錐形量熱儀,江蘇費(fèi)爾曼安全科技有限公司提供;極限氧指數(shù)測(cè)定儀,北京智德創(chuàng)新儀器設(shè)備有限公司提供;真空烘干箱,濟(jì)南美特斯測(cè)試技術(shù)有限公司提供;高速離心機(jī),揚(yáng)州德瑞儀器設(shè)備有限公司提供。

    1.3 膨脹石墨預(yù)處理

    取適量膨脹石墨,于30℃環(huán)境溫度下,將其全部浸泡在濃鹽酸中。對(duì)液體進(jìn)行加溫處理,待溫度達(dá)到50℃后停止。對(duì)整個(gè)體系進(jìn)行超聲分散處理,時(shí)間為6 h。處理完畢后,置于室溫條件下自然降溫,待整個(gè)體系逐漸下降為室溫狀態(tài)之后,置于高速離心機(jī)中實(shí)施離心處理。離心結(jié)束將膨脹石墨去除,放置在真空烘干箱中實(shí)施干燥,干燥過(guò)程中將溫度設(shè)置為80℃。觀察干燥效果,待膨脹石墨達(dá)到恒重之后停止干燥處理,并將預(yù)處理完畢的膨脹石墨妥善保存?zhèn)溆谩?/p>

    1.4 聚氨酯膨脹石墨復(fù)合材料配方及其制備

    制備聚氨酯膨脹石墨復(fù)合材料,在上述預(yù)處理膨脹石墨基礎(chǔ)上,聯(lián)合使用胺類催化劑、多亞甲基多苯基多異氰酸酯等材料,具體配方情況如表1所示。

    聚氨酯膨脹石墨復(fù)合材料制備方法。參照上述配方的內(nèi)容,對(duì)胺類催化劑、膨脹石墨等相關(guān)的物質(zhì)進(jìn)行混合,充分混合均勻之后,加入適量的多亞甲基多苯基多異氰酸酯。將所獲得的復(fù)合材料置于模具,對(duì)其實(shí)施攪拌,保持較快的攪拌速度,攪拌時(shí)間為數(shù)秒。攪拌結(jié)束后,對(duì)模具進(jìn)行妥善密封,并置于溫度100℃條件下給予固化處理,固化處理時(shí)間為4h。

    1.5 觀察指標(biāo)

    1.5.1 壓縮強(qiáng)度與壓縮模量

    制備力學(xué)試驗(yàn)樣品。樣品大小為50 mm×50 mm×50 mm,參照國(guó)標(biāo)GB/T 8813—2008,使用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)所得試驗(yàn)材料樣品的壓縮性能進(jìn)行測(cè)試分析,觀察指標(biāo)包括壓縮強(qiáng)度與壓縮模量。

    1.5.2 極限氧指數(shù)

    制備阻燃性能檢測(cè)樣品。最終制備的樣品大小為120 mm×6 mm×3 mm,參照GB/T 2406.2—2009規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試,每個(gè)樣品在一定的氧氣濃度下測(cè)試5次。

    1.5.3 燃燒特性

    檢測(cè)所制備復(fù)合材料的燃燒特性,檢測(cè)過(guò)程中使用的儀器為錐形量熱儀。檢測(cè)過(guò)程中,將應(yīng)用錐形電加熱器,對(duì)材料樣品進(jìn)行熱輻射。通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)值的分析,得出具體的參數(shù),進(jìn)而評(píng)估材料的燃燒特性。具體的相關(guān)的參數(shù)主要包括材料的點(diǎn)燃時(shí)間、總熱釋放量等。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 復(fù)合聚氨酯泡沫塑料的壓縮模量與壓縮強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

    聚氨酯泡沫塑料在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,材料往往需要承受一定的載荷壓力。這一情況下,也對(duì)材料的壓縮性能提出了較高的要求。在研究中,通過(guò)制備材料樣品并開展力學(xué)試驗(yàn),檢測(cè)了添加不同含量膨脹石墨的情況下,相應(yīng)的聚氨酯泡沫塑料的力學(xué)特性,具體結(jié)果如表2所示。

    由表2可知,不同含量膨脹石墨的添加會(huì)對(duì)聚氨酯泡沫塑料的力學(xué)性能產(chǎn)生十分明顯的影響,導(dǎo)致其壓縮強(qiáng)度和壓縮模量發(fā)生一定的改變。聚氨酯泡沫塑料泡沫體具備一定的泡孔結(jié)構(gòu),此種結(jié)構(gòu)與材料所具備的力學(xué)性能之間存在著十分密切的聯(lián)系[7]。如果相應(yīng)的泡孔結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較為細(xì)密、均勻的狀態(tài),則聚氨酯泡沫塑料便具備較為理想的力學(xué)性能。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,與未添加膨脹石墨的情況相比較,在聚氨酯泡沫塑料中加入一定含量的膨脹石墨之后,材料的壓縮性能相關(guān)指標(biāo)會(huì)發(fā)生明顯的改變。同時(shí),在添加不同含量膨脹石墨的情況下,材料的壓縮強(qiáng)度以及壓縮模量數(shù)值大小也存在一定的差異。在加入10%含量的膨脹石墨之后,材料的壓縮模量呈現(xiàn)出下降的情況,壓縮強(qiáng)度也隨之降低。在添加20%和30%含量的膨脹石墨之后,材料的壓縮模量開始逐漸上升,壓縮強(qiáng)度也隨之提高,但與未添加膨脹石墨的情況相比較,均呈現(xiàn)出相對(duì)較低的狀態(tài)。分析出現(xiàn)這一結(jié)果的原因,可能是因?yàn)榕蛎浭奶砑訒?huì)破壞聚氨酯泡沫塑料結(jié)構(gòu)原本的完整性。于是,材料的力學(xué)性能也受到相應(yīng)的影響,導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度以及壓縮模量均下降。研究結(jié)果還顯示,在添加40%膨脹石墨之后,材料的壓縮性能經(jīng)檢驗(yàn)表現(xiàn)出明顯的變化,其中,壓縮模量顯著增加,不但高于10%、20%、30%添加量的檢測(cè)結(jié)果,也高于未添加膨脹石墨情況下的檢測(cè)結(jié)果。在壓縮強(qiáng)度方面,也表現(xiàn)出相同的情況。分析其中的原因,可能是因此在此條件下,所添加的膨脹石墨能夠發(fā)揮出良好的增強(qiáng)效果,促進(jìn)沫塑料力學(xué)強(qiáng)度的增加,進(jìn)而改善其壓縮性能。通過(guò)研究還觀察到,在添加40%膨脹石墨之后,材料的壓縮性能經(jīng)檢驗(yàn)表現(xiàn)出明顯的變化,壓縮強(qiáng)度與壓縮模量均高于其他情況,可以達(dá)到較為理想的水平。這一結(jié)果表明,聚氨酯泡沫塑料力學(xué)性能相對(duì)較好。通過(guò)在聚氨酯泡沫塑料中添加不同量的膨脹石墨,會(huì)對(duì)其壓縮模量和壓縮強(qiáng)度產(chǎn)生影響。在添加40%膨脹石墨情況下,可以獲得最為理想的效果。

    2.2 復(fù)合聚氨酯泡沫塑料的極限氧指數(shù)統(tǒng)計(jì)

    在化工安全工程中選用管道材料時(shí),對(duì)相應(yīng)材料的阻燃性能有著很高的要求。在評(píng)估、分析不同材料阻燃特性的時(shí)候,極限氧指數(shù)是一個(gè)重要的指標(biāo)[7]。極限氧指數(shù)指的是支持纖維燃燒的最低氧氣含量。在對(duì)不同材料的這一數(shù)值大小進(jìn)行測(cè)評(píng)的時(shí)候,可以制備一定的材料樣品,置于氮氧的混合氣體中進(jìn)行燃燒試驗(yàn),觀察試驗(yàn)結(jié)果得出該材料所對(duì)應(yīng)的極限氧指數(shù)數(shù)值大小[8-9]。極限氧指數(shù)的大小可以直接反映出不同材料的阻燃水平,該指標(biāo)數(shù)值越低,對(duì)應(yīng)的材料阻燃性能便越低。參照一定的標(biāo)準(zhǔn),可以對(duì)具備不同極限氧指數(shù)的材料進(jìn)行阻燃水平分類,將其分為難燃材料和易燃材料。其中,如果檢測(cè)所得材料極限氧指數(shù)的數(shù)值大小在22%~27%,則認(rèn)為這一類型的材料屬于可燃材料。如果材料的極限氧指數(shù)小于22%,則選擇將相應(yīng)的材料納入易燃材料的范圍。如果合一數(shù)值高于27%,則視為難燃材料[10-11]。在化工領(lǐng)域,涉及到多種危險(xiǎn)性較高的物質(zhì)。對(duì)于相關(guān)的管道材料,也有著很高的需求。為了滿足化工安全工程的現(xiàn)實(shí)需求,還需要盡可能的改善聚氨酯泡沫塑料的特性,提高其阻燃水平。

    但是,聚氨酯泡沫塑料的極限氧指數(shù)在18%左右,參照上述標(biāo)準(zhǔn)屬于易燃材料。因此聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能不夠理想。為提高其阻燃效果,改善其阻燃性能,研究選擇在其中添加適量的膨脹石墨。膨脹石墨具有導(dǎo)熱系數(shù)高等多種不同的優(yōu)良性質(zhì),而且還具有許多特有的優(yōu)良性能。另外,膨脹石墨還具備十分理想的相容性,這一特性也為膨脹石墨與多種不同材料之間的混合應(yīng)用提供了可能[12-13]。立足這一基礎(chǔ),為了滿足化工領(lǐng)域現(xiàn)實(shí)情況的需求,可以選擇在聚氨酯泡沫塑料中添加一定含量的膨脹石墨。通過(guò)不同材料的相互混合應(yīng)用,獲得具有更為理想綜合性能的復(fù)合材料。通過(guò)在聚氨酯泡沫塑料中添加不同含量的膨脹石墨,在復(fù)合材料發(fā)生燃燒的過(guò)程中,膨脹石墨在受到一定熱力影響的情況下會(huì)發(fā)生膨脹。同時(shí),也可以在聚氨酯泡沫塑料材料的表面形成一層致密的隔氧層。通過(guò)這一方式,可以有效改善材料的綜合性能,促進(jìn)其阻燃性能的提升。

    不同膨脹石墨含量下聚氨酯泡沫塑料的極限氧指數(shù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

    由表3可知,在未添加膨脹石墨的情況下,聚氨酯泡沫塑料的極限氧指數(shù)為18.1,處于相對(duì)較低的水平。在此情況下,參照上文的標(biāo)準(zhǔn)可以發(fā)現(xiàn),材料參與可燃材料的范圍,相應(yīng)的阻燃性能不夠理想。如果經(jīng)其應(yīng)用于化工管道之中,充當(dāng)保溫層,則在一定的情況下極易發(fā)生燃燒;同時(shí),還容易導(dǎo)致延燃問(wèn)題的出現(xiàn),進(jìn)而嚴(yán)重影響到化工生產(chǎn)的安全水平。為了改善這一情況,提高聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能,可以添加一定的膨脹石墨。結(jié)合表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,通過(guò)添加一定量的膨脹石墨,對(duì)聚氨酯泡沫塑料的極限氧指數(shù)產(chǎn)生了不同的影響,進(jìn)而影響到其所具備的阻燃性能。同時(shí),結(jié)合具體的數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看,隨著膨脹石墨添加量的不斷增加,相應(yīng)的復(fù)合材料所具備的極限氧指數(shù)也呈現(xiàn)出不斷上升的變化趨勢(shì)。其中,在添加10份膨脹石墨的時(shí)候,負(fù)荷材料的極限氧指數(shù)可以達(dá)到20.3。但參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),在這一狀況下,復(fù)合材料的阻燃性能雖然得到了一定的改善,但依然屬于可燃材料的范圍。在添加20、30份膨脹石墨后,所得到的復(fù)合材料的極限氧指數(shù)分別為21.7和23.7,與未添加膨脹石墨狀況下比較,極限氧指數(shù)均得到明顯的提升,阻燃性能得到了有效的改善。但在上述狀態(tài)下,相應(yīng)的復(fù)合材料仍然屬于可燃材料的范疇。在所添加膨脹石墨達(dá)到40份之后,檢測(cè)結(jié)果顯示,復(fù)合材料的極限氧指數(shù)達(dá)到27.1。這一情況,復(fù)合材料屬于難燃材料。結(jié)果表明,所獲得的復(fù)合材料具備較為理想的極限氧指數(shù)。分析相關(guān)的原因,這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)添加一定的膨脹石墨,其在受熱膨脹之后在聚氨酯泡沫塑料的表面形成一定的隔氧層,從而提高材料的極限氧指數(shù),改善其阻燃性能[14-15]。而所添加的膨脹石墨含量越高,受熱膨脹所形成的隔氧層就越為致密,相應(yīng)的極限氧指數(shù)便相對(duì)較高,阻燃性能也相對(duì)較好。

    2.3 復(fù)合聚氨酯泡沫塑料的燃燒特性檢測(cè)結(jié)果

    為了確?;す艿赖陌踩?,在選擇化工管道材料的時(shí)候,相應(yīng)的材料應(yīng)當(dāng)具備良好的燃燒特性。不同膨脹石墨含量下聚氨酯泡沫塑料的燃燒特性檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

    由表4可知,在總熱釋放量方面,在添加膨脹石墨后,聚氨酯泡沫塑料的累積總熱釋放量會(huì)呈現(xiàn)出一定的變化,當(dāng)膨脹石墨添加到15 phr時(shí),總熱釋放量值最低。在點(diǎn)燃時(shí)間方面,通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn),添加膨脹石墨的阻燃聚氨酯泡沫塑料點(diǎn)燃時(shí)間數(shù)值變大,說(shuō)明阻燃性能得到改善。這表明膨脹石墨的加入使得聚氨酯泡沫塑料的點(diǎn)燃時(shí)間延長(zhǎng),阻燃性能變好。分析相關(guān)原因,可能是因?yàn)榫郯滨ヅ菽芰蠈儆跇渲牧?,具有一定的泡孔結(jié)構(gòu),會(huì)導(dǎo)致材料表面積的增加。在添加一定的膨脹石墨之后,膨脹石墨可以發(fā)揮出阻燃作用[16]。在反應(yīng)的初期階段,可以有效吸收熱量,進(jìn)而達(dá)到延緩聚氨酯泡沫塑料燃燒的效果。熱釋放速率是火災(zāi)中燃燒危險(xiǎn)性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo),也是評(píng)估不同材料燃燒特性的指標(biāo)之一[17]。通過(guò)表4中數(shù)據(jù)還可觀察到,在材料的燃燒過(guò)程中,熱釋放速率越大,對(duì)應(yīng)的單位時(shí)間內(nèi)釋放的熱量便越多。這一結(jié)果表明,膨脹石墨的添加會(huì)影響到聚氨酯泡沫塑料材料的熱釋放速率。膨脹石墨添加量越大,對(duì)應(yīng)材料的熱釋放速率便越小。膨脹石墨的添加可以發(fā)揮出改善泡沫塑料燃燒特性的效果[18]。通過(guò)燃燒特性檢測(cè)還發(fā)現(xiàn),隨著膨脹石墨添加量的不斷增加,材料的總煙釋放量會(huì)呈現(xiàn)出不斷下降的變化趨勢(shì)。這表明,膨脹石墨的加入對(duì)聚氨酯泡沫塑料有顯著的抑煙作用。

    3 結(jié)語(yǔ)

    聚氨酯泡沫塑料具有多種良好的性能,在化工領(lǐng)域的應(yīng)用較多。但其阻燃性能不夠理想,在應(yīng)用于化工安全工程之中的時(shí)候,研究嘗試在聚氨酯泡沫塑料中添加一定含量的膨脹石墨,驗(yàn)證其對(duì)材料各項(xiàng)性能的改善效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明,膨脹石墨的添加會(huì)對(duì)聚氨酯泡沫塑料的力學(xué)性能和燃燒參數(shù)等指標(biāo)產(chǎn)生一定的影響。在添加40%膨脹石墨之后,材料的壓縮性能經(jīng)檢驗(yàn)表現(xiàn)出明顯的變化,壓縮強(qiáng)度與壓縮模量可以達(dá)到較為理想的水平。在所添加膨脹石墨達(dá)到40份之后,復(fù)合材料的極限氧指數(shù)達(dá)到27.1,達(dá)到難燃級(jí)別,對(duì)應(yīng)的材料在極限氧指數(shù)與阻燃性能、力學(xué)性能等方面處于相對(duì)較好的狀態(tài),材料的整體阻燃性能得到明顯的改善。

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