可膨胀石墨对CPE/EPDM基钢结构防火卷材性能的影响

杨守生，郑 斌，牛贵来，周俊伟，牛少伟,孟 涛

(1.中国人民警察大学，河北 廊坊 065000； 2.石家庄市消防救援支队，河北 石家庄 050000；3.驻马店市消防救援支队，河南 驻马店 463000； 4.濮阳市消防救援支队，河南 濮阳 457000)

0 引言

钢结构防火保护材料是指涂覆或者包覆在钢结构表面，提高其耐火极限的材料，常用的有钢结构防火涂料、防火板等，喷涂钢结构防火涂料和包覆钢结构防火板材，是钢结构防火保护中最常用的两种保护方法[1]。钢结构防火卷材是一种新型防火保护材料，是以膨胀型防火涂料为基础的改型材料[2-5]，从环保及预制施工性角度看，该类材料具有应用前景。开发较防火涂料有更高耐火性能和超长耐久性能的防火卷材是研究者追求的目标。可膨胀石墨作为膨胀型阻燃剂应用于高分子材料的阻燃，在体系中具有成炭性、发泡性和抑烟性，可有效改善阻燃材料的防火性能和耐火性能[6]。本文将可膨胀石墨应用于CPE/EPDM基钢结构防火卷材中[7]，以提高其防火保护性能。

1 试验部分

1.1 主要试验材料

三元乙丙橡胶(EPDM)，Nordel 1040，工业级，杜邦公司；氯化聚乙烯(CPE)，GRADE:SG-7,临沂奥星化工有限公司；聚磷酸铵(APP)：Ⅱ型，江苏镇江星星阻燃剂公司；三聚氰胺(MEL)，中国医药上海化学试剂公司；季戊四醇(PER)，天津大茂化学仪器供应站；可膨胀石墨EG-AF(50目)、EG-E300(80目)、EG-100(100目)、EG-200(200目)，工业级，青岛大旺石墨有限公司；防火胶，廊坊硕达保温材料有限公司。

1.2 主要仪器设备

开放式炼胶(塑)机，X(S)K-160，无锡美钰橡胶机械制造有限公司；平板硫化机，XLB-D350×350×2-Z，上海第一橡胶生产厂；氧指数测定仪，HC-2，南京江宁分析仪器厂；水平垂直燃烧仪，UL94SCZ-3，南京上元分析仪器厂；锥形量热仪，S001，Fire Testing Technology Ltd.UK；万能电子试验机，XWW-10A，承德金建检测仪器有限公司；耐火性能测试仪，自制。

1.3 样品制备

在CPE/EPDM基钢结构防火卷材配方中(基料70%、APP15%、MEL9%、PER6%)[7]，加入不同量和不同粒径的可膨胀石墨，经共混、混炼、平板硫化制得试样。

1.4 测试方法

锥形量热仪(CONE)分析：按照ASTME-1354标准对试样进行CONE试验[8-9]，热辐射功率为35 kW·m-2。拉伸试验：试验速度100 mm·min-1，最大负载500 N，最大位移23。弯曲试验：试验速度2 mm·min-1，最大负载500 N，最大位移23。耐火性能试验：采用自制的模拟大板法燃烧试验装置来测试钢结构防火保护材料的耐火性能[2-3]。

2 结果和讨论

2.1 石墨粒径对钢结构防火卷材性能的影响

表1是含15%不同粒径可膨胀石墨的CPE/EPDM基钢结构防火卷材性能数据。由表1可以看出，可膨胀石墨的粒径对防火卷材的耐火性能影响显著。在本体系中50目可膨胀石墨提高了CPE/EPDM基钢结构防火卷材的耐火性能，其耐火极限达到了1.48 h，是原卷材耐火极限的4.93倍，源于可膨胀石墨受热物理膨胀生成的“蠕虫”状炭体和APP/PER/MEL之间化学膨胀产生的膨胀层交联,具有类似纤维的增强作用，提高炭层强度，使炭层结构紧密。随着可膨胀石墨粒径减小耐火性能下降，是因为小粒径可膨胀石墨受热膨胀倍数小，不足以填充原材料受热成炭的空穴[10]。可膨胀石墨提高了卷材的拉伸性能和抗断裂性能，添加50目石墨时材料的断裂强度和断裂伸长率分别为7.56 MPa与1 477.16%，较未加入石墨的防火卷材分别提升了138.49%和42.68%；弹性模量和最大应力分别是6.92 MPa和8.08 MPa，较未加入石墨的防火卷材分别升高了2.22%和27.24%。

表1 石墨粒径对防火卷材性能的影响

2.2 石墨用量对钢结构防火卷材性能的影响

表2是添加50目可膨胀石墨的CPE/EPDM基钢结构防火卷材性能数据。可以看出，可膨胀石墨用量对防火卷材的耐火性能有影响。添加5%的可膨胀石墨，可以提高耐火极限333.33%。添加可膨胀石墨5%～15%之间，卷材耐火极限增加不显著，含量超过20%时耐火极限显著下降，在本体系中石墨用量在5%～15%为宜。适量的可膨胀石墨受热膨胀变成长短不均匀的“蠕虫”状物穿插于炭质层中,填充炭层孔隙，增强炭层强度。石墨用量过度时，因其在较低温度下大量膨胀，使基料树脂变得疏松，其催化成炭后变得疏松多孔，受热升力作用随烟气流失，炭层出现空隙，耐火极限下降，如图1所示。

表2 石墨用量对防火卷材性能的影响

适量的石墨可以改善卷材的力学性能。卷材的断裂强度和断裂伸长率随石墨用量的增加先上升后下降。石墨含量为15%的卷材断裂强度与断裂伸长率较未加入石墨的防火卷材分别提升了138.49%和42.68%；石墨含量为20%的卷材断裂强度和断裂伸长率分别为2.68 MPa和900.54%，较石墨用量为15%的防火卷材分别下降了64.55%和39.04%。

(a)含石墨15%的炭层

(b)含石墨20%的炭层

2.3 含石墨钢结构防火卷材防火性能分析

表3为防火卷材的35 kW·m-2辐射功率CONE试验结果。可膨胀石墨加入使卷材的点燃时间缩短。未加石墨的防火卷材的热释放速率峰值(pkHRR)、平均热释放速率(av-HRR)和总释放热(THR)分别为49.58 kW·m-2、21.24 kW·m-2和28.65 MJ·m-2；加入15%可膨胀石墨的防火卷材的pkHRR由49.58 kW·m-2降低至35.49 kW·m-2，降幅达到28.42%，THR由28.65 MJ·m-2降低至26.48 MJ·m-2，降幅达到7.57%。含石墨防火卷材达到pkHRR的时间比不含石墨卷材延迟了200 s，说明石墨对防火卷材具有阻燃隔热作用。未加石墨的防火卷材的平均比消光面积与平均一氧化碳产率分别为2 183.75 m2·kg-1、0.06 kg·kg-1，加入15%可膨胀石墨防火卷材的平均比消光面积与平均一氧化碳产率分别为313.63 m2·kg-1、0.04 kg·kg-1，降低了85.64%和33.33%。石墨对防火卷材有抑烟作用,烟气毒性也大大降低。

表3 防火卷材CONE测试结果

表4为防火卷材的火势增长指数(FGI)、发烟指数(TSPI6min)、放热指数(THRI6min)和毒性气体生成速率指数(ToxPI6min)四项燃烧性能指数。含15%石墨的防火卷材的FGI、TSPI6min、THRI6min、ToxPI6min均小于未加可膨胀石墨的防火卷材，降幅分别达到了46.34%、5.40%、17.51%、4.24%，是因为可膨胀石墨使防火卷材炭层的致密性和厚度增加，阻止热量传递，降低了材料的火灾危险性和危害性。

表4 材料燃烧性能指数

3 结论

3.1 石墨的粒径对钢结构防火卷材性能有显著影响。含15%粒径为50目可膨胀石墨的防火卷材耐火极限是不含石墨的防火卷材耐火极限的4.93倍。防火卷材的耐火极限随粒径的增加呈先下降后上升的趋势。防火卷材的断裂强度和断裂伸长率随着石墨粒径的减小而减小。添加50目石墨时防火卷材的断裂强度、断裂伸长率、弹性模量、最大应力较未加入石墨的防火卷材分别提升了138.49%、42.68%、2.22%和27.24%。

3.2 石墨用量对钢结构防火卷材性能有显著影响。随石墨用量的增加，材料耐火极限先上升后下降。添加5%的可膨胀石墨，可以提高耐火极限333.33%。添加可膨胀石墨5%～15%之间，卷材的耐火极限增加不显著，含量超过20%时耐火极限显著下降，在本体系中石墨用量在5%～15%为宜。

3.3 可膨胀石墨使防火卷材防火阻燃性能有提升。含15%可膨胀石墨防火卷材的热释放速率峰值、总释放热、平均比消光面积、平均一氧化碳产率较原卷材分别下降了28.42%、7.57%、85.64%、33.33%，pkHRR的时间延迟了200 s；FGI、TSPI6min、THRI6min、ToxPI6min均小于未加可膨胀石墨的防火卷材，降幅分别达到了46.34%、5.40%、17.51%、4.24%，降低了材料的火灾危险性和危害性。