阻燃密封胶在地铁人防工程中的应用研究

王 帅，韩 瑜,2 ，刘 丽

(1.辽宁省建设科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110005；2.大连理工大学，辽宁 大连 116024)

1 材料与要求

防火封堵是采用防火封堵材料对孔开口、贯穿孔口、建筑缝隙进行密封和填塞，使其在规定的耐火时间内与相应构件协同工作，以阻止热量、火焰、烟气蔓延扩散的一种技术性措施。用于普通工业与民用建筑的防火密封胶不仅具有遇火时阻烟、防火和隔热的性能，还应具有满足变形缝隙带来的拉伸压缩、剪切作用等物理性能。

地铁人防封堵除满足上述功能外，还必须具备如下功能：

(1) 优良的气(烟)密性和水密性，满足战时的防毒、防化和防液的功能需求。

(2) 防核辐射，达到相应的照射等级要求。

(3) 抗冲击波破坏等级要求。

(4) 在相对湿度较大的地下环境下，长期使用受潮不吸水，不风化分解，防止失去原有防火功效。

(5) 地铁人防工程内部机电设备多，电缆密集，远远超过国家防火封堵材料测试标准中电缆填充面积在5%以下。而电缆填充面积超过5%的封堵节点，应采用经过等效工况测试的防火封堵材料及工艺。

(6)地铁车辆的运行造成地铁内构筑物、设备、管线和桥架等随之频繁震动，而且检修维护十分困难，应采用具有适当粘接强度、结构耐久性好的材料，同时兼顾维修方便的材料和工艺。

目前市场上应用的大多数防火封堵材料(如防火包、防火模块、防火胶泥等)基本都不能适合地铁人防工程的要求。

2 阻燃密封胶的研制

结合以上要求，根据环氧树脂固化后具有收缩率低、耐化学介质、对各种金属和部分非金属材料均有良好的粘结性能等优点，选择以环氧树脂做为密封胶基质，研制出专门用于地铁人防封堵工程的阻燃密封胶。

2.1 阻燃机理

常规的环氧树脂是易燃材料，其氧指数平均值只有19.8%左右，并且离火后持续自燃，且激烈燃烧时产生大量黑烟。国内建筑工程的防火封堵材料，主要是通过添加卤素阻燃剂来获得优良的阻燃性。虽然卤素材料具有良好的阻燃效果，但是当火灾发生时会释放大量的烟雾和氯化氢气体，这些烟雾和氯化氢气体会强烈的刺激人眼和呼吸系统，阻碍消防人员和救援人员的灭火和抢救工作，开发无卤阻燃剂已成为国内阻燃材料领域的发展趋势。并且单一阻燃剂的特性不能满足材料的阻燃、抑烟和隔热要求，复合阻燃体系兼有多重阻燃剂的特性，研究不同阻燃剂的复合协同作用为国内阻燃材料领域的热点。

本文研发的阻燃密封胶采用了无机、有机双核协效膨胀阻燃体系，不仅保持了环氧树脂胶黏剂优良的物理力学性能和高强的黏结性能，还具有优异的阻燃抑烟性能。

有机阻燃体系以三聚氰胺多聚磷酸盐(MPP)季戊四醇(PER)组合为基材,这是一组氮磷类膨胀型有机阻燃剂，是碳源(成碳)、酸源(脱水剂)和气源(发泡剂)的综合载体，MPP在环氧树脂体系中阻燃机理可以分为凝聚相的阻燃作用和蒸汽相的阻燃作用。凝聚相阻燃机理因为体系在遇热分解过程中，MPP发生如下变化：聚磷酸盐→磷酸→偏磷酸→聚偏磷酸，而聚偏磷酸是不易挥发的稳定化合物，是强脱水剂，促使三聚氰胺和PRE迅速膨胀、脱水碳化，进而形成致密碳层覆盖于燃烧面，这种致密的单质碳保护层和膨胀层使基质与热和氧隔绝开来，起到阻燃作用。蒸气相阻燃机理因为MPP是一种自由基捕捉剂，在聚合物燃烧时产生可以捕捉蒸气相中H 游离基和OH 游离基的活性自由基，从而起到抑制火焰的作用。另外，MPP在阻燃过程中可以产生水分和惰性气体，一方面可以降低凝聚相的温度，另一方面可以稀释蒸气相中可燃物的浓度，从而更好的起到阻燃作用。

表1 MPP对环氧树脂固化物氧指数、烟密度和冲击强度的影响

注：MPP份数为占环氧树脂的质量分数。

三聚氰胺多聚磷酸盐(MPP)的加入能够明显改善环氧树脂的阻燃效果，添加5～40份能使环氧树脂固化物的LOI值从24.3%升高到33.6%，SDR值从52.5降低到41.2。MPP的加入对环氧树脂固化物起到类似增韧剂的作用，随着MPP用量的增加，抗冲击强度先增后降，加入20份时抗冲击强度最高。

无机阻燃体系以热处理过纳米级氢氧化铝(ATH)为基材。ATH在环氧树脂体系中具有阻燃、消烟、填充三重功能，不挥发、无毒、腐蚀性小，在燃烧时无二次污染，被誉为无公害阻燃剂。热处理过的ATH热分解温度可以从195.35 ℃提高到242.15 ℃，并且纳米级ATH粒子相比之下分散性大大提高，可以使体系表面形成一层单分子覆盖膜，可以极大减小其表面能，减弱粒子间的强吸附作用。因此热处理过的纳米级ATH具有极佳的耐高温性和优良的可分散性、成型可塑性，是一种理想的新型阻燃密封材料。

表2 ATH对环氧树脂固化物氧指数、烟密度和冲击强度的影响

注：试验在MPP份数为20的最佳条件下，ATH份数为占环氧树脂的质量分数。

试验表明，纳米级ATH加入能够明显改善环氧树脂的阻燃效果，添加0～20份能使环氧树脂固化物的LOI值从30.4%升高到38.8%，SDR值从45.6降低到33.6。随着ATH用量的增加，抗冲击强度持续下降，加入20份时抗冲击强度降到最低值。

考虑到阻燃抑烟性能、胶体黏接性能和物理力学性能的协同性，我们最终确定了一组适当比例的的添加量。

2.2 理化性能

阻燃密封胶采用双酚A型环氧树脂、脂肪胺复合固化体系和自合成增韧剂做为基础黏结密封材料，添加轻质填充材料降低体密度和导热系数，按照《防火封堵材料》GB 23864—2009对阻燃密封胶进行检测，性能指标和检测结果如表3所示。

表3 阻燃密封胶的理化性能

依照人防工程的特点，在贯穿性穿缆孔洞中间填入人防专用无机轻质速固防火堵料，两端以阻燃密封胶封口，此体系在短时间内凝固，形成高强度刚性密封。经检测，此体系堵塞的静荷载强度可到0.4 MPa，气密性、水密性均符合要求，又可以满足六级人防中第一道人防门的抗冲击波能力。

2.3 黏结性能

与普通密封胶的较差力学性能和防火泥类产品同基材之间的物理附着不同，阻燃密封胶除与基材产生高强的化学黏结性能，自身还拥有良好的位移能力，能够应对一定的接缝尺寸变化。

表4 阻燃密封胶胶体性能和黏结能力

注：1.胶体压缩试验压缩比为10%，均无破坏，解除荷载后试件回到原始状态； 2.与混凝土正拉粘结试验均为混凝土内部破坏。

2.4 燃烧性能

众所周知，火灾中浓烟和有毒气体的扩散是造成人员伤亡的关键。GB 23864—2009对防火封堵材料的燃烧性能做出规定，对于防火密封胶的燃烧性能按照《塑料燃烧性能的测定 水平法和垂直法》(GB/T 2408—2008)进行检测。不仅燃烧时无滴落，并且撤去火源后余焰时间与余辉时间都小于10 s，达到了最高级别Ⅴ-0级。试验表明，阻燃密封胶燃烧时极速碳化，绝无垂滴，杜绝了二次火源的产生。

表5 JGN-FD防火密封胶可燃性试验结果

3 结 论

本文研制的阻燃密封胶分为挤出和拌合两种类型，在阻燃效果、理化性能、粘结性能、燃烧性能等指标上满足在多缆细管径等复杂情况下封堵工程的工艺和质量要求。作为一种新型的人防工程专用封堵材料，已经在山西、沈阳、宁波、长沙等地下人防工程(车库等)和地铁中得到应用，满足了地铁人防封堵工程的需求。