化工管道材料性能研究及在安全工程中的應用

所屬分類：建筑論文閱讀次時間：2019-09-12 11:39

本文摘要：摘要:制備了一系列不同膨脹石墨含量的聚氨酯泡沫塑料，并對阻燃性能、力學性能和保溫性能進行了研究。膨脹石墨含量不同，相應聚氨酯泡沫塑料各方面性能均產生不同的變化。當膨脹石墨的含量為40份時，材料的綜合性能最優，氧指數為27.0，壓縮強度和壓縮模量分

　　摘要:制備了一系列不同膨脹石墨含量的聚氨酯泡沫塑料，并對阻燃性能、力學性能和保溫性能進行了研究。膨脹石墨含量不同，相應聚氨酯泡沫塑料各方面性能均產生不同的變化。當膨脹石墨的含量為40份時，材料的綜合性能最優，氧指數為27.0，壓縮強度和壓縮模量分別為0.33MPa和12.4MPa，熱導率為0.024W/(m·K)。在化工管道中應用能有效保證生產的安全性。

　　關鍵詞:化工管道,聚氨酯,膨脹石墨,安全工程

化工管理

　　鋼材常用于制備化工管道，然而其較高的熱導率使得管道傳輸的流體溫度不易保持。為了使管道內傳輸的流體保持溫度，通常在鋼材管道外包裹一層高分子保溫材料，其中最常見的保溫材料有聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫、酚醛泡沫塑料等[1-5]。聚氨酯泡沫塑料具有較低的吸濕性以及優異的尺寸穩定性和隔熱性，然而其阻燃性能卻不盡理想，所以應用到化工管道中時容易造成保溫層的軟化、燃燒等現象。化工生產中涉及多種易燃易爆的化學物質，因此這種高分子的應用容易造成生產安全問題[6-8]。

　　在聚氨酯泡沫塑料制備過程中添加膨脹石墨可以有效提高其阻燃特性，本研究制備了一系列不同的聚氨酯泡沫塑料，并對其阻燃性能進行了研究。

　　1實驗部分

　　1.1原料

　　聚醚多元醇YD-4110，河北亞東化工集團有限公司;多亞甲基多苯基多異氰酸酯(PAPI)，萬華化學集團股份有限公司;胺類復合催化劑，自配;環戊烷(分析純)，北京化工廠;泡沫穩定劑L6863，美國邁圖高新材料集團公司;膨脹石墨(EG)，青島東凱石墨有限公司。

　　1.2膨脹石墨預處理

　　30℃下，將膨脹石墨浸泡于濃鹽酸中，升溫至50℃并進行超聲分散。6h后，緩慢將體系溫度降至室溫，隨后高速離心獲得的膨脹石墨置于80℃的真空烘箱中干燥至恒重備用。

　　1.3聚氨酯配方及制備

　　制備聚氨酯泡沫塑料的主要原料PAPI和聚醚多元醇YD-4110的用量分別為140份和100份;胺類催化劑用量為1.4份;環戊烷為發泡劑，用量為20份;泡沫穩定劑用量為2份;膨脹石墨為阻燃劑，用量分別為0份、10份、20份、30份和40份。按照上述配方，將聚醚多元醇YD-4110、胺類催化劑、環戊烷、L6863、膨脹石墨均勻混合后，再加入PAPI，于模具中快速攪拌數秒，隨后密封好并置于100℃下固化4h。

　　1.4儀器與設備

　　氧指數分析儀:PX-01-005型，蘇州市菲尼克斯質檢儀器有限公司;熱導儀:QTM-500型，京都電子工業株式會社;萬能試驗機:CMT4000型，深圳三思縱橫實驗儀器有限公司。

　　2結果與討論

　　2.1膨脹石墨用量對聚氨酯泡沫塑料阻燃性的影響

　　膨脹石墨通常與高分子材料之間具有較好的共混相容性，將其分散于聚氨酯泡沫塑料中能夠得到均一的聚氨酯復合材料。利用膨脹石墨受熱膨脹的特性，聚氨酯泡沫塑料在燃燒時，其表面會形成致密的隔氧層，從而提高聚氨酯的阻燃性能。首先研究了不同組分膨脹石墨用量對聚氨酯泡沫塑料阻燃性能的影響。

　　墨用量為20份時，聚氨酯泡沫塑料依然為可燃性材料，氧指數約為21.8。不過，隨著膨脹石墨用量的提高，聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能得到了有效改善。當膨脹石墨用量為30份時，聚氨酯泡沫塑料的氧指數提高至23.5，為不易燃材料;繼續將膨脹石墨用量提高至40份，聚氨酯泡沫塑料的氧指數提高至27.0，為難燃材料。這主要是由于，膨脹石墨含量越高，受熱膨脹所形成的隔氧層就越為致密，從而使聚氨酯氧指數提高，阻燃性得以改善。

　　2.2膨脹石墨含量對聚氨酯泡沫塑料力學性能的影響

　　化工管道中輸送的流體通常為易燃、易爆、劇毒的化學物質，若發生泄露則會對環境、人身、財產安全造成極大威脅。具有較高壓縮強度的保溫層，使其在管道鋪置過程不會由于受到壓迫而造成力學失效，從而導致所輸送的流體泄露。因此，除了聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能外，其壓縮強度也是化工安全生產中著重關注的性能。研究了不同膨脹石墨用量下，聚氨酯泡沫塑料的壓縮強度和壓縮模量。

　　聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能是保證其在化工管道中應用的安全性能。當在聚氨酯泡沫塑料中不加入膨脹石墨時，其氧指數僅為18.0，屬于可燃型高分子材料。若用于化工管道的保溫層中，不僅容易發生燃燒，還很容易發生延燃，造成化工生產中的安全問題。

　　不過較低用量的膨脹石墨對聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能改善不夠明顯，例如當膨脹石墨用量為10份時，聚氨酯的氧指數可由18.0提高至20.2，依然為可燃材料;膨脹石實驗結果表明，未添加膨脹石墨時聚氨酯泡沫塑料的壓縮強度和壓縮模量分別為0.3MPa和11.1MPa，隨著膨脹石墨含量的提高，壓縮強度和壓縮模量均出現先降低后升高的現象。

　　當膨脹石墨含量為10份時，聚氨酯泡沫塑料的壓縮強度和壓縮模量分別降低至0.22MPa和9.3MPa。這是由于膨脹石墨的加入使得聚氨酯泡沫塑料結構的完整性受到破壞，因此，壓縮強度和壓縮模量降低。進一步提高聚氨酯泡沫塑料中膨脹石墨的含量，其壓縮強度和壓縮模量反而得到提升，這是由于膨脹石墨含量提高后起到了一定的增強作用。

　　因此，聚氨酯泡沫塑料的壓縮強度和壓縮模量得到提高。當膨脹石墨含量提高至30份后，聚氨酯泡沫塑料的壓縮強度和壓縮模量又重新提高至純聚氨酯泡沫塑料的水平，分別為0.28MPa和10.8MPa。進一步提高膨脹石墨的含量，改性的聚氨酯泡沫塑料的壓縮強度和壓縮模量提高至純聚氨酯泡沫塑料的水平之上，分別為0.33MPa和12.4MPa。以上實驗結果說明，在聚氨酯泡沫塑料中加入40份的膨脹石墨能夠有效改善其力學性能。

　　2.3膨脹石墨含量對聚氨酯泡沫塑料保溫性能的影響

　　聚氨酯泡沫塑料在化工管道中最突出的應用便是利用其隔熱性，因此改性聚氨酯泡沫塑料的熱導率也是需要著重關注的性能。我們對具有不同膨脹石墨含量的聚氨酯泡沫塑料的熱導率進行了研究。

　　實驗結果表明，當不添加膨脹石墨時，純聚氨酯泡沫塑料的熱導率為0.023W/(m·K)，是一種性能優異的保溫材料。隨著膨脹石墨用量的增加，所制備的改性聚氨酯泡沫塑料的熱導率并沒有受到顯著的影響，當膨脹石墨含量為10～40份時，相應聚氨酯泡沫塑料的熱導率僅為0.023W/(m·K)～0.024W/(m·K)。因此，膨脹石墨的加入不會使聚氨酯泡沫塑料的保溫性能下降。

　　3結論

　　在聚氨酯泡沫塑料中添加膨脹石墨作為阻燃劑，不僅可以有效改善材料的阻燃性能，還能夠在保證其保溫性能的情況下，改善其力學性能。通過調整聚氨酯泡沫塑料中的膨脹石墨的含量，當其含量為40份，相應的聚氨酯泡沫塑料具有較為優異的綜合性能，氧指數為27.0，壓縮強度和壓縮模量分別為0.33MPa和12.4MPa，熱導率為0.024W/(m·K)。改性的聚氨酯泡沫塑料是一種具有優異保溫性能、力學性能和阻燃性能的材料，在化工管道中應用，可以有效保證生產的安全性。

　　參考文獻

　　[1]李莉.化工管道材料的設計與選用解析[J].化工管理，2015(7):187-187.

　　[2]楊磊磊.化工管道材料合理選擇與研究[J].化工管理，2014(21):159-160.

　　[3]韓衍海.石油化工管道材料的選用原則[J].化工設計通訊，2017，43(9):71-71.

　　[4]楊興有.石油化工管道液壓試驗壓力管道材料等級法探討[J].煉油技術與工程，2013，43(8):49-51.

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