膨胀耐火硅橡胶的成炭强化研究

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目前船用电缆通舱的套管式密封装置中所用的防火密封胶和热膨胀橡胶套管的阻燃体系均采用可膨胀石墨(EG)和无机阻燃剂复配的方式,在遭遇火焰燃烧时,形成的膨胀炭层疏松多孔,阻燃隔热性能优异,能通过船舶应用所需的A60级耐火测试,但是炭层的力学强度差,易于坍塌,难于应用到船用塑料通舱管路的封堵中,且EG的黑色外观也限制了它的应用。包含可瓷化成分的硅橡胶受热能形成坚硬密实的炭层,持久抵抗火焰的烧蚀,但密实结构在隔绝热量传播上有待增强。因而硅橡胶炭层如能兼顾膨胀炭层的多孔隔热和瓷化炭层的坚固耐久,对提高硅橡胶的耐火具有极大的意义。本文首先将高温可熔融,可熔融发泡,可分解硬质骨架等成炭材料,如一水合硅酸钠、BF550、Al(OH)3等和膨胀阻燃剂NH2-C复配,分析不同成炭材料对硅橡胶力学性能、阻燃耐火性能、炭层压缩强度等的影响,探讨了炭层的微观结构对于强度,耐火隔热影响规律。对于能优化硅橡胶炭层结构的材料,通过正交试验探讨和分析用量,组分间的相互作用对炭层结构和性能的影响。采用低播焰测试探究炭层增强硅橡胶火焰传播性能。将炭层增强硅橡胶和防火带组合密封PP、PE,PVC、环氧等塑料通舱管,以及通舱防火门,按实际应用的构型与尺寸制成构件,测试其耐火性能。研究结果表明:(1)单纯含有膨胀阻燃剂NH2-C的硅橡胶,阻燃性能优越,氧指数可达44.5,但炭层发生熔融膨胀形变,内部多孔结构极其不均匀,压缩强度仅有0.03MPa。与NH2-C复配使用的成炭材料中,以一水合硅酸钠为成炭材料的硅橡胶耐火性能优异,燃烧后体积明显膨胀,残炭压缩强度为0.57MPa,但深层固化速率快,储存中结晶水易与酮肟基反应,储存保质期短;以BF550为成炭材料的硅橡胶阻燃耐火性稍差,但其极大地提升了硅橡胶炭层结构的坚固程度,压缩强度高达9.88MPa,炭层明显收缩,孔洞尺寸小,分布均匀。Al(OH)3为成炭材料的硅橡胶阻燃性能好,氧指数45,炭层有一定膨胀度,压缩强度可达1.08MPa。相对而言,EG的片层结构对硅橡胶力学性能强度损害大,且燃烧后形成的松散炭层基本没有力学性能。因此,BF550和Al(OH)3作为膨胀炭层的增强材料具有积极作用。(2)以BF550、Al(OH)3和NH2-C作为三个因素,设计三因素三水平正交试验。极差分析可知Al(OH)3、NH2-C、BF550分别对硅橡胶的力学性能、阻燃性能和耐火性能、煅烧前后的体积变化及炭层压缩强度影响最大。权重分析给出硅橡胶的最优配比为Al(OH)318%,BF550 18%,NH2-C 25%,在该配比下的硅橡胶材料力学性能良好,拉伸强度、粘结强度、断裂伸长率分别为1.63MPa、1.75MPa、240%。氧指数45,阻燃性好,不易引燃。炭层的多孔结构分布均匀,强度增加明显,压缩强度达4.67MPa,8mm厚的样品在1200oC碳氢火焰的灼烧下,背面温升180oC的耐火时间达18min。(3)炭层物相分析显示,有晶态及无定型Si O2的存在,晶态Si O2源于无定型Si O2溶于BF550熔融液相中,再经冷却析出形成。Al PO4、Ca5(PO43(OH)衍射峰说明,高温下膨胀阻燃剂中磷酸基团与Al(OH)3、Ca CO3的分解产物相互作用,形成新的晶体结构和熔融的BF550作为多孔炭层的骨架,极大提高了炭层的强度。(4)低播焰测试显示,炭层增强硅橡胶在碳氢火焰与热辐射场的双重作用下,火焰蔓延距离?370mm,持续时间?800s,热释放总量?0.7MJ,无燃烧滴落物,符合SOLAS公约第Ⅱ-2章的要求,具有低播焰性。(5)炭层增强硅橡胶封堵GRP/GRE玻璃钢管和管径Φ90、Φ160的PP、PE、PVC通舱塑料管的耐火测试结果表明,60min内,背火面任一感温点的最大温升<180°C,平均温升<140°C,达到船舶通舱耐火密封的A60级。炭层增强硅橡胶应用于通舱防火门密封,耐火测试显示,构件符合2010 FTP规则中关于背火面温升的要求,通过A60级耐火测试。
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