Al（OH）3对高速列车车厢层合板阻燃性能影响

张影++张雄++刘宇佳++王杨++朱晶松++王凤春

摘 要：为提高高速列车车厢玻璃钢层合板的阻燃性，保证列车行驶安全，采用手糊工艺制备了具有一定阻燃性和较高力学性能的双酚A型环氧树脂基玻璃钢层合板。在配比（质量比）环氧树脂：乙二胺：二丁酯=100：15：12条件下，添加适量滑石粉，以无水乙醇为溶剂，通过改变Al（OH）3用量对环氧树脂基玻璃钢层合板进行阻燃改性。实验结果证明：在配比（质量比）环氧树脂：乙二胺：二丁酯：滑石粉=100：15：12：30条件下，添加Al（OH）3的用量为60时，极限氧指数为26，弯曲强度为71.86，既能改善其阻燃性能又兼顾其力学性能。

关键词：Al（OH）3；环氧树脂基玻璃钢层合板；高速列车；阻燃性能

现阶段，高速列车车厢设计聚焦于两点：其一，车厢局部结构尺寸优化[1]；其二，减轻车厢质量、提高车度、优化阻燃性能[2]。高速列车车体结构重量在整车中所占比例约为15-30%。提高高速列车速度，必须首先考虑车体结构轻量化，实现的主要途径之一是采用轻质高强的复合材料——玻璃钢层合板[3]。在高速列车运输中，在追求列车行驶速度的同时，列车行驶的安全性尤为重要[4]，尤其是旅客运输。现今玻璃钢层合板在高速列车车厢中应用非常广泛，处于安全考虑，对列车车厢用玻璃钢层合板的阻燃性能要求越来越高[5]。为提高玻璃钢层合板的阻燃性，保证列车行驶安全，本课题组开展Al（OH）3改性双酚A型环氧树脂基玻璃钢层合板阻燃性研究，得到阻燃性能优异的环氧树脂基玻璃钢层合板。

1 实验部分

本实验选用双酚A型环氧树脂E-51作为基体树脂，耐热温度可达200℃或更高；乙二胺作为固化剂，经固化反应使环氧树脂形成三维网状结构，短时间内即可凝胶使之固化；邻苯二甲酸二丁酯作为增塑剂，其对环氧树脂具有很强溶解力；玻璃纤维布作为增强材料，在经纬二维方向上增强层合板；阻燃剂选用Al（OH）3，KH560硅烷为偶联剂，对Al（OH）3和玻璃纤维布表面改性；选用滑石粉作为填料，降低树脂固化收缩率，使固化产物形状稳定，增加其张力、剪切、压力强度，热膨胀系数等；无水乙醇作为溶剂。

将裁剪好的玻璃纤维布放入120℃的烘箱中烘烤2h，除去玻璃纤维布表面水分与蜡质。采用预处理法，利用KH560硅烷偶联剂处理玻璃纤维布。将玻璃纤维布浸泡在5%的KH560水溶液中30min。取出后，将玻璃纤维布放入120℃烘箱中烘烤2h，除去玻璃纤维布中水分。

采用Al（OH）3粉为阻燃剂，硅烷为偶联剂，无水乙醇做溶剂，三者质量比为2：1：3。取一定量的硅烷偶联剂与无水乙醇混合，超声搅拌30min后倒入容器中，再将适量的Al（OH）3微粉放入该容器中，水浴升温至95℃并搅拌3h后，放入真空干燥箱干燥，研磨成粉备用。

树脂溶液配比（质量比），环氧树脂：乙二胺：二丁酯：滑石粉=100：15：12：30条件下，无水乙醇适量。加入不同质量的Al（OH）3。

树脂溶液配制，首先将环氧树脂倒入容器中，依次加入无水乙醇，充分搅拌；邻苯二甲酸二丁酯，充分搅拌；滑石粉，充分搅拌；氢氧化铝，充分搅拌；乙二胺，充分搅拌。

采用手糊工艺制备环氧树脂基玻璃钢层合板，图1。

2 Al（OH）3对玻璃钢层合板微观结构影响

2.1不同含量Al（OH）3对玻璃钢层合板晶型影响

图2是每100g环氧树脂中，滑石粉含量为30g，Al（OH）3含量分别为20g、30g、40g、60g、80g的XRD图。

从图2中可以看出，不同含量Al（OH）3的样品XRD图谱均出现馒头状宽峰，与环氧树脂一致。但同时也出现少量杂峰，随着Al（OH）3含量的增加，杂峰逐渐增多，这是由于滑石粉和Al（OH）3以及杂质引起的。

2.2 不同质量比对玻璃钢层合板断面结构影响

图3为Al（OH）3与环氧树脂不同质量比的断面SEM图。

由图3可以看出，（a）、（b）、（c），Al（OH）3与环氧树脂基体相容性较好，未出现明显脱落现象，滑石粉也能较为均匀的分散于基体中。但随着Al（OH）3的增加，滑石粉也出现部分团聚现象，如（d）、（e）所示。主要由于Al（OH）3的增加导致滑石粉分散基体的空间减小，排斥力增加，出现团聚。

2.3 玻璃钢层合板能谱分析

图4為玻璃钢层合板能谱分析图。

图4玻璃钢层合板能谱分析图

通过能谱分析图可以看出：所制备的样品中Al含量最高，是因为环氧树脂中加入大量的Al（OH）3所致。另外，含有的Si，Mg，Ca和C等元素，是因为树脂中含有滑石粉。所含Au元素为样品喷金所致，非样品本身所有。

3 Al（OH）3对玻璃钢层合板阻燃性影响

环氧树脂的极限氧指数低，仅为19.8，易燃，严重影响了环氧树脂更广泛的应用[6]。本实验研究了环氧树脂体系中不同阻燃剂Al（OH）3添加量与阻燃性能关系。表1为Al（OH）3添加量与极限氧指数关系。本实验选取的样品尺寸为100mm×5mm×3mm，流量为10ml。

表1 Al（OH）3添加量与极限氧指数关系

氧指数高表示材料不易燃烧，氧指数低表示材料容易燃烧，一般认为氧指数小于22属于易燃材料，氧指数在22-27之间属可燃材料，氧指数大于27属难燃材料。从表1中可知，当Al（OH）3与环氧树脂的质量比为0.2时，此时，环氧树脂体系中Al（OH）3的含量为11.3wt%，其极限氧指数为24，虽然提高了环氧树脂阻燃性能，但未达到难燃材料的要求。随着Al（OH）3与环氧树脂的质量比逐渐升高，对应的极限氧指数逐渐增大。当Al（OH）3含量为0.6时，环氧树脂体系中Al（OH）3的含量为27.7wt%，其极限氧指数为26，观察样品燃烧时无熔滴滴落，发烟也得到明显改善。当Al（OH）3与环氧树脂的质量比为0.8时，环氧树脂体系中Al（OH）3含量为33.8wt%，环氧树脂的极限氧指数达到27.5，已达到难燃材料的要求，难燃烧，并且观察其燃烧时的生烟小，火焰熄灭趋势明显，阻燃效果最好。

由表1可看出环氧树脂的极限氧指数随着Al（OH）3的添加量的增加而增大，当Al（OH）3与环氧树脂的质量比为0.8时达到最好。这是由于环氧树脂燃烧时，加入的Al（OH）3在300℃左右脱水吸热，抑制聚合物的升温。Al（OH）3脱水放出的水汽稀释可燃性气体和氧气的浓度，可阻止燃烧；同时Al（OH）3脱水后在可燃物表面生成Al2O3保护膜，隔绝氧气，可阻止继续燃烧。在Al（OH）3/环氧树脂质量比为0-0.8范围内，Al（OH）3含量越高，其阻燃性能越好。但无机物的大量添加会影响环氧树脂的物理性质。

国内外市场上作为阻燃剂使用的Al（OH）3，主要是α-三水氧化铝（ATH），常用α-Al203·H2O表示[7]。Al（OH）3受热分解成Al2O3和水，化学反应如下：

2α-Al2O3·3H2O→Al2O3+H2O （1）

在240-500℃范围内测得的数据表明，本反应的吸热量为1967.2KJ/Kg，这是Al2O3具有阻燃作用的最主要原因。Al（OH）3的差热曲线有3个吸热峰，由此可推断其分解包括3个阶段[8]：

230℃左右：α-Al2O3·3H2O→Al2O3·H2O+2H2O （2）

300℃左右：α-Al2O3·3H2O分解为X-Al2O3，即

α-Al2O3·3H2O→Al2O3+3H2O （3）

530℃左右：α-Al2O3·3H2O分解为γ-Al2O3，即

α-Al2O3·3H2O→γ-Al2O3+H2O （4）

4 Al（OH）3对玻璃钢层合板力学性能影响

本实验在配比（质量比/g）环氧树脂：乙二胺：二丁酯：滑石粉=100：15：12：30条件下，加入不同质量氢氧化铝，利用三点弯曲实验测量其弯曲强度，图5。样品尺寸为250mm×75mm×5mm，跨距：228mm。

由图5可知，随着Al（OH）3含量的增加，复合材料的弯曲强度逐渐下降，在Al（OH）3/环氧树脂为0.8时，达到最低值。且在质量比为0.6～0.8处，下降趋势最为明显。由于滑石粉和Al（OH）3共同作用于基体材料中，Al（OH）3的添加导致无机颗粒在基体中相应的比例增加，Al（OH）3以及滑石粉颗粒团聚导致环氧树脂基体部分应力集中，弯曲强度下降。综合考虑Al（OH）3的阻燃特性，Al（OH）3/环氧树脂质量比在0.6为宜。

5 结束语

采用手糊工艺制备了具有一定阻燃性和较高力学性能的玻璃钢层合板。以环氧树脂为基体，玻璃纤维为增强材料，邻苯二甲酸二丁酯作为增塑剂，乙二胺作为固化剂，滑石粉作为填料，加入适量无水乙醇作溶剂，通过加入滑石粉改善其力学性能，加入Al（OH）3对环氧树脂进行阻燃改性。

在配比（质量比）环氧树脂：乙二胺：二丁酯：滑石粉=100：15：12：30条件下，添加Al（OH）3的用量为60时，极限氧指数为26，弯曲强度为71.86，既能改善其阻燃性能又兼顾其力学性能。

参考文献

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*通讯作者：王凤春（1965，01-），男，汉族，黑龙江，大学本科（学士），高级工程师，研究方向：无机非金属材料。