CN101544014B - 一种新型耐高温有机防火隔热材料的制备方法 - Google Patents

一种新型耐高温有机防火隔热材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种新型耐高温有机防火隔热材料的制备方法，具体是：使用有机硅树脂与氧化铝微粉按照质量配比为25～35∶75～65进行混合，加入有机溶剂使其均匀混合，放入110～130℃恒温烘箱并保温3～12小时除去溶剂，再趁热转移到加热模具中，按照阶梯升温模压工艺制度成型，卸压脱模后放入200～250℃恒温烘箱中后处理5～10小时。本发明制备的有机防火隔热材料，具有传统无机和有机防火材料的优点，在室温时呈树脂材料性质具有足够的力学强度，同时在经历高温时转变成陶瓷材料，仍然满足足够的力学强度，受热过程中不变形，外形尺寸稳定。本发明制备工艺简单，可以模压出具有不同外形要求的盖套和保护罩，适于工业化生产。

Description

一种新型耐高温有机防火隔热材料的制备方法
技术领域
本发明涉及用于要求具有外形稳定的耐高温有机防火隔热材料领域，如电线电缆、风管、油管、气管等穿过墙(仓)壁、楼(甲)板时形成的各种开口以及电缆桥架的防火分隔板，电线电缆的防火保护管、防火槽盒盖套，防火插座，防火电路板、接线板等诸多要求具有防火、隔热、轻质、承载、尺寸稳定，可压制成任意形状，并要求具有良好的可精密加工性能的有机防火隔热材料领域。
背景技术
随着城市高楼及设施的建设，各种贯穿物，如电线电缆、风管、油管、气管等越来越多，但这些设施几乎都具有可燃性，当火灾发生时，局部发生着火燃烧，很容易沿着纵向发生延燃，造成火灾面积的扩大化。随着我国经济的快速发展，由电气引起的火灾逐年增多，其中由于电线电缆原因所引发的火灾占很大比例，下面以电线电缆火灾发生的防火为例，讲述该领域的技术背景。
电线电缆在各大中城市配电网中的应用越来越广泛，大量地应用于电网的主干线，具有非常重要的地位。然而电线电缆从绝缘层的油浸电缆纸、交联聚乙烯、乙烯橡皮等材料到油麻、聚氯乙烯外护套材料都是易燃性物质。该类火灾事故的频发，使人们对电线电缆火灾危险性的认识不断加深，对电线电缆防火阻燃等性能的要求也越来越高。电线电缆着火时的燃烧温度可达800～1100℃，具有蔓延快、扑救难、产生二次危害的恢复时间长等特点，会给国民经济及人民群众的生命财产带来巨大损失，很有必要对电线电缆的防火措施进行改进和研究，有效减少电线电缆火灾事故，确保人民生命财产的安全。
对电线电缆火灾的防致工作，主要基于主动防火和被动防火。前者诸如自动报警装置、自动喷淋装置等，可以有效的将火灾遏制在火灾潜伏期；但由于这些自动化系统及控制设备价格较为昂贵，并往往由于性能老化而做出错误的判断，或精度不够而延迟判断，不能达到预想的警示效果。后者往往使用一些阻燃和防火分隔技术，如阻燃电缆、防火电缆、区域防火封堵等。由于阻燃电缆只能暂时延缓火灾发生，又因为常常含有Cl、P等元素，在火灾发生时候散发出有毒气体，造成二次危害；无机防火电缆如20世纪70年代国内外使用的Cu套-MgO-Cu芯电缆，制备成本高昂，运用领域受到限制；区域防火分隔是指使用防火封堵技术，将具有延燃性的贯穿物分隔成小区域，以消除火灾蔓延引起的火灾扩大化。据国标GB50016-2006《建筑设计防火规范》里面明确规定，建筑缝隙和贯穿空洞必须用防材料封堵，而不是以前的不燃材料，更加体现出该被动防火技术材料研制的重要性。
防火封堵技术在电梯竖井、电缆桥架、电线电缆穿墙、建筑缝隙及贯穿空洞等区域的防火效果较明显，其结构示意图由图1所示：该设施一般包括无机堵料1、有机堵料2、电缆3、防火涂料4、防火隔板6和防火填缝胶等；其中防火隔板具有防火、绝热性能和承载能力，又要求具有不燃、耐腐蚀、耐油、轻质、高强、加工和安装简便等特点；编号5为墙壁。由图2和图3所示：电缆槽盒包括槽盒盖7、槽盒底8和位于槽盒内腔的防火堵料9。其中电缆槽盒和防火隔板有着相似的作用，都属于硬质材料且在火灾发生前后都应具有承受一定重量和尺寸稳定的要求。
目前国内外应用较多的防火板大致可以分成有机和无机两大类。其中无机防火板以其优良的耐火性能、高温抗变形性能、防虫蛀、成本低廉等优势，成为该领域的主要产品。如植物纤维水泥复合板、纸面石膏板、石膏刨花板、硅酸钙板、氯氧镁板等，这些无机板材为了降低密度和增大隔热效果，往往制备成多孔材料，使得强度较低，制品较厚，易吸水吸潮等缺点。有机防火板以含Cl、N、P等元素的阻燃板为主，优点是制品较薄，强度较高，装饰效果较好，但耐火温度较低，长时间暴露在火灾环境将逐渐分解释放大量烟雾和毒气，因此该类有机防火板没有成熟的市场需求。怎样获得“不燃烧、发烟小、毒性小”的有机防火板还有待于进一步研究。澳大利亚的Y.B.Cheng曾经致力于有机硅基防火电缆的研制，并于近些年获得成功，其研制的防火电缆特征是在室温为有机态(有机硅)，火灾环境中将转变为耐火的陶瓷达到防火的目的。
有机硅以Si-O-Si为主链，硅原子上连接有机基团的交联型半无机高聚物，由多官能度的有机硅烷经水解缩聚而制成的，在加热或有催化剂存在下可进一步转变成三维结构的不溶不熔的热固性树脂。有机硅树脂与其它热固性硅树脂最大的不同点在于它在高温环境下不会完全降解成诸如CO2和H2O等挥发气体，而是部分转变成无定型SiO2或C-Si-O无定形陶瓷。结合Y.B.Cheng研制有机防火电缆的技术思路，可以考虑使用有机硅树脂制备上述电线电缆防火隔板材料：在低温制备时为有机态，韧性和可加工性较好，可装饰效果优良，并满足足够的力学强度；在火灾环境将转变成耐烧蚀的陶瓷制品，起到隔断热流和火焰的作用。
对国内外专利与文献的查新结果表明：目前还没有使用有机硅树脂与氧化铝微粉复合制备耐高温有机防火隔热材料的研究报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种使用有机硅树脂与氧化铝微粉复合制备耐高温有机防火隔热材料，该材料性能优异，既便于加工，又在受热过程中能够满足防火隔热要求，同时该材料制备工艺简单。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：使用有机硅树脂与氧化铝微粉按照质量配比为25～35∶75～65进行混合，加入有机溶剂使其均匀混合，放入110～130℃恒温烘箱并保温3～12小时除去溶剂，再趁热转移到加热模具中，按照阶梯升温模压工艺制度成型，卸压脱模后放入200～250℃恒温烘箱中后处理5～10小时。
所述的有机硅树脂，它是指可溶解于有机溶剂甲苯或二甲苯中的固体有机硅树脂，或者是指溶剂型有机硅树脂。
所述的有机硅树脂，它是以硅烷醇为活性基团，该活性基团在有机硅树脂中的重量百分比为1～5％，交联程度为58～75％，在加热条件下会继续发生聚合反应而交联固化；并且以苯基和甲基作为支链，分子量大于2000。
所述的质量配比，它是指纯有机硅树脂与氧化铝微粉的质量配比；使用溶剂型有机硅树脂时，应根据固含量换算成纯有机硅树脂再配料。
所述的氧化铝微粉，其颗粒结构为多孔球形聚集体，颗粒内部气孔占整体积的20～35％，颗粒粒径为20～150μm。
本发明在采用模压成型工艺时，所采用的阶梯升温模压工艺制度为：升温至110～130℃保温0.5～1小时，该过程不施加轴向压力；再升温至130～150℃，保温1～2小时，同时施加5～30MPa轴向压力，该压力为成型压力；保持成型压力不变，升温至150～180℃并保温1～2小时，最后再升至180～200℃保温0.5～1小时。
本发明采用的方案有下述的技术特点：
(1)控制有机硅树脂与氧化铝微粉的比例，并在特定的预固化温度和时间内制备预压包覆粉料；(2)控制适当的模压成型工艺制度；(3)增加脱模后的后固化处理阶段。
本发明与现有技术相比，主要有以下显著的优点：
本发明使用有机硅树脂和氧化铝微粉为原料，采用加热模压成型工艺，制备出密度为1.8～2.3g/cm3，弯曲强度达到62.8MPa，耐火温度高于1100℃的有机防火隔热材料。该材料既具有与传统无机防火材料的耐高温、耐腐蚀、耐油、尺寸稳定等优点，也具有与传统有机防火材料的轻质、易加工、易成型、易装饰等优点，在室温时呈树脂材料性质具有足够的力学强度，同时在经历高温时转变成陶瓷材料，仍然满足足够的力学强度，受热过程中不变形、不弯曲、不开裂，整个转变过程中外形尺寸稳定。经测试，该材料在1100℃空气环境热处理后材料剩余的弯曲强度仍可保留50％以上，耐火时间长。
此外，本发明制备工艺简单，可以模压出具有不同外形要求的盖套和保护罩，适于工业化生产。
附图说明
图1是穿墙电缆孔封堵示意图。
图2是电缆槽盒立体图。
图3是图2的剖视图。
图4是具体实例1制备的有机防火材料微观结构。
图5是具体实例1制备的有机防火材料经1100℃空气环境热处理后的微观结构。
图6是具体实例1制备的有机防火材料经1600℃空气环境热处理后的微观结构。
图7是具体实例1制备的有机防火材料随温度的XRD物相变化。
图8是具体实例2制备的有机防火材料微观结构。
图9是具体实例2制备的有机防火材料经1100℃空气环境热处理后的微观结构。
图10是具体实例3制备的有机防火材料微观结构。
图11是具体实例3制备的有机防火材料经1100℃空气环境热处理后的微观结构。
图12是具体实例4制备的有机防火材料微观结构。
图13是具体实例4制备的有机防火材料经1100℃空气环境热处理后的微观结构。
图14是具体实例5制备的有机防火材料微观结构。
图15是具体实例5制备的有机防火材料经1100℃空气环境热处理后的微观结构。
图16是本发明制备工艺流程示意图。
图中：1.无机堵料；2.有机堵料；3.电缆；4.防火涂料；5.墙壁；6.防火隔板；7.槽盒盖；8.槽盒底；9.防火堵料。
具体实施方式
本发明制备工艺流程如图16所示：先将有机硅树脂、氧化铝微粉与有机溶剂均匀混合，得到复合料浆；该料浆放入110～130℃恒温烘箱并保温3～12小时去溶剂后得到包覆粉体，再趁热转移到加热模具中，按照阶梯升温模压工艺制度成型，阶梯升温模压工艺制度为：升温至110～130℃保温0.5～1小时，该过程不施加轴向压力；再升温至130～150℃，保温1～2小时，同时施加5～30MPa轴向压力，该压力为成型压力；保持成型压力不变，升温至150～180℃并保温1～2小时，最后再升至180～200℃保温0.5～1小时，卸压脱模后得到素坯试样，该试样经放入200～250℃恒温烘箱中后处理5～10小时，得到热固性的复合材料，该材料是所述的新型耐高温有机防火隔热材料。
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
具体实例1：
1.将聚甲基有机硅树脂SAR-9(上海树脂厂生产，无色均匀透明液体，溶剂为甲苯，固含量51％，粘度为13～50mPa·s)与氧化铝微粉按照33∶67的质量配比(去溶剂甲苯之后的比例)混合后，放入120℃恒温烘箱中并保温10小时。
2.将该预压包覆粉体趁热放入特定的加热模具中，设定的升温和保压模压工艺制度如下：升温至120℃保温0.5小时，该过程不施加轴向压力；再升温至150℃，保温1.5小时，同时施加25MPa轴向压力，该压力为成型压力；保持成型压力不变，升温至180℃并保温1小时，最后再升至200℃保温0.5小时。
3.卸压脱模后，将模压材料放入210℃恒温烘箱后处理10小时得到有机防火隔热材料。
测试该有机防火隔热材料的密度为2.02g/cm3，弯曲强度测试62.8MPa，微观结构如图4所示。在1100℃高温空气环境2小时热处理后无弯曲、变形和宏观裂纹出现，线收缩率为1.5％，弯曲强度为31.6MPa，微观结构如图5所示。在1600℃高温空气环境2小时热处理后无弯曲，变形和宏观裂纹，线收缩率为7.5％，弯曲强度为78.3MPa，微观结构如图6所示。该有机防火隔热材料随温度变化的物相变化如图7所示，可以看出随着温度增加Al2O3与有机硅树脂氧化产物SiO2逐渐反应生成耐火能力和抗高温蠕变能力较好的莫来石相。
具体实例2：
1.将有机硅树脂(美国道康宁公司硅树脂SR249)与氧化铝微粉按照26∶74的质量配比后，加入适量甲苯使二者均匀混合后，放入120℃恒温烘箱中并保温5小时。
2.将该预压包覆粉体趁热放入特定的加热模具中，设定的升温和保压模压工艺制度如下：升温至120℃保温0.5小时，该过程不施加轴向压力；再升温至150℃，保温1.5小时，同时施加30MPa轴向压力，该压力为成型压力；保持成型压力不变，升温至180℃并保温1小时，最后再升至200℃保温0.5小时。
3.卸压脱模后，将模压材料放入250℃恒温烘箱后处理6小时得到有机防火隔热材料。
测试该有机防火隔热材料的密度为2.19g/cm3，弯曲强度测试48.3MPa，微观结构如图8所示。在1100℃高温空气环境2小时热处理后无弯曲、变形和宏观裂纹出现，线收缩率为2.1％，弯曲强度为26.4MPa，微观结构如图9所示。该有机防火隔热材料随温度变化的物相与具体实例(1)呈现出类似的变化规律。
具体实例3：
1.将聚甲基有机硅树脂SAR-9(上海树脂厂生产，无色均匀透明液体，溶剂为甲苯，固含量51％，粘度为13～50mPa·s)与氧化铝微粉按照35∶65的质量配比(去溶剂甲苯之后的比例)混合后，放入120℃恒温烘箱中并保温10小时。
2.将该预压包覆粉体趁热放入特定的加热模具中，设定的升温和保压模压工艺制度如下：升温至120℃保温0.5小时，该过程不施加轴向压力；再升温至150℃，保温1.5小时，同时施加25MPa轴向压力，该压力为成型压力；保持成型压力不变，升温至180℃并保温1小时，最后再升至200℃保温0.5小时。
3.卸压脱模后，将模压材料放入210℃恒温烘箱后处理10小时得到有机防火隔热材料。
测试该有机防火隔热材料的密度为1.92g/cm3，弯曲强度测试58.6MPa，微观结构如图10所示。在1100℃高温空气环境2小时热处理后无弯曲、变形和宏观裂纹出现，线收缩率为0.9％，弯曲强度为22.5MPa，微观结构如图11所示。该有机防火隔热材料随温度变化的物相变化与具体实例1呈现出类似的变化规律，表现为随着温度升高，有反应过剩的氧化硅峰和生成的莫来石峰出现。
具体实例4：
1.将聚甲基有机硅树脂SAR-9(上海树脂厂生产，无色均匀透明液体，溶剂为甲苯，固含量51％，粘度为13～50mPa·s)与氧化铝按照25∶75的质量配比(去溶剂甲苯之后的比例)混合后，放入120℃恒温烘箱中并保温10小时。
2.将该预压包覆粉体趁热放入特定的加热模具中，设定的升温和保压模压工艺制度如下：升温至120℃保温0.5小时，该过程不施加轴向压力；再升温至150℃，保温1.5小时，同时施加25MPa轴向压力，该压力为成型压力；保持成型压力不变，升温至180℃并保温1小时，最后再升至200℃保温0.5小时。
3.卸压脱模后，将模压材料放入210℃恒温烘箱后处理10小时得到有机防火隔热材料。
测试该有机防火隔热材料的密度为2.11g/cm3，弯曲强度测试38.7MPa，微观结构如图12所示。在1100℃高温空气环境2小时热处理后无弯曲、变形和宏观裂纹出现，线收缩率为2.5％，弯曲强度为29.6MPa，微观结构如图13所示。该有机防火隔热材料随温度变化的物相变化与具体实例1呈现出类似的变化规律，表现为随着温度升高，有反应过剩的氧化铝峰和生成的莫来石峰出现。
具体实例5：
1.将聚甲基有机硅树脂SAR-9(上海树脂厂生产，无色均匀透明液体，溶剂为甲苯，固含量51％，粘度为13～50mPa·s)与氧化铝微粉按照33∶67的质量配比(去溶剂甲苯之后的比例)混合后，放入120℃恒温烘箱中并保温10小时。
2.将该预压包覆粉体趁热放入特定的加热模具中，设定的升温和保压模压工艺制度如下：升温至120℃保温0.5小时，该过程不施加轴向压力；再升温至150℃，保温1.5小时，同时施加5MPa轴向压力，该压力为成型压力；保持成型压力不变，升温至180℃并保温1小时，最后再升至200℃保温0.5小时。
3.卸压脱模后，将模压材料放入210℃恒温烘箱后处理10小时得到有机防火隔热材料。
测试该有机防火隔热材料的密度为1.94g/cm3，弯曲强度测试55.3MPa，微观结构如图14所示。在1100℃高温空气环境2小时热处理后无弯曲、变形和宏观裂纹出现，线收缩率为1.1％，弯曲强度为28.4MPa，微观结构如图15所示。该有机防火隔热材料随温度变化的物相变化与具体实例1呈现出相同的变化规律。
具体实例6：
1.将聚甲基有机硅树脂SAR-9(上海树脂厂生产，无色均匀透明液体，溶剂为甲苯，固含量51％，粘度为13～50mPa·s)与氧化铝微粉按照33∶67的质量配比(去溶剂甲苯之后的比例)混合后，放入130℃恒温烘箱中并保温5小时。
2.将该预压包覆粉体趁热放入特定的加热模具中，设定的升温和保压模压工艺制度如下：升温至130℃保温0.5小时，该过程不施加轴向压力；再升温至160℃，保温1.5小时，同时施加25MPa轴向压力，该压力为成型压力；保持成型压力不变，升温至180℃并保温1小时，最后再升至200℃保温0.5小时。
3.卸压脱模后，将模压材料放入210℃恒温烘箱后处理10小时得到有机防火隔热材料。
测试该有机防火隔热材料的密度为1.95g/cm3，弯曲强度测试57.2MPa，在1100℃高温空气环境2小时热处理后无弯曲、变形和宏观裂纹出现，线收缩率为1.2％，弯曲强度为28.9MPa，在1600℃高温空气环境2小时热处理后无弯曲，变形和宏观裂纹，线收缩率为6.6％，弯曲强度为78.0MPa。该有机防火隔热材料随温度变化的物相变化如图7所示，可以看出随着温度增加Al2O3与有机硅树脂氧化产物SiO2逐渐反应生成耐火能力和抗高温蠕变能力较好的莫来石相。
具体实例7：
1.将聚甲基有机硅树脂SAR-9(上海树脂厂生产，无色均匀透明液体，溶剂为甲苯，固含量51％，粘度为13～50mPa·s)与氧化铝微粉按照25∶75的质量配比(去溶剂甲苯之后的比例)混合后，放入130℃恒温烘箱中并保温5小时。
2.将该预压包覆粉体趁热放入特定的加热模具中，设定的升温和保压模压工艺制度如下：升温至130℃保温0.5小时，该过程不施加轴向压力；再升温至160℃，保温1.5小时，同时施加25MPa轴向压力，该压力为成型压力；保持成型压力不变，升温至180℃并保温1小时，最后再升至200℃保温0.5小时。
3.卸压脱模后，将模压材料放入210℃恒温烘箱后处理10小时得到有机防火隔热材料。
测试该有机防火隔热材料的密度为2.09g/cm3，弯曲强度测试36.2MPa，在1100℃高温空气环境2小时热处理后无弯曲、变形和宏观裂纹出现，线收缩率为2.3％，弯曲强度为23.4MPa。该有机防火隔热材料随温度变化的物相变化与具体实例1呈现出类似的变化规律，表现为随着温度升高，有反应过剩的氧化铝峰和生成的莫来石峰出现。
具体实例8：
1.将有机硅树脂(美国道康宁公司硅树脂SR249)与氧化铝微粉按照33∶67的质量配比后，加入适量甲苯使二者均匀混合后，放入120℃恒温烘箱中并保温10小时。
2.将该预压包覆粉体趁热放入特定的加热模具中，设定的升温和保压模压工艺制度如下：升温至120℃保温0.5小时，该过程不施加轴向压力；再升温至150℃，保温1.5小时，同时施加30MPa轴向压力，该压力为成型压力；保持成型压力不变，升温至180℃并保温1小时，最后再升至200℃保温0.5小时。
3.卸压脱模后，将模压材料放入210℃恒温烘箱后处理10小时得到有机防火隔热材料。
测试该有机防火隔热材料的密度为2.12g/cm3，弯曲强度测试47.3MPa，在1100℃高温空气环境2小时热处理后无弯曲、变形和宏观裂纹出现，线收缩率为1.2％，弯曲强度为21.4MPa。

Claims (6)

1.一种新型耐高温有机防火隔热材料的制备方法，其特征是使用有机硅树脂与氧化铝微粉按照质量配比为25～35∶75～65进行混合，加入有机溶剂使其均匀混合，放入110～130℃恒温烘箱并保温3～12小时除去溶剂，再趁热转移到加热模具中，按照阶梯升温模压工艺制度成型，卸压脱模后放入200～250℃恒温烘箱中后处理5～10小时；
所采用的阶梯升温模压工艺制度为：升温至110～130℃保温0.5～1小时，该过程不施加轴向压力；再升温至130～150℃，保温1～2小时，同时施加5～30MPa轴向压力，该压力为成型压力；保持成型压力不变，升温至150～180℃并保温1～2小时，最后再升至180～200℃保温0.5～1小时。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的有机硅树脂，它是指可溶解于有机溶剂甲苯或二甲苯中的固体有机硅树脂，或者是指溶剂型有机硅树脂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的有机硅树脂，它是以硅烷醇为活性基团，该活性基团在有机硅树脂中的重量百分比为1～5％，交联程度为58～75％，在加热条件下会继续发生聚合反应而交联固化；并且以苯基和甲基作为支链，分子量大于2000。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：使用溶剂型有机硅树脂时，应根据固含量换算成纯有机硅树脂再配料。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的质量配比，它是指纯有机硅树脂与氧化铝微粉的质量配比。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的氧化铝微粉，其颗粒结构为多孔球形聚集体，颗粒内部气孔占整体积的20～35％，颗粒粒径为20～150μm。
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