化工管道粘接材料在安全工程中的應用

蔡余稅

摘要：聚氨酯泡沫塑料是一種良好的保溫材料，在化工管道建設中應用較多，但其存在易燃的問題。膨脹石墨是一種環保的資源型阻燃劑，研究嘗試在聚氨酯泡沫塑料中添加一定含量的膨脹石墨，驗證其對材料各項性能的改善效果。通過實驗表明，膨脹石墨的添加會對聚氨酯泡沫塑料的力學性能和燃燒參數等指標產生一定的影響。在添加40%膨脹石墨之后，材料的壓縮性能經檢驗表現出明顯的變化，壓縮強度與壓縮模量可以達到較為理想的水平。在所添加膨脹石墨達到40份之后，復合材料的極限氧指數達到27.1，達到難燃級別，材料的整體阻燃性能得到明顯的改善。

關鍵詞：化工管道；聚氨酯泡沫粘接材料；膨脹石墨；安全工程

中圖分類號：TQ328.3文獻標志碼：A文章編號：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種綜合性能十分優異的材料，在化工領域的應用十分廣泛，在各種化工管道的建設過程中，經常會選擇使用此種材料。但此種材料也存在阻燃性能不佳等不足之處，影響到其應用的實際效果以及應用的安全性[1]。在化工安全工程中，如何提高此種材料的安全性能，也成為人們廣泛關注的重要課題。

聚氨酯泡沫塑料的制作過程中，所用到的原材料主要是多異氰酸酯以及多元醇。以上述材料為原料，加入適當的助劑，使得反應產物中生成大量的泡沫，從而得到聚氨酯泡沫塑料產品[2-3]。聚氨酯泡沫塑料具有多種性能，應用范圍十分廣泛，但是，該材料也存在一定的不足之處，一定程度上限制了其實際應用[4]。為提高此類材料的性能以及應用安全性，可以綜合應用一定的膨脹型阻燃劑。膨脹型阻燃劑的類型種類多樣，其中較為常見的是膨脹石墨。膨脹石墨具有較高比表面積，孔隙結構分布合理[5-6]。耐受高溫，導電、導熱性能良好，化學性能穩定、耐酸堿腐蝕，主要應用于電容器、石墨烯前驅體、相變儲能、納米導電復合材料、防腐涂料、塑料、橡膠等方面具有較大的應用前景。為了改善聚氨酯泡沫塑料的綜合性能，提高其應用效果，研究嘗試在聚氨酯泡沫塑料中添加一定含量的膨脹石墨，并通過試驗分析，驗證其對材料各項性能的改善效果。

1 實驗材料與方法

1.1實驗材料

此次實驗中使用的材料其來源情況如下。（1）胺類復合催化劑，實驗室自配；（2）膨脹石墨，青島巖海碳材料有限公司提供；（3）聚醚多元醇，山東旭晨化工科技有限公司提供；（4）多亞甲基多苯基多異氰酸酯，菏澤西冷化工有限公司提供；（5）濃鹽酸，山東維進化工科技有限公司提供；（6）泡沫穩定劑，山東藍泰建筑新技術應用有限公司提供；（7）環戊烷，武漢卡諾斯科技有限公司提供。

1.2 實驗儀器與設備

此次實驗中使用的儀器、設備：萬能材料試驗機，蘇州精渺精密科技有限公司提供；錐形量熱儀，江蘇費爾曼安全科技有限公司提供；極限氧指數測定儀，北京智德創新儀器設備有限公司提供；真空烘干箱，濟南美特斯測試技術有限公司提供；高速離心機，揚州德瑞儀器設備有限公司提供。

1.3 膨脹石墨預處理

取適量膨脹石墨，于30℃環境溫度下，將其全部浸泡在濃鹽酸中。對液體進行加溫處理，待溫度達到50℃后停止。對整個體系進行超聲分散處理，時間為6 h。處理完畢后，置于室溫條件下自然降溫，待整個體系逐漸下降為室溫狀態之后，置于高速離心機中實施離心處理。離心結束將膨脹石墨去除，放置在真空烘干箱中實施干燥，干燥過程中將溫度設置為80℃。觀察干燥效果，待膨脹石墨達到恒重之后停止干燥處理，并將預處理完畢的膨脹石墨妥善保存備用。

1.4 聚氨酯膨脹石墨復合材料配方及其制備

制備聚氨酯膨脹石墨復合材料，在上述預處理膨脹石墨基礎上，聯合使用胺類催化劑、多亞甲基多苯基多異氰酸酯等材料，具體配方情況如表1所示。

聚氨酯膨脹石墨復合材料制備方法。參照上述配方的內容，對胺類催化劑、膨脹石墨等相關的物質進行混合，充分混合均勻之后，加入適量的多亞甲基多苯基多異氰酸酯。將所獲得的復合材料置于模具，對其實施攪拌，保持較快的攪拌速度，攪拌時間為數秒。攪拌結束后，對模具進行妥善密封，并置于溫度100℃條件下給予固化處理，固化處理時間為4h。

1.5 觀察指標

1.5.1 壓縮強度與壓縮模量

制備力學試驗樣品。樣品大小為50 mm×50 mm×50 mm，參照國標GB/T 8813—2008，使用萬能材料試驗機對所得試驗材料樣品的壓縮性能進行測試分析，觀察指標包括壓縮強度與壓縮模量。

1.5.2 極限氧指數

制備阻燃性能檢測樣品。最終制備的樣品大小為120 mm×6 mm×3 mm，參照GB/T 2406.2—2009規定的標準進行測試，每個樣品在一定的氧氣濃度下測試5次。

1.5.3 燃燒特性

檢測所制備復合材料的燃燒特性，檢測過程中使用的儀器為錐形量熱儀。檢測過程中，將應用錐形電加熱器，對材料樣品進行熱輻射。通過對相關數值的分析，得出具體的參數，進而評估材料的燃燒特性。具體的相關的參數主要包括材料的點燃時間、總熱釋放量等。

2 結果與分析

2.1 復合聚氨酯泡沫塑料的壓縮模量與壓縮強度統計

聚氨酯泡沫塑料在實際應用過程中，材料往往需要承受一定的載荷壓力。這一情況下，也對材料的壓縮性能提出了較高的要求。在研究中，通過制備材料樣品并開展力學試驗，檢測了添加不同含量膨脹石墨的情況下，相應的聚氨酯泡沫塑料的力學特性，具體結果如表2所示。

由表2可知，不同含量膨脹石墨的添加會對聚氨酯泡沫塑料的力學性能產生十分明顯的影響，導致其壓縮強度和壓縮模量發生一定的改變。聚氨酯泡沫塑料泡沫體具備一定的泡孔結構，此種結構與材料所具備的力學性能之間存在著十分密切的聯系[7]。如果相應的泡孔結構呈現出較為細密、均勻的狀態，則聚氨酯泡沫塑料便具備較為理想的力學性能。統計結果顯示，與未添加膨脹石墨的情況相比較，在聚氨酯泡沫塑料中加入一定含量的膨脹石墨之后，材料的壓縮性能相關指標會發生明顯的改變。同時，在添加不同含量膨脹石墨的情況下，材料的壓縮強度以及壓縮模量數值大小也存在一定的差異。在加入10%含量的膨脹石墨之后，材料的壓縮模量呈現出下降的情況，壓縮強度也隨之降低。在添加20%和30%含量的膨脹石墨之后，材料的壓縮模量開始逐漸上升，壓縮強度也隨之提高，但與未添加膨脹石墨的情況相比較，均呈現出相對較低的狀態。分析出現這一結果的原因，可能是因為膨脹石墨的添加會破壞聚氨酯泡沫塑料結構原本的完整性。于是，材料的力學性能也受到相應的影響，導致壓縮強度以及壓縮模量均下降。研究結果還顯示，在添加40%膨脹石墨之后，材料的壓縮性能經檢驗表現出明顯的變化，其中，壓縮模量顯著增加，不但高于10%、20%、30%添加量的檢測結果，也高于未添加膨脹石墨情況下的檢測結果。在壓縮強度方面，也表現出相同的情況。分析其中的原因，可能是因此在此條件下，所添加的膨脹石墨能夠發揮出良好的增強效果，促進沫塑料力學強度的增加，進而改善其壓縮性能。通過研究還觀察到，在添加40%膨脹石墨之后，材料的壓縮性能經檢驗表現出明顯的變化，壓縮強度與壓縮模量均高于其他情況，可以達到較為理想的水平。這一結果表明，聚氨酯泡沫塑料力學性能相對較好。通過在聚氨酯泡沫塑料中添加不同量的膨脹石墨，會對其壓縮模量和壓縮強度產生影響。在添加40%膨脹石墨情況下，可以獲得最為理想的效果。

2.2 復合聚氨酯泡沫塑料的極限氧指數統計

在化工安全工程中選用管道材料時，對相應材料的阻燃性能有著很高的要求。在評估、分析不同材料阻燃特性的時候，極限氧指數是一個重要的指標[7]。極限氧指數指的是支持纖維燃燒的最低氧氣含量。在對不同材料的這一數值大小進行測評的時候，可以制備一定的材料樣品，置于氮氧的混合氣體中進行燃燒試驗，觀察試驗結果得出該材料所對應的極限氧指數數值大小[8-9]。極限氧指數的大小可以直接反映出不同材料的阻燃水平，該指標數值越低，對應的材料阻燃性能便越低。參照一定的標準，可以對具備不同極限氧指數的材料進行阻燃水平分類，將其分為難燃材料和易燃材料。其中，如果檢測所得材料極限氧指數的數值大小在22%～27%，則認為這一類型的材料屬于可燃材料。如果材料的極限氧指數小于22%，則選擇將相應的材料納入易燃材料的范圍。如果合一數值高于27%，則視為難燃材料[10-11]。在化工領域，涉及到多種危險性較高的物質。對于相關的管道材料，也有著很高的需求。為了滿足化工安全工程的現實需求，還需要盡可能的改善聚氨酯泡沫塑料的特性，提高其阻燃水平。

但是，聚氨酯泡沫塑料的極限氧指數在18%左右，參照上述標準屬于易燃材料。因此聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能不夠理想。為提高其阻燃效果，改善其阻燃性能，研究選擇在其中添加適量的膨脹石墨。膨脹石墨具有導熱系數高等多種不同的優良性質，而且還具有許多特有的優良性能。另外，膨脹石墨還具備十分理想的相容性，這一特性也為膨脹石墨與多種不同材料之間的混合應用提供了可能[12-13]。立足這一基礎，為了滿足化工領域現實情況的需求，可以選擇在聚氨酯泡沫塑料中添加一定含量的膨脹石墨。通過不同材料的相互混合應用，獲得具有更為理想綜合性能的復合材料。通過在聚氨酯泡沫塑料中添加不同含量的膨脹石墨，在復合材料發生燃燒的過程中，膨脹石墨在受到一定熱力影響的情況下會發生膨脹。同時，也可以在聚氨酯泡沫塑料材料的表面形成一層致密的隔氧層。通過這一方式，可以有效改善材料的綜合性能，促進其阻燃性能的提升。

不同膨脹石墨含量下聚氨酯泡沫塑料的極限氧指數統計如表3所示。

由表3可知，在未添加膨脹石墨的情況下，聚氨酯泡沫塑料的極限氧指數為18.1，處于相對較低的水平。在此情況下，參照上文的標準可以發現，材料參與可燃材料的范圍，相應的阻燃性能不夠理想。如果經其應用于化工管道之中，充當保溫層，則在一定的情況下極易發生燃燒；同時，還容易導致延燃問題的出現，進而嚴重影響到化工生產的安全水平。為了改善這一情況，提高聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能，可以添加一定的膨脹石墨。結合表3中的數據進行分析，通過添加一定量的膨脹石墨，對聚氨酯泡沫塑料的極限氧指數產生了不同的影響，進而影響到其所具備的阻燃性能。同時，結合具體的數據結果來看，隨著膨脹石墨添加量的不斷增加，相應的復合材料所具備的極限氧指數也呈現出不斷上升的變化趨勢。其中，在添加10份膨脹石墨的時候，負荷材料的極限氧指數可以達到20.3。但參照相關標準，在這一狀況下，復合材料的阻燃性能雖然得到了一定的改善，但依然屬于可燃材料的范圍。在添加20、30份膨脹石墨后，所得到的復合材料的極限氧指數分別為21.7和23.7，與未添加膨脹石墨狀況下比較，極限氧指數均得到明顯的提升，阻燃性能得到了有效的改善。但在上述狀態下，相應的復合材料仍然屬于可燃材料的范疇。在所添加膨脹石墨達到40份之后，檢測結果顯示，復合材料的極限氧指數達到27.1。這一情況，復合材料屬于難燃材料。結果表明，所獲得的復合材料具備較為理想的極限氧指數。分析相關的原因，這是因為通過添加一定的膨脹石墨，其在受熱膨脹之后在聚氨酯泡沫塑料的表面形成一定的隔氧層，從而提高材料的極限氧指數，改善其阻燃性能[14-15]。而所添加的膨脹石墨含量越高，受熱膨脹所形成的隔氧層就越為致密，相應的極限氧指數便相對較高，阻燃性能也相對較好。

2.3 復合聚氨酯泡沫塑料的燃燒特性檢測結果

為了確保化工管道的安全性，在選擇化工管道材料的時候，相應的材料應當具備良好的燃燒特性。不同膨脹石墨含量下聚氨酯泡沫塑料的燃燒特性檢測結果如表4所示。

由表4可知，在總熱釋放量方面，在添加膨脹石墨后，聚氨酯泡沫塑料的累積總熱釋放量會呈現出一定的變化，當膨脹石墨添加到15 phr時，總熱釋放量值最低。在點燃時間方面，通過觀察發現，添加膨脹石墨的阻燃聚氨酯泡沫塑料點燃時間數值變大，說明阻燃性能得到改善。這表明膨脹石墨的加入使得聚氨酯泡沫塑料的點燃時間延長，阻燃性能變好。分析相關原因，可能是因為聚氨酯泡沫塑料屬于樹脂材料，具有一定的泡孔結構，會導致材料表面積的增加。在添加一定的膨脹石墨之后，膨脹石墨可以發揮出阻燃作用[16]。在反應的初期階段，可以有效吸收熱量，進而達到延緩聚氨酯泡沫塑料燃燒的效果。熱釋放速率是火災中燃燒危險性的重要評價指標，也是評估不同材料燃燒特性的指標之一[17]。通過表4中數據還可觀察到，在材料的燃燒過程中，熱釋放速率越大，對應的單位時間內釋放的熱量便越多。這一結果表明，膨脹石墨的添加會影響到聚氨酯泡沫塑料材料的熱釋放速率。膨脹石墨添加量越大，對應材料的熱釋放速率便越小。膨脹石墨的添加可以發揮出改善泡沫塑料燃燒特性的效果[18]。通過燃燒特性檢測還發現，隨著膨脹石墨添加量的不斷增加，材料的總煙釋放量會呈現出不斷下降的變化趨勢。這表明，膨脹石墨的加入對聚氨酯泡沫塑料有顯著的抑煙作用。

3 結語

聚氨酯泡沫塑料具有多種良好的性能，在化工領域的應用較多。但其阻燃性能不夠理想，在應用于化工安全工程之中的時候，研究嘗試在聚氨酯泡沫塑料中添加一定含量的膨脹石墨，驗證其對材料各項性能的改善效果。通過實驗表明，膨脹石墨的添加會對聚氨酯泡沫塑料的力學性能和燃燒參數等指標產生一定的影響。在添加40%膨脹石墨之后，材料的壓縮性能經檢驗表現出明顯的變化，壓縮強度與壓縮模量可以達到較為理想的水平。在所添加膨脹石墨達到40份之后，復合材料的極限氧指數達到27.1，達到難燃級別，對應的材料在極限氧指數與阻燃性能、力學性能等方面處于相對較好的狀態，材料的整體阻燃性能得到明顯的改善。

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