蔡余税

摘要：聚氨酯泡沫塑料是一种良好的保温材料，在化工管道建设中应用较多，但其存在易燃的问题。膨胀石墨是一种环保的资源型阻燃剂，研究尝试在聚氨酯泡沫塑料中添加一定含量的膨胀石墨，验证其对材料各项性能的改善效果。通过实验表明，膨胀石墨的添加会对聚氨酯泡沫塑料的力学性能和燃烧参数等指标产生一定的影响。在添加40%膨胀石墨之后，材料的压缩性能经检验表现出明显的变化，压缩强度与压缩模量可以达到较为理想的水平。在所添加膨胀石墨达到40份之后，复合材料的极限氧指数达到27.1，达到难燃级别，材料的整体阻燃性能得到明显的改善。

关键词：化工管道；聚氨酯泡沫粘接材料；膨胀石墨；安全工程

中图分类号：TQ328.3文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）05-0025-04

Application of chemical pipe bonding material in safety engineering

CAI Yucha

（ZhonghaiXingfa（Guangdong）Security Technology Service Co.，Ltd.，Guangzhou 510663，China）

Abstract： Polyurethane foam is a very ideal thermal insulation material，which is widely used in chemical pipeline construction，but this material has flammable problems and shortcomings. Expanded graphite is a kind of environ- mentally friendly resource flame retardant. This research attempts to add a certain amount of expanded graphite to polyurethane foam，and through experimental analysis，verify its improvement effect on various properties of mate- rials. Through experimental analysis，it is observed that the addition of expanded graphite will have a certain im- pact on the mechanical properties and combustion parameters of polyurethane foam. After 40% expanded graphite was added，the compression properties of the material show obvious changes through inspection，and the compres- sion strength and compression modulus can reach an ideal level. After adding 40 parts of expanded graphite，the ul- timate oxygen index of the composite material reaches 27.1，reaching the flame retardant level，and the overall flame retardant performance of the material is significantly improved.

Keywords： chemical pipeline; polyurethane foam; expanded graphite; safety engineering

聚氨酯泡沫塑料作為一种综合性能十分优异的材料，在化工领域的应用十分广泛，在各种化工管道的建设过程中，经常会选择使用此种材料。但此种材料也存在阻燃性能不佳等不足之处，影响到其应用的实际效果以及应用的安全性[1]。在化工安全工程中，如何提高此种材料的安全性能，也成为人们广泛关注的重要课题。

聚氨酯泡沫塑料的制作过程中，所用到的原材料主要是多异氰酸酯以及多元醇。以上述材料为原料，加入适当的助剂，使得反应产物中生成大量的泡沫，从而得到聚氨酯泡沫塑料产品[2-3]。聚氨酯泡沫塑料具有多种性能，应用范围十分广泛，但是，该材料也存在一定的不足之处，一定程度上限制了其实际应用[4]。为提高此类材料的性能以及应用安全性，可以综合应用一定的膨胀型阻燃剂。膨胀型阻燃剂的类型种类多样，其中较为常见的是膨胀石墨。膨胀石墨具有较高比表面积，孔隙结构分布合理[5-6]。耐受高温，导电、导热性能良好，化学性能稳定、耐酸碱腐蚀，主要应用于电容器、石墨烯前驱体、相变储能、纳米导电复合材料、防腐涂料、塑料、橡胶等方面具有较大的应用前景。为了改善聚氨酯泡沫塑料的综合性能，提高其应用效果，研究尝试在聚氨酯泡沫塑料中添加一定含量的膨胀石墨，并通过试验分析，验证其对材料各项性能的改善效果。

1 实验材料与方法

1.1实验材料

此次实验中使用的材料其来源情况如下。（1）胺类复合催化剂，实验室自配；（2）膨胀石墨，青岛岩海碳材料有限公司提供；（3）聚醚多元醇，山东旭晨化工科技有限公司提供；（4）多亚甲基多苯基多异氰酸酯，菏泽西冷化工有限公司提供；（5）浓盐酸，山东维进化工科技有限公司提供；（6）泡沫稳定剂，山东蓝泰建筑新技术应用有限公司提供；（7）环戊烷，武汉卡诺斯科技有限公司提供。

1.2 实验仪器与设备

此次实验中使用的仪器、设备：万能材料试验机，苏州精渺精密科技有限公司提供；锥形量热仪，江苏费尔曼安全科技有限公司提供；极限氧指数测定仪，北京智德创新仪器设备有限公司提供；真空烘干箱，济南美特斯测试技术有限公司提供；高速离心机，扬州德瑞仪器设备有限公司提供。

1.3 膨胀石墨预处理

取适量膨胀石墨，于30℃环境温度下，将其全部浸泡在浓盐酸中。对液体进行加温处理，待温度达到50℃后停止。对整个体系进行超声分散处理，时间为6 h。处理完毕后，置于室温条件下自然降温，待整个体系逐渐下降为室温状态之后，置于高速离心机中实施离心处理。离心结束将膨胀石墨去除，放置在真空烘干箱中实施干燥，干燥过程中将温度设置为80℃。观察干燥效果，待膨胀石墨达到恒重之后停止干燥处理，并将预处理完毕的膨胀石墨妥善保存备用。

1.4 聚氨酯膨胀石墨复合材料配方及其制备

制备聚氨酯膨胀石墨复合材料，在上述预处理膨胀石墨基础上，联合使用胺类催化剂、多亚甲基多苯基多异氰酸酯等材料，具体配方情况如表1所示。

聚氨酯膨胀石墨复合材料制备方法。参照上述配方的内容，对胺类催化剂、膨胀石墨等相关的物质进行混合，充分混合均匀之后，加入适量的多亚甲基多苯基多异氰酸酯。将所获得的复合材料置于模具，对其实施搅拌，保持较快的搅拌速度，搅拌时间为数秒。搅拌结束后，对模具进行妥善密封，并置于温度100℃条件下给予固化处理，固化处理时间为4h。

1.5 观察指标

1.5.1 压缩强度与压缩模量

制备力学试验样品。样品大小为50 mm×50 mm×50 mm，参照国标GB/T 8813—2008，使用万能材料试验机对所得试验材料样品的压缩性能进行测试分析，观察指标包括压缩强度与压缩模量。

1.5.2 极限氧指数

制备阻燃性能检测样品。最终制备的样品大小为120 mm×6 mm×3 mm，参照GB/T 2406.2—2009规定的标准进行测试，每个样品在一定的氧气浓度下测试5次。

1.5.3 燃烧特性

检测所制备复合材料的燃烧特性，检测过程中使用的仪器为锥形量热仪。检测过程中，将应用锥形电加热器，对材料样品进行热辐射。通过对相关数值的分析，得出具体的参数，进而评估材料的燃烧特性。具体的相关的参数主要包括材料的点燃时间、总热释放量等。

2 结果与分析

2.1 复合聚氨酯泡沫塑料的压缩模量与压缩强度统计

聚氨酯泡沫塑料在实际应用过程中，材料往往需要承受一定的载荷压力。这一情况下，也对材料的压缩性能提出了较高的要求。在研究中，通过制备材料样品并开展力学试验，检测了添加不同含量膨胀石墨的情况下，相应的聚氨酯泡沫塑料的力学特性，具体结果如表2所示。

由表2可知，不同含量膨胀石墨的添加会对聚氨酯泡沫塑料的力学性能产生十分明显的影响，导致其压缩强度和压缩模量发生一定的改变。聚氨酯泡沫塑料泡沫体具备一定的泡孔结构，此种结构与材料所具备的力学性能之间存在着十分密切的联系[7]。如果相应的泡孔结构呈现出较为细密、均匀的状态，则聚氨酯泡沫塑料便具备较为理想的力学性能。统计结果显示，與未添加膨胀石墨的情况相比较，在聚氨酯泡沫塑料中加入一定含量的膨胀石墨之后，材料的压缩性能相关指标会发生明显的改变。同时，在添加不同含量膨胀石墨的情况下，材料的压缩强度以及压缩模量数值大小也存在一定的差异。在加入10%含量的膨胀石墨之后，材料的压缩模量呈现出下降的情况，压缩强度也随之降低。在添加20%和30%含量的膨胀石墨之后，材料的压缩模量开始逐渐上升，压缩强度也随之提高，但与未添加膨胀石墨的情况相比较，均呈现出相对较低的状态。分析出现这一结果的原因，可能是因为膨胀石墨的添加会破坏聚氨酯泡沫塑料结构原本的完整性。于是，材料的力学性能也受到相应的影响，导致压缩强度以及压缩模量均下降。研究结果还显示，在添加40%膨胀石墨之后，材料的压缩性能经检验表现出明显的变化，其中，压缩模量显著增加，不但高于10%、20%、30%添加量的检测结果，也高于未添加膨胀石墨情况下的检测结果。在压缩强度方面，也表现出相同的情况。分析其中的原因，可能是因此在此条件下，所添加的膨胀石墨能够发挥出良好的增强效果，促进沫塑料力学强度的增加，进而改善其压缩性能。通过研究还观察到，在添加40%膨胀石墨之后，材料的压缩性能经检验表现出明显的变化，压缩强度与压缩模量均高于其他情况，可以达到较为理想的水平。这一结果表明，聚氨酯泡沫塑料力学性能相对较好。通过在聚氨酯泡沫塑料中添加不同量的膨胀石墨，会对其压缩模量和压缩强度产生影响。在添加40%膨胀石墨情况下，可以获得最为理想的效果。

2.2 复合聚氨酯泡沫塑料的极限氧指数统计

在化工安全工程中选用管道材料时，对相应材料的阻燃性能有着很高的要求。在评估、分析不同材料阻燃特性的时候，极限氧指数是一个重要的指标[7]。极限氧指数指的是支持纤维燃烧的最低氧气含量。在对不同材料的这一数值大小进行测评的时候，可以制备一定的材料样品，置于氮氧的混合气体中进行燃烧试验，观察试验结果得出该材料所对应的极限氧指数数值大小[8-9]。极限氧指数的大小可以直接反映出不同材料的阻燃水平，该指标数值越低，对应的材料阻燃性能便越低。参照一定的标准，可以对具备不同极限氧指数的材料进行阻燃水平分类，将其分为难燃材料和易燃材料。其中，如果检测所得材料极限氧指数的数值大小在22%～27%，则认为这一类型的材料属于可燃材料。如果材料的极限氧指数小于22%，则选择将相应的材料纳入易燃材料的范围。如果合一数值高于27%，则视为难燃材料[10-11]。在化工领域，涉及到多种危险性较高的物质。对于相关的管道材料，也有着很高的需求。为了满足化工安全工程的现实需求，还需要尽可能的改善聚氨酯泡沫塑料的特性，提高其阻燃水平。

但是，聚氨酯泡沫塑料的极限氧指数在18%左右，参照上述标准属于易燃材料。因此聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能不够理想。为提高其阻燃效果，改善其阻燃性能，研究选择在其中添加适量的膨胀石墨。膨胀石墨具有导热系数高等多种不同的优良性质，而且还具有许多特有的优良性能。另外，膨胀石墨还具备十分理想的相容性，这一特性也为膨胀石墨与多种不同材料之间的混合应用提供了可能[12-13]。立足这一基础，为了满足化工领域现实情况的需求，可以选择在聚氨酯泡沫塑料中添加一定含量的膨胀石墨。通过不同材料的相互混合应用，获得具有更为理想综合性能的复合材料。通过在聚氨酯泡沫塑料中添加不同含量的膨胀石墨，在复合材料发生燃烧的过程中，膨胀石墨在受到一定热力影响的情况下会发生膨胀。同时，也可以在聚氨酯泡沫塑料材料的表面形成一层致密的隔氧层。通过这一方式，可以有效改善材料的综合性能，促进其阻燃性能的提升。

不同膨胀石墨含量下聚氨酯泡沫塑料的极限氧指数统计如表3所示。

由表3可知，在未添加膨胀石墨的情况下，聚氨酯泡沫塑料的极限氧指数为18.1，处于相对较低的水平。在此情况下，参照上文的标准可以发现，材料参与可燃材料的范围，相应的阻燃性能不够理想。如果经其应用于化工管道之中，充当保温层，则在一定的情况下极易发生燃烧；同时，还容易导致延燃问题的出现，进而严重影响到化工生产的安全水平。为了改善这一情况，提高聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能，可以添加一定的膨胀石墨。结合表3中的数据进行分析，通过添加一定量的膨胀石墨，对聚氨酯泡沫塑料的极限氧指数产生了不同的影响，进而影响到其所具备的阻燃性能。同时，结合具体的数据结果来看，随着膨胀石墨添加量的不断增加，相应的复合材料所具备的极限氧指数也呈现出不断上升的变化趋势。其中，在添加10份膨胀石墨的时候，负荷材料的极限氧指数可以达到20.3。但参照相关标准，在这一状况下，复合材料的阻燃性能虽然得到了一定的改善，但依然属于可燃材料的范围。在添加20、30份膨胀石墨后，所得到的复合材料的极限氧指数分别为21.7和23.7，与未添加膨胀石墨状况下比较，极限氧指数均得到明显的提升，阻燃性能得到了有效的改善。但在上述状态下，相应的复合材料仍然属于可燃材料的范畴。在所添加膨胀石墨达到40份之后，检测结果显示，复合材料的极限氧指数达到27.1。这一情况，复合材料属于难燃材料。结果表明，所获得的复合材料具备较为理想的极限氧指数。分析相关的原因，这是因为通过添加一定的膨胀石墨，其在受热膨胀之后在聚氨酯泡沫塑料的表面形成一定的隔氧层，从而提高材料的极限氧指数，改善其阻燃性能[14-15]。而所添加的膨胀石墨含量越高，受热膨胀所形成的隔氧层就越为致密，相应的极限氧指数便相对较高，阻燃性能也相对较好。

2.3 复合聚氨酯泡沫塑料的燃烧特性检测结果

为了确保化工管道的安全性，在选择化工管道材料的时候，相应的材料应当具备良好的燃烧特性。不同膨胀石墨含量下聚氨酯泡沫塑料的燃烧特性检测结果如表4所示。

由表4可知，在总热释放量方面，在添加膨胀石墨后，聚氨酯泡沫塑料的累积总热释放量会呈现出一定的变化，当膨胀石墨添加到15 phr时，总热释放量值最低。在点燃时间方面，通过观察发现，添加膨胀石墨的阻燃聚氨酯泡沫塑料点燃时间数值变大，说明阻燃性能得到改善。这表明膨胀石墨的加入使得聚氨酯泡沫塑料的点燃时间延长，阻燃性能变好。分析相关原因，可能是因为聚氨酯泡沫塑料属于树脂材料，具有一定的泡孔结构，会导致材料表面积的增加。在添加一定的膨胀石墨之后，膨胀石墨可以发挥出阻燃作用[16]。在反应的初期阶段，可以有效吸收热量，进而达到延缓聚氨酯泡沫塑料燃烧的效果。热释放速率是火灾中燃烧危险性的重要评价指标，也是评估不同材料燃烧特性的指标之一[17]。通过表4中数据还可观察到，在材料的燃烧过程中，热释放速率越大，对应的单位时间内释放的热量便越多。这一结果表明，膨胀石墨的添加会影响到聚氨酯泡沫塑料材料的热释放速率。膨胀石墨添加量越大，对应材料的热释放速率便越小。膨胀石墨的添加可以发挥出改善泡沫塑料燃烧特性的效果[18]。通过燃烧特性检测还发现，随着膨胀石墨添加量的不断增加，材料的总烟释放量会呈现出不断下降的变化趋势。这表明，膨胀石墨的加入对聚氨酯泡沫塑料有显著的抑烟作用。

3 结语

聚氨酯泡沫塑料具有多种良好的性能，在化工领域的应用较多。但其阻燃性能不够理想，在应用于化工安全工程之中的时候，研究尝试在聚氨酯泡沫塑料中添加一定含量的膨胀石墨，验证其对材料各项性能的改善效果。通过实验表明，膨胀石墨的添加会对聚氨酯泡沫塑料的力学性能和燃烧参数等指标产生一定的影响。在添加40%膨胀石墨之后，材料的压缩性能经检验表现出明显的变化，压缩强度与压缩模量可以达到较为理想的水平。在所添加膨胀石墨达到40份之后，复合材料的极限氧指数达到27.1，达到难燃级别，对应的材料在极限氧指数与阻燃性能、力学性能等方面处于相对较好的状态，材料的整体阻燃性能得到明显的改善。

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