Al（OH）3對高速列車車廂層合板阻燃性能影響

張影++張雄++劉宇佳++王楊++朱晶松++王鳳春

摘 要：為提高高速列車車廂玻璃鋼層合板的阻燃性，保證列車行駛安全，采用手糊工藝制備了具有一定阻燃性和較高力學(xué)性能的雙酚A型環(huán)氧樹脂基玻璃鋼層合板。在配比（質(zhì)量比）環(huán)氧樹脂：乙二胺：二丁酯=100：15：12條件下，添加適量滑石粉，以無水乙醇為溶劑，通過改變Al（OH）3用量對環(huán)氧樹脂基玻璃鋼層合板進行阻燃改性。實驗結(jié)果證明：在配比（質(zhì)量比）環(huán)氧樹脂：乙二胺：二丁酯：滑石粉=100：15：12：30條件下，添加Al（OH）3的用量為60時，極限氧指數(shù)為26，彎曲強度為71.86，既能改善其阻燃性能又兼顧其力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：Al（OH）3；環(huán)氧樹脂基玻璃鋼層合板；高速列車；阻燃性能

現(xiàn)階段，高速列車車廂設(shè)計聚焦于兩點：其一，車廂局部結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化[1]；其二，減輕車廂質(zhì)量、提高車度、優(yōu)化阻燃性能[2]。高速列車車體結(jié)構(gòu)重量在整車中所占比例約為15-30%。提高高速列車速度，必須首先考慮車體結(jié)構(gòu)輕量化，實現(xiàn)的主要途徑之一是采用輕質(zhì)高強的復(fù)合材料——玻璃鋼層合板[3]。在高速列車運輸中，在追求列車行駛速度的同時，列車行駛的安全性尤為重要[4]，尤其是旅客運輸?，F(xiàn)今玻璃鋼層合板在高速列車車廂中應(yīng)用非常廣泛，處于安全考慮，對列車車廂用玻璃鋼層合板的阻燃性能要求越來越高[5]。為提高玻璃鋼層合板的阻燃性，保證列車行駛安全，本課題組開展Al（OH）3改性雙酚A型環(huán)氧樹脂基玻璃鋼層合板阻燃性研究，得到阻燃性能優(yōu)異的環(huán)氧樹脂基玻璃鋼層合板。

1 實驗部分

本實驗選用雙酚A型環(huán)氧樹脂E-51作為基體樹脂，耐熱溫度可達(dá)200℃或更高；乙二胺作為固化劑，經(jīng)固化反應(yīng)使環(huán)氧樹脂形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，短時間內(nèi)即可凝膠使之固化；鄰苯二甲酸二丁酯作為增塑劑，其對環(huán)氧樹脂具有很強溶解力；玻璃纖維布作為增強材料，在經(jīng)緯二維方向上增強層合板；阻燃劑選用Al（OH）3，KH560硅烷為偶聯(lián)劑，對Al（OH）3和玻璃纖維布表面改性；選用滑石粉作為填料，降低樹脂固化收縮率，使固化產(chǎn)物形狀穩(wěn)定，增加其張力、剪切、壓力強度，熱膨脹系數(shù)等；無水乙醇作為溶劑。

將裁剪好的玻璃纖維布放入120℃的烘箱中烘烤2h，除去玻璃纖維布表面水分與蠟質(zhì)。采用預(yù)處理法，利用KH560硅烷偶聯(lián)劑處理玻璃纖維布。將玻璃纖維布浸泡在5%的KH560水溶液中30min。取出后，將玻璃纖維布放入120℃烘箱中烘烤2h，除去玻璃纖維布中水分。

采用Al（OH）3粉為阻燃劑，硅烷為偶聯(lián)劑，無水乙醇做溶劑，三者質(zhì)量比為2：1：3。取一定量的硅烷偶聯(lián)劑與無水乙醇混合，超聲攪拌30min后倒入容器中，再將適量的Al（OH）3微粉放入該容器中，水浴升溫至95℃并攪拌3h后，放入真空干燥箱干燥，研磨成粉備用。

樹脂溶液配比（質(zhì)量比），環(huán)氧樹脂：乙二胺：二丁酯：滑石粉=100：15：12：30條件下，無水乙醇適量。加入不同質(zhì)量的Al（OH）3。

樹脂溶液配制，首先將環(huán)氧樹脂倒入容器中，依次加入無水乙醇，充分?jǐn)嚢?；鄰苯二甲酸二丁酯，充分?jǐn)嚢?；滑石粉，充分?jǐn)嚢?；氫氧化鋁，充分?jǐn)嚢瑁灰叶?，充分?jǐn)嚢琛?/p>

采用手糊工藝制備環(huán)氧樹脂基玻璃鋼層合板，圖1。

2 Al（OH）3對玻璃鋼層合板微觀結(jié)構(gòu)影響

2.1不同含量Al（OH）3對玻璃鋼層合板晶型影響

圖2是每100g環(huán)氧樹脂中，滑石粉含量為30g，Al（OH）3含量分別為20g、30g、40g、60g、80g的XRD圖。

從圖2中可以看出，不同含量Al（OH）3的樣品XRD圖譜均出現(xiàn)饅頭狀寬峰，與環(huán)氧樹脂一致。但同時也出現(xiàn)少量雜峰，隨著Al（OH）3含量的增加，雜峰逐漸增多，這是由于滑石粉和Al（OH）3以及雜質(zhì)引起的。

2.2 不同質(zhì)量比對玻璃鋼層合板斷面結(jié)構(gòu)影響

圖3為Al（OH）3與環(huán)氧樹脂不同質(zhì)量比的斷面SEM圖。

由圖3可以看出，（a）、（b）、（c），Al（OH）3與環(huán)氧樹脂基體相容性較好，未出現(xiàn)明顯脫落現(xiàn)象，滑石粉也能較為均勻的分散于基體中。但隨著Al（OH）3的增加，滑石粉也出現(xiàn)部分團聚現(xiàn)象，如（d）、（e）所示。主要由于Al（OH）3的增加導(dǎo)致滑石粉分散基體的空間減小，排斥力增加，出現(xiàn)團聚。

2.3 玻璃鋼層合板能譜分析

圖4為玻璃鋼層合板能譜分析圖。

圖4玻璃鋼層合板能譜分析圖

通過能譜分析圖可以看出：所制備的樣品中Al含量最高，是因為環(huán)氧樹脂中加入大量的Al（OH）3所致。另外，含有的Si，Mg，Ca和C等元素，是因為樹脂中含有滑石粉。所含Au元素為樣品噴金所致，非樣品本身所有。

3 Al（OH）3對玻璃鋼層合板阻燃性影響

環(huán)氧樹脂的極限氧指數(shù)低，僅為19.8，易燃，嚴(yán)重影響了環(huán)氧樹脂更廣泛的應(yīng)用[6]。本實驗研究了環(huán)氧樹脂體系中不同阻燃劑Al（OH）3添加量與阻燃性能關(guān)系。表1為Al（OH）3添加量與極限氧指數(shù)關(guān)系。本實驗選取的樣品尺寸為100mm×5mm×3mm，流量為10ml。

表1 Al（OH）3添加量與極限氧指數(shù)關(guān)系

氧指數(shù)高表示材料不易燃燒，氧指數(shù)低表示材料容易燃燒，一般認(rèn)為氧指數(shù)小于22屬于易燃材料，氧指數(shù)在22-27之間屬可燃材料，氧指數(shù)大于27屬難燃材料。從表1中可知，當(dāng)Al（OH）3與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為0.2時，此時，環(huán)氧樹脂體系中Al（OH）3的含量為11.3wt%，其極限氧指數(shù)為24，雖然提高了環(huán)氧樹脂阻燃性能，但未達(dá)到難燃材料的要求。隨著Al（OH）3與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比逐漸升高，對應(yīng)的極限氧指數(shù)逐漸增大。當(dāng)Al（OH）3含量為0.6時，環(huán)氧樹脂體系中Al（OH）3的含量為27.7wt%，其極限氧指數(shù)為26，觀察樣品燃燒時無熔滴滴落，發(fā)煙也得到明顯改善。當(dāng)Al（OH）3與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為0.8時，環(huán)氧樹脂體系中Al（OH）3含量為33.8wt%，環(huán)氧樹脂的極限氧指數(shù)達(dá)到27.5，已達(dá)到難燃材料的要求，難燃燒，并且觀察其燃燒時的生煙小，火焰熄滅趨勢明顯，阻燃效果最好。

由表1可看出環(huán)氧樹脂的極限氧指數(shù)隨著Al（OH）3的添加量的增加而增大，當(dāng)Al（OH）3與環(huán)氧樹脂的質(zhì)量比為0.8時達(dá)到最好。這是由于環(huán)氧樹脂燃燒時，加入的Al（OH）3在300℃左右脫水吸熱，抑制聚合物的升溫。Al（OH）3脫水放出的水汽稀釋可燃性氣體和氧氣的濃度，可阻止燃燒；同時Al（OH）3脫水后在可燃物表面生成Al2O3保護膜，隔絕氧氣，可阻止繼續(xù)燃燒。在Al（OH）3/環(huán)氧樹脂質(zhì)量比為0-0.8范圍內(nèi)，Al（OH）3含量越高，其阻燃性能越好。但無機物的大量添加會影響環(huán)氧樹脂的物理性質(zhì)。

國內(nèi)外市場上作為阻燃劑使用的Al（OH）3，主要是α-三水氧化鋁（ATH），常用α-Al203·H2O表示[7]。Al（OH）3受熱分解成Al2O3和水，化學(xué)反應(yīng)如下：

2α-Al2O3·3H2O→Al2O3+H2O （1）

在240-500℃范圍內(nèi)測得的數(shù)據(jù)表明，本反應(yīng)的吸熱量為1967.2KJ/Kg，這是Al2O3具有阻燃作用的最主要原因。Al（OH）3的差熱曲線有3個吸熱峰，由此可推斷其分解包括3個階段[8]：

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

300℃左右：α-Al2O3·3H2O分解為X-Al2O3，即

α-Al2O3·3H2O→Al2O3+3H2O （3）

530℃左右：α-Al2O3·3H2O分解為γ-Al2O3，即

α-Al2O3·3H2O→γ-Al2O3+H2O （4）

4 Al（OH）3對玻璃鋼層合板力學(xué)性能影響

本實驗在配比（質(zhì)量比/g）環(huán)氧樹脂：乙二胺：二丁酯：滑石粉=100：15：12：30條件下，加入不同質(zhì)量氫氧化鋁，利用三點彎曲實驗測量其彎曲強度，圖5。樣品尺寸為250mm×75mm×5mm，跨距：228mm。

由圖5可知，隨著Al（OH）3含量的增加，復(fù)合材料的彎曲強度逐漸下降，在Al（OH）3/環(huán)氧樹脂為0.8時，達(dá)到最低值。且在質(zhì)量比為0.6～0.8處，下降趨勢最為明顯。由于滑石粉和Al（OH）3共同作用于基體材料中，Al（OH）3的添加導(dǎo)致無機顆粒在基體中相應(yīng)的比例增加，Al（OH）3以及滑石粉顆粒團聚導(dǎo)致環(huán)氧樹脂基體部分應(yīng)力集中，彎曲強度下降。綜合考慮Al（OH）3的阻燃特性，Al（OH）3/環(huán)氧樹脂質(zhì)量比在0.6為宜。

5 結(jié)束語

采用手糊工藝制備了具有一定阻燃性和較高力學(xué)性能的玻璃鋼層合板。以環(huán)氧樹脂為基體，玻璃纖維為增強材料，鄰苯二甲酸二丁酯作為增塑劑，乙二胺作為固化劑，滑石粉作為填料，加入適量無水乙醇作溶劑，通過加入滑石粉改善其力學(xué)性能，加入Al（OH）3對環(huán)氧樹脂進行阻燃改性。

在配比（質(zhì)量比）環(huán)氧樹脂：乙二胺：二丁酯：滑石粉=100：15：12：30條件下，添加Al（OH）3的用量為60時，極限氧指數(shù)為26，彎曲強度為71.86，既能改善其阻燃性能又兼顧其力學(xué)性能。

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*通訊作者：王鳳春（1965，01-），男，漢族，黑龍江，大學(xué)本科（學(xué)士），高級工程師，研究方向：無機非金屬材料。