無鹵阻燃性環氧樹脂在軌道交通的應用前景

戚磊

【摘 要】簡述了軌道交通輕量化復合材料用的常用樹脂阻燃要求，比較酚醛樹脂玻纖預浸料與無鹵環氧樹脂玻纖預浸料的氧指數、燃燒級別、甲醛釋放量和產煙率等阻燃性能，對比分析對應三明治板的理化性能。無鹵環氧樹脂在軌道交通的復合材料零部件上使用具有廣闊的前景。

【Abstract】In this paper， the flame retardant requirements of commonly used resins for lightweight composites for rail transit are described. The flame retardant properties such as oxygen index， combustion grade， formaldehyde emission and smoke production rate of phenolic resin glass fiber prepreg and halogen free epoxy resin glass fiber prepreg were compared， and the physical and chemical properties of the sandwich plate were analyzed and compared. It is concluded that the halogen-free epoxy resin has great potential value in rail transit applications.

【關鍵詞】環氧樹脂；軌道交通；無鹵；阻燃

【Keywords】epoxy resin； rail transit； halogen-free； flame retardant

【中圖分類號】TL284 【文獻標志碼】B 【文章編號】1673-1069（2017）04-0191-03

1 引言

目前，軌道交通大致可分為動車組、有軌電車、地鐵和輕軌等。而動車組是我國最主要的長途出行的交通方式之一，有軌電車、地鐵和輕軌則是我國大城市市內交通的主要方式[1]。

車輛結構的輕量化是現代車輛制造技術的方向，同時軌道交通的制造技術也朝著舒適，安全，低自重的方向快速發展。相比金屬材料而言，采用FRP （Fiber Reinforced Plastic）復合材料制造軌道交通的材料，具有輕質高強，工藝簡單，成本低廉，設計自由度大，耐酸堿腐蝕，抗沖擊性能好的特點。目前，用于制造列車車頭，車體，車廂內裝飾，衛生設施及部分軌線設施，為軌道交通領域的輕量化提供了可行性材料選擇方案[2-4]。

軌道交通常用的普通熱固性樹脂主要有不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂和環氧樹脂三大常見樹脂。表1列出了常見的三大熱固性樹脂的特點[5，9，10]。表2比較了常見的三大熱固性樹脂的性能[5]。軌道交通用的樹脂體系不同于普通的熱固性樹脂體系，它具有一定的阻燃要求。最初的阻燃型樹脂主要原理是難燃或者不燃。但是實際發現，在絕大多數的火災事故中，大多數死者均是被毒煙熏至窒息昏迷而死。后來阻燃的指標增加了低煙和低毒的部分， 因此制定了煙、火、毒等保護措施和條款來界定熱固性復合材料作為軌道交通使用材料的安全系數，阻燃劑的方向也被定位成無鹵、微細化、低煙、低毒和多功能[1，6]。

由表1我們不難發現，普通的不飽和聚酯樹脂應用在軌道交通上最致命的缺點是易燃，且燃燒時會放出危險性的氣體和毒煙。因此最初的阻燃樹脂是在純樹脂的單體結構上，添加或者接入的方式引入鹵素元素， 并配以三氧化二銻Sb2O3補充阻燃劑構成的。盡管這是一個非常有效的阻燃系統， 但是鹵素系統在著火時會產生大量又濃又黑的煙， 使人昏迷和阻礙逃生[1]。早在1986年瑞士和德國就已經報道了含溴阻燃劑在火災燃燒時會使人員中毒，并且會有有毒氣體對大氣環境的污染，對環境造成危害。關于其他鹵系阻燃體系對環境的危害性也陸續有所報到。現今環境保護迫在眉睫，對無鹵阻燃體系的呼聲也越來越高[7]。

無鹵阻燃的環氧樹脂體系在燃燒過程中，不會分解釋放出有毒的鹵化氫或有機鹵化物，從而使產煙量大大降低，煙氣毒性也隨之降低。因此，無鹵阻燃環氧樹脂復合材料在火災現場可降低、阻止火災的發生和蔓延，降低火災發生對能源的浪費、資源的損害以及生態環境的破壞，對減少火災中人員傷亡和財產損失具有非常重要的實際意義，為消防工程的建設提供了切實可行的有效手段[8]，為軌道交通的安全性提供了確實有效的保障，更具有廣闊的市場前景。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

BAC 100改性阻燃酚醛樹脂，BAC 130無鹵阻燃型環氧樹脂，BAC 400改性阻燃酚醛樹脂-玻纖預浸料，BAC 430無鹵阻燃型環氧樹脂-玻纖預浸料，以上材料均為浙江百合航太復合材料有限公司制造產品。

2.2 實驗方法

燃燒等級和氧指數測試按照TB/T 3237-2010標準進行；甲醛釋放量按照TB/T 3139-2006標準進行；產煙率測試按照CA/T505-2004標準進行；三明治板的剝離強度按照ASTM D1781-98（2012）標準進行。

3 分析與討論

3.1各種阻燃型能的測定結果

極限氧指數（LOI）是試樣在氮氧混合氣體等規定的條件下，維持平衡燃燒所需的最低氧濃度（體積百分比濃度）。聚合物材料的氧指數與其燃燒時的成炭率，燃燒焓及元素組成等因素有關。材料的產煙率是反應材料熱分解或燃燒進行程度的參數。毒性氣體的測試則是在動車組用內裝材料阻燃技術條件中最為關鍵的一環，極大地影響在火災發生救援行動的快慢程度。

一般認為氧指數<22屬于易燃材料，氧指數在22-27之間屬可燃材料，氧指數>27屬難燃材料。而用于軌道交通的阻燃技術條件指標中，氧指數應大于等于32。由表3數據中的氧指數測定結果可知，酚醛樹脂-玻纖預浸料BAC 400的氧指數測定值為40，無鹵環氧樹脂-玻纖預浸料BAC 430的氧指數測定值為36。很明顯，雖然BAC 430的氧指數比BAC400的氧指數低，說明BAC430的阻燃性不如BAC 400的阻燃性，但都屬于難燃材料，且均滿足動車組內裝材料阻燃性的標準。

垂直燃燒的燃燒結果表明，BAC 430和BAC 400的燃燒級別均為A級，說明這兩種樹脂都具有很好的阻燃效果，也就是表明無鹵環氧樹脂-玻纖預浸料同樣也能達到阻燃的要求指標。

產煙率的測定結果可知，BAC 430的產煙率是70%，而BAC 400的產煙率是78%。這表明BAC 430的抑煙效果比BAC 400的抑煙效果好，也就是表明無鹵環氧樹脂-玻纖預浸料的產煙率少，阻燃性更好。

甲醛釋放量的測試結果：酚醛樹脂體系BAC400的甲醛釋放量1.0mg/L，而無鹵環氧樹脂體系BAC430的甲醛釋放量未檢測出來，說明至少小于0.2mg/L，實際上所使用的環氧樹脂體系中完全不含甲醛。 測試結構表明酚醛樹脂體系雖然滿足阻燃性的指標，但甲醛釋放量較大，而無鹵環氧樹脂體系的甲醛釋放量幾乎沒有，顯然更加安全環保。

3.2 三明治板的剝離強度測試結果

分別將BAC 430和BAC 400預浸料做成面板，與芳綸紙蜂窩芯材復合成為三明治板。從接觸面進行單位寬度剝離時所需要的最大力，就是剝離強度，以表征樹脂基體與增強體材料的粘接性的強弱。由圖1可知BAC 430的三明治板的剝離強度為20.8N，而BAC 400的三明治板的剝離強度為12N。說明無鹵環氧樹脂的粘接強度可以遠遠地大于酚醛樹脂的粘接強度。

4 結論

通過對BAC 430無鹵環氧樹脂-玻纖預浸料與BAC 400酚醛樹脂-玻纖預浸料的體系的氧指數、燃燒級別、甲醛釋放量、產煙率以及對應的三明治板的剝離強度的測試，可得到如下結論：

①無鹵環氧樹脂-玻纖預浸料的氧指數雖然低于酚醛樹脂-玻纖預浸料，但仍能滿足軌道交通A級阻燃標準；

②無鹵環氧樹脂-玻纖預浸料可以達到比酚醛樹脂-玻纖預浸料還要低的產煙率；

③無鹵環氧樹脂-玻纖預浸料有比酚醛樹脂體系低得多的甲醛釋放量，更加無害和環保；

④無鹵環氧樹脂-玻纖預浸料所制得的三明治板具有比酚醛樹脂-玻纖預浸料三明治板更高的剝離強度；

⑤酚醛樹脂玻纖預浸料和環氧樹脂玻纖預浸料的阻燃性能都能滿足軌道交通對阻燃性的要求，但在這個前提上，無鹵環氧樹脂體系的毒性釋放量更少，且在力學上的粘接強度更好，不僅環保而且有利于復合材料的阻燃性，因此，無鹵環氧樹脂更值得重視，擁有更廣闊的應用前景。

【參考文獻】

【1】鐘國陽. 熱固性阻燃樹脂在軌道交通中的應用[J]. 玻璃鋼/復合材料，2003（05）：55-57.

【2】劉曉波，楊穎. 碳纖維增強復合材料在軌道車輛中的應用[J]. 電力機車與城軌車輛，2015，38（04）：72-75.

【3】劉曉波，楊穎. 輕量化高性能碳纖維復合材料車體研發關鍵技術[J]. 合成纖維，2013，42（10）：66-68.

【4】高國強，昝海漪. 復合材料在軌道交通車輛上的應用[C]. 第十八屆玻璃鋼/復合材料學術年會論文集，2010.

【5】黃發榮，萬里強，等. 酚醛樹脂及其應用[M].北京：化學工業出版社，2011.

【6】鄭巖. 阻燃劑協同復配對熱固性酚醛樹脂阻燃性能的影響[J]. 材料科學與工程學報，2012，30（3）：66-67.

【7】趙瑾朝，余冬. 無鹵阻燃改性酚醛樹脂的研究進展[J]. 熱固性樹脂，2006，21（4）：35-37.

【8】李愛英，常杰云，等. 無鹵阻燃環氧樹脂復合材料的研究進展[J]. 現代塑料加工應用，2016，28（3）：89-91.

【9】李娟，劉青，等. 阻燃環氧樹脂研究進展[J]. 合成樹脂及塑料，2016，33（6）：76.

【10】鄭巖，王樹慧. 阻燃劑對熱固性酚醛樹脂阻燃性能影響的研究[J]. 熱固性樹脂，2010，27（1）：75-79.