无卤阻燃性环氧树脂在轨道交通的应用前景

戚磊

【摘 要】简述了轨道交通轻量化复合材料用的常用树脂阻燃要求，比较酚醛树脂玻纤预浸料与无卤环氧树脂玻纤预浸料的氧指数、燃烧级别、甲醛释放量和产烟率等阻燃性能，对比分析对应三明治板的理化性能。无卤环氧树脂在轨道交通的复合材料零部件上使用具有广阔的前景。

【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.

【关键词】环氧树脂；轨道交通；无卤；阻燃

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

【中图分类号】TL284 【文献标志码】B 【文章编号】1673-1069（2017）04-0191-03

1 引言

目前，轨道交通大致可分为动车组、有轨电车、地铁和轻轨等。而动车组是我国最主要的长途出行的交通方式之一，有轨电车、地铁和轻轨则是我国大城市市内交通的主要方式[1]。

车辆结构的轻量化是现代车辆制造技术的方向，同时轨道交通的制造技术也朝着舒适，安全，低自重的方向快速发展。相比金属材料而言，采用FRP （Fiber Reinforced Plastic）复合材料制造轨道交通的材料，具有轻质高强，工艺简单，成本低廉，设计自由度大，耐酸碱腐蚀，抗冲击性能好的特点。目前，用于制造列车车头，车体，车厢内装饰，卫生设施及部分轨线设施，为轨道交通领域的轻量化提供了可行性材料选择方案[2-4]。

轨道交通常用的普通热固性树脂主要有不饱和聚酯树脂、酚醛树脂和环氧树脂三大常见树脂。表1列出了常见的三大热固性树脂的特点[5，9，10]。表2比较了常见的三大热固性树脂的性能[5]。轨道交通用的树脂体系不同于普通的热固性树脂体系，它具有一定的阻燃要求。最初的阻燃型树脂主要原理是难燃或者不燃。但是实际发现，在绝大多数的火灾事故中，大多数死者均是被毒烟熏至窒息昏迷而死。后来阻燃的指标增加了低烟和低毒的部分， 因此制定了烟、火、毒等保护措施和条款来界定热固性复合材料作为轨道交通使用材料的安全系数，阻燃剂的方向也被定位成无卤、微细化、低烟、低毒和多功能[1，6]。

由表1我们不难发现，普通的不饱和聚酯树脂应用在轨道交通上最致命的缺点是易燃，且燃烧时会放出危险性的气体和毒烟。因此最初的阻燃树脂是在纯树脂的单体结构上，添加或者接入的方式引入卤素元素， 并配以三氧化二锑Sb2O3补充阻燃剂构成的。尽管这是一个非常有效的阻燃系统， 但是卤素系统在着火时会产生大量又浓又黑的烟， 使人昏迷和阻碍逃生[1]。早在1986年瑞士和德国就已经报道了含溴阻燃剂在火灾燃烧时会使人员中毒，并且会有有毒气体对大气环境的污染，对环境造成危害。关于其他卤系阻燃体系对环境的危害性也陆续有所报到。现今环境保护迫在眉睫，对无卤阻燃体系的呼声也越来越高[7]。

无卤阻燃的环氧树脂体系在燃烧过程中，不会分解释放出有毒的卤化氢或有机卤化物，从而使产烟量大大降低，烟气毒性也随之降低。因此，无卤阻燃环氧树脂复合材料在火灾现场可降低、阻止火灾的发生和蔓延，降低火灾发生对能源的浪费、资源的损害以及生态环境的破坏，对减少火灾中人员伤亡和财产损失具有非常重要的实际意义，为消防工程的建设提供了切实可行的有效手段[8]，为轨道交通的安全性提供了确实有效的保障，更具有广阔的市场前景。

2 实验部分

2.1 实验原料

BAC 100改性阻燃酚醛树脂，BAC 130无卤阻燃型环氧树脂，BAC 400改性阻燃酚醛树脂-玻纤预浸料，BAC 430无卤阻燃型环氧树脂-玻纤预浸料，以上材料均为浙江百合航太复合材料有限公司制造产品。

2.2 實验方法

燃烧等级和氧指数测试按照TB/T 3237-2010标准进行；甲醛释放量按照TB/T 3139-2006标准进行；产烟率测试按照CA/T505-2004标准进行；三明治板的剥离强度按照ASTM D1781-98（2012）标准进行。

3 分析与讨论

3.1各种阻燃型能的测定结果

极限氧指数（LOI）是试样在氮氧混合气体等规定的条件下，维持平衡燃烧所需的最低氧浓度（体积百分比浓度）。聚合物材料的氧指数与其燃烧时的成炭率，燃烧焓及元素组成等因素有关。材料的产烟率是反应材料热分解或燃烧进行程度的参数。毒性气体的测试则是在动车组用内装材料阻燃技术条件中最为关键的一环，极大地影响在火灾发生救援行动的快慢程度。

一般认为氧指数<22属于易燃材料，氧指数在22-27之间属可燃材料，氧指数>27属难燃材料。而用于轨道交通的阻燃技术条件指标中，氧指数应大于等于32。由表3数据中的氧指数测定结果可知，酚醛树脂-玻纤预浸料BAC 400的氧指数测定值为40，无卤环氧树脂-玻纤预浸料BAC 430的氧指数测定值为36。很明显，虽然BAC 430的氧指数比BAC400的氧指数低，说明BAC430的阻燃性不如BAC 400的阻燃性，但都属于难燃材料，且均满足动车组内装材料阻燃性的标准。

垂直燃烧的燃烧结果表明，BAC 430和BAC 400的燃烧级别均为A级，说明这两种树脂都具有很好的阻燃效果，也就是表明无卤环氧树脂-玻纤预浸料同样也能达到阻燃的要求指标。

产烟率的测定结果可知，BAC 430的产烟率是70%，而BAC 400的产烟率是78%。这表明BAC 430的抑烟效果比BAC 400的抑烟效果好，也就是表明无卤环氧树脂-玻纤预浸料的产烟率少，阻燃性更好。

甲醛释放量的测试结果：酚醛树脂体系BAC400的甲醛釋放量1.0mg/L，而无卤环氧树脂体系BAC430的甲醛释放量未检测出来，说明至少小于0.2mg/L，实际上所使用的环氧树脂体系中完全不含甲醛。 测试结构表明酚醛树脂体系虽然满足阻燃性的指标，但甲醛释放量较大，而无卤环氧树脂体系的甲醛释放量几乎没有，显然更加安全环保。

3.2 三明治板的剥离强度测试结果

分别将BAC 430和BAC 400预浸料做成面板，与芳纶纸蜂窝芯材复合成为三明治板。从接触面进行单位宽度剥离时所需要的最大力，就是剥离强度，以表征树脂基体与增强体材料的粘接性的强弱。由图1可知BAC 430的三明治板的剥离强度为20.8N，而BAC 400的三明治板的剥离强度为12N。说明无卤环氧树脂的粘接强度可以远远地大于酚醛树脂的粘接强度。

4 结论

通过对BAC 430无卤环氧树脂-玻纤预浸料与BAC 400酚醛树脂-玻纤预浸料的体系的氧指数、燃烧级别、甲醛释放量、产烟率以及对应的三明治板的剥离强度的测试，可得到如下结论：

①无卤环氧树脂-玻纤预浸料的氧指数虽然低于酚醛树脂-玻纤预浸料，但仍能满足轨道交通A级阻燃标准；

②无卤环氧树脂-玻纤预浸料可以达到比酚醛树脂-玻纤预浸料还要低的产烟率；

③无卤环氧树脂-玻纤预浸料有比酚醛树脂体系低得多的甲醛释放量，更加无害和环保；

④无卤环氧树脂-玻纤预浸料所制得的三明治板具有比酚醛树脂-玻纤预浸料三明治板更高的剥离强度；

⑤酚醛树脂玻纤预浸料和环氧树脂玻纤预浸料的阻燃性能都能满足轨道交通对阻燃性的要求，但在这个前提上，无卤环氧树脂体系的毒性释放量更少，且在力学上的粘接强度更好，不仅环保而且有利于复合材料的阻燃性，因此，无卤环氧树脂更值得重视，拥有更广阔的应用前景。

【参考文献】

【1】钟国阳. 热固性阻燃树脂在轨道交通中的应用[J]. 玻璃钢/复合材料，2003（05）：55-57.

【2】刘晓波，杨颖. 碳纤维增强复合材料在轨道车辆中的应用[J]. 电力机车与城轨车辆，2015，38（04）：72-75.

【3】刘晓波，杨颖. 轻量化高性能碳纤维复合材料车体研发关键技术[J]. 合成纤维，2013，42（10）：66-68.

【4】高国强，昝海漪. 复合材料在轨道交通车辆上的应用[C]. 第十八届玻璃钢/复合材料学术年会论文集，2010.

【5】黄发荣，万里强，等. 酚醛树脂及其应用[M].北京：化学工业出版社，2011.

【6】郑岩. 阻燃剂协同复配对热固性酚醛树脂阻燃性能的影响[J]. 材料科学与工程学报，2012，30（3）：66-67.

【7】赵瑾朝，余冬. 无卤阻燃改性酚醛树脂的研究进展[J]. 热固性树脂，2006，21（4）：35-37.

【8】李爱英，常杰云，等. 无卤阻燃环氧树脂复合材料的研究进展[J]. 现代塑料加工应用，2016，28（3）：89-91.

【9】李娟，刘青，等. 阻燃环氧树脂研究进展[J]. 合成树脂及塑料，2016，33（6）：76.

【10】郑岩，王树慧. 阻燃剂对热固性酚醛树脂阻燃性能影响的研究[J]. 热固性树脂，2010，27（1）：75-79.