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性能的雙酚A型環氧樹脂基玻璃鋼層合板。在配比（質量比）環氧樹脂：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用量對環氧樹脂基玻璃鋼層合板進行阻燃改性。實驗結果證明：在配比（質量比）環氧樹脂：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，極限氧指數為26，彎曲強度為71.86，既能改善其阻燃性能又兼顧其力學性能。

關鍵詞：Al（OH）3；環氧樹脂基玻璃鋼層合板；高速列車；阻燃性能

現階段，高速列車車廂設計聚焦于兩點：其一，車廂局部結構尺寸優化[1]；其二，減輕車廂質量、提高車度、優化阻燃性能[2]。高速列車車體結構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構輕量化，實現的主要途徑之一是采用輕質高強的復合材料——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。現今玻璃鋼層合板在高速列車車廂中應用非常廣泛，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型環氧樹脂基玻璃鋼層合板阻燃性研究，得到阻燃性能優異的環氧樹脂基玻璃鋼層合板。

1 實驗部分

本實驗選用雙酚A型環氧樹脂E-51作為基體樹脂，耐熱溫度可達200℃或更高；乙二胺作為固化劑，經固化反應使環氧樹脂形成三維網狀結構，短時間內即可凝膠使之固化；鄰苯二甲酸二丁酯作為增塑劑，其對環氧樹脂具有很強溶解力；玻璃纖維布作為增強材料，在經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，使固化產物形狀穩定，增加其張力、剪切、壓力強度，熱膨脹系數等；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。采用預處理法，利用KH560硅烷偶聯劑處理玻璃纖維布。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，硅烷為偶聯劑，無水乙醇做溶劑，三者質量比為2：1：3。取一定量的硅烷偶聯劑與無水乙醇混合，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（質量比），環氧樹脂：乙二胺：二丁酯：滑石粉=100：15：12：30條件下，無水乙醇適量。加入不同質量的Al（OH）3。

樹脂溶液配制，首先將環氧樹脂倒入容器中，依次加入無水乙醇，充分攪拌；鄰苯二甲酸二丁酯，充分攪拌；滑石粉，充分攪拌；氫氧化鋁，充分攪拌；乙二胺，充分攪拌。

采用手糊工藝制備環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構影響

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圖譜均出現饅頭狀寬峰，與環氧樹脂一致。但同時也出現少量雜峰，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以及雜質引起的。

2.2 不同質量比對玻璃鋼層合板斷面結構影響

圖3為Al（OH）3與環氧樹脂不同質量比的斷面SEM圖。

由圖3可以看出，（a）、（b）、（c），Al（OH）3與環氧樹脂基體相容性較好，未出現明顯脫落現象，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，滑石粉也出現部分團聚現象，如（d）、（e）所示。主要由于Al（OH）3的增加導致滑石粉分散基體的空間減小，排斥力增加，出現團聚。

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

環氧樹脂的極限氧指數低，僅為19.8，易燃，嚴重影響了環氧樹脂更廣泛的應用[6]。本實驗研究了環氧樹脂體系中不同阻燃劑Al（OH）3添加量與阻燃性能關系。表1為Al（OH）3添加量與極限氧指數關系。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關系

氧指數高表示材料不易燃燒，氧指數低表示材料容易燃燒，一般認為氧指數小于22屬于易燃材料，氧指數在22-27之間屬可燃材料，氧指數大于27屬難燃材料。從表1中可知，當Al（OH）3與環氧樹脂的質量比為0.2時，此時，環氧樹脂體系中Al（OH）3的含量為11.3wt%，其極限氧指數為24，雖然提高了環氧樹脂阻燃性能，但未達到難燃材料的要求。隨著Al（OH）3與環氧樹脂的質量比逐漸升高，對應的極限氧指數逐漸增大。當Al（OH）3含量為0.6時，環氧樹脂體系中Al（OH）3的含量為27.7wt%，其極限氧指數為26，觀察樣品燃燒時無熔滴滴落，發煙也得到明顯改善。當Al（OH）3與環氧樹脂的質量比為0.8時，環氧樹脂體系中Al（OH）3含量為33.8wt%，環氧樹脂的極限氧指數達到27.5，已達到難燃材料的要求，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可看出環氧樹脂的極限氧指數隨著Al（OH）3的添加量的增加而增大，當Al（OH）3與環氧樹脂的質量比為0.8時達到最好。這是由于環氧樹脂燃燒時，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，可阻止繼續燃燒。在Al（OH）3/環氧樹脂質量比為0-0.8范圍內，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氧樹脂的物理性質。

國內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，化學反應如下：

2α-Al2O3·3H2O→Al2O3+H2O （1）

在240-500℃范圍內測得的數據表明，本反應的吸熱量為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性能影響

本實驗在配比（質量比/g）環氧樹脂：乙二胺：二丁酯：滑石粉=100：15：12：30條件下，加入不同質量氫氧化鋁，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，復合材料的彎曲強度逐漸下降，在Al（OH）3/環氧樹脂為0.8時，達到最低值。且在質量比為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的添加導致無機顆粒在基體中相應的比例增加，Al（OH）3以及滑石粉顆粒團聚導致環氧樹脂基體部分應力集中，彎曲強度下降。綜合考慮Al（OH）3的阻燃特性，Al（OH）3/環氧樹脂質量比在0.6為宜。

5 結束語

采用手糊工藝制備了具有一定阻燃性和較高力學性能的玻璃鋼層合板。以環氧樹脂為基體，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性能，加入Al（OH）3對環氧樹脂進行阻燃改性。

在配比（質量比）環氧樹脂：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，極限氧指數為26，彎曲強度為71.86，既能改善其阻燃性能又兼顧其力學性能。

參考文獻

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