电缆防火涂料的研制

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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=========================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=========================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=========================================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=5um3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

云松涂料

很好的一篇材料，我从文中得出了几个重点：
1、 电缆护套多由氧指数较高的聚氯乙烯树脂制成,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。
2、又：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；
3、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；
4、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,
5、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。
6、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；
7、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；
8、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
文章很仔细地介绍了电缆为何要防火、电缆防火料基材、功能性材料的选择等，
还有，含氯树脂（如高氯化等）漆膜性脆、不及丙烯酸树脂漆膜柔软适于电缆的特性，这是本人观点