劉振華，徐 超，吳紹利，李艷偉，張忠新

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.北京中鐵科新材料技術(shù)有限公司，北京 100081)

地板布作為鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛常用的地板鋪設(shè)物，是機(jī)車(chē)車(chē)輛內(nèi)部裝飾材料的重要部分，我國(guó)在高速動(dòng)車(chē)組列車(chē)、城際列車(chē)上均采用阻燃橡塑地板布[1]。由于地板布在動(dòng)車(chē)組列車(chē)上的應(yīng)用范圍廣，鋪裝面積大[2]，其阻燃性能直接關(guān)系到列車(chē)整體的消防安全。隨著列車(chē)服役時(shí)間的增長(zhǎng)，地板布材料受到溫度、光照等因素的影響，會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂、變色、強(qiáng)度下降等老化現(xiàn)象，而在老化過(guò)程中，材料的防火阻燃性能是否也隨之發(fā)生衰減通常難以直觀判斷，相關(guān)研究也鮮見(jiàn)報(bào)道。

本工作通過(guò)人工加速老化實(shí)驗(yàn)來(lái)模擬列車(chē)運(yùn)行的環(huán)境條件，對(duì)動(dòng)車(chē)組客室內(nèi)裝材料地板布的老化性能特別是阻燃老化性能進(jìn)行研究，以期為動(dòng)車(chē)組內(nèi)裝材料使用壽命提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

以三元乙丙橡膠為主體材料的阻燃橡塑地板布：鐵科縱橫(天津)科技發(fā)展有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

熱空氣老化箱：401B型，啟東市雙棱檢測(cè)設(shè)備廠；FTT0081型氧指數(shù)儀、FTT0064型煙密度試驗(yàn)箱、FTT0191型傅里葉紅外光譜分析儀、FTT0402型錐形量熱儀：英國(guó)Fire Testing Technology Limite公司；萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：5967型，美國(guó)INSTRON公司。

1.3 加速老化實(shí)驗(yàn)

(1)熱老化實(shí)驗(yàn)：從成品地板布上裁取尺寸適宜的樣塊置于熱空氣老化箱中，老化溫度為70 ℃，實(shí)驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)為6 000 h，每2 000 h進(jìn)行一次取樣測(cè)試。

(2)老化實(shí)驗(yàn)：依據(jù)GB/T 9276—1996要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行戶外曝曬，實(shí)驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)6 000 h，每3 000 h進(jìn)行一次取樣測(cè)試，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇海南省瓊海市。

1.4 測(cè)試方法

拉伸強(qiáng)度按照GB/T 528—2009進(jìn)行測(cè)試；撕裂強(qiáng)度按照GB/T 529—2008進(jìn)行測(cè)試；氧指數(shù)按照GB/T 10707—2008進(jìn)行測(cè)試；燃燒熱按照GB/T 16172—2007進(jìn)行測(cè)試；煙密度及毒性氣體指數(shù)按照GB/T 8323.2—2008進(jìn)行測(cè)試。上述性能指標(biāo)的限值要求參照中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CR 617—2017中的相關(guān)要求。

2 結(jié)果與討論

2.1 老化實(shí)驗(yàn)對(duì)力學(xué)性能的影響

圖1為拉伸強(qiáng)度與老化時(shí)間的關(guān)系。由圖1可見(jiàn)，隨著老化實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，地板布的拉伸強(qiáng)度在老化前期快速下降，隨后趨于穩(wěn)定，且曝曬實(shí)驗(yàn)的老化效應(yīng)較之熱空氣實(shí)驗(yàn)更顯著。老化實(shí)驗(yàn)終止時(shí)，曝曬樣品的拉伸強(qiáng)度僅為熱空氣樣品的77.7%，已不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

老化時(shí)間/h

撕裂強(qiáng)度與老化時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，樣品撕裂強(qiáng)度隨著老化時(shí)長(zhǎng)增加持續(xù)下降，曝曬實(shí)驗(yàn)的老化效應(yīng)雖然也明顯大于熱空氣實(shí)驗(yàn)，但老化實(shí)驗(yàn)終止時(shí)，曝曬樣品撕裂強(qiáng)度僅比熱空氣樣品低4.1%，均高于標(biāo)準(zhǔn)限值的要求。

老化時(shí)間/h

從圖2和圖3可以看出，該型號(hào)地板布力學(xué)性能的老化現(xiàn)象較為顯著，且對(duì)光老化更為敏感，但由于其初始力學(xué)性能較好，經(jīng)過(guò)6 000 h老化后雖有明顯衰減，但仍基本滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.2 老化實(shí)驗(yàn)對(duì)燃燒性能的影響

2.2.1 氧指數(shù)

圖3為氧指數(shù)與老化時(shí)間的關(guān)系。由圖3可見(jiàn)，在曝曬實(shí)驗(yàn)中，被測(cè)試樣的氧指數(shù)基本沒(méi)有發(fā)生變化，穩(wěn)定性較好；熱空氣實(shí)驗(yàn)中，被測(cè)試樣的氧指數(shù)雖略有下降，但最大降幅也僅在5%左右，并且老化實(shí)驗(yàn)終止時(shí)，試樣氧指數(shù)仍滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。故可以認(rèn)為，光熱老化對(duì)地板布氧指數(shù)的影響并不顯著。

老化時(shí)間/h

2.2.2 燃燒熱

燃燒熱是材料燃燒時(shí)釋放能量的大小，直接關(guān)系到火災(zāi)發(fā)生時(shí)的破壞性。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未對(duì)材料燃燒熱值進(jìn)行相應(yīng)規(guī)定，隨著技術(shù)進(jìn)步和防火安全要求的提升，將燃燒熱值納入管控要求是大勢(shì)所趨。圖4和圖5分別為熱空氣實(shí)驗(yàn)和曝曬實(shí)驗(yàn)中不同老化階段試樣燃燒熱釋放速率曲線。

測(cè)試時(shí)間/s

測(cè)試時(shí)間/s

地板布在燃燒過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)熱釋放峰，這是由于高分子材料的熱惰性使材料在受熱時(shí)表面與內(nèi)部溫度不同造成的。表面溫度高先達(dá)到引燃溫度，而發(fā)生表層燃燒，形成第一個(gè)熱釋放峰，隨著表層燃燒放熱，熱量傳導(dǎo)至材料內(nèi)部，引燃內(nèi)部材料達(dá)到穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，從而形成第二個(gè)熱釋放峰。基于上述原因，第一個(gè)熱釋放峰可以用于表征材料的引燃性能，峰出現(xiàn)時(shí)間越早，峰高越大說(shuō)明材料越容易被引燃；第二個(gè)熱釋放峰則可以用于表征材料穩(wěn)定燃燒時(shí)的熱釋放情況，峰高越大說(shuō)明穩(wěn)定燃燒時(shí)材料的熱釋放速率越大，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)越高。

從圖4和圖5可以看出，在不同老化階段，材料第一個(gè)熱釋放峰無(wú)論是出現(xiàn)時(shí)間還是峰高均無(wú)明顯變化，而第二個(gè)熱釋放峰則出現(xiàn)了明顯的峰高隨老化時(shí)間增加而降低的現(xiàn)象。這說(shuō)明光熱老化對(duì)地板布引燃性能并沒(méi)有顯著影響，但會(huì)使穩(wěn)定燃燒時(shí)熱釋放速率小幅降低，阻燃性能略有提升。

材料熱釋放速率峰值(Peak HRR)和最大平均熱釋放速率(MARHE)是燃燒熱測(cè)試中具有代表性的重要測(cè)試項(xiàng)點(diǎn)[3]。一般地，材料的燃燒熱值越高，火災(zāi)危險(xiǎn)性越大，阻燃安全性能就越差。圖6和圖7分別是Peak HRR、MARHE與老化時(shí)間的關(guān)系。

從圖6和圖7可見(jiàn)，在熱空氣實(shí)驗(yàn)中，試樣Peak HRR和MARHE均出現(xiàn)先降低后趨于平緩的變化趨勢(shì)，且降幅不大，最大降幅不超過(guò)5%。而曝曬實(shí)驗(yàn)中，兩項(xiàng)性能的老化程度均明顯大于熱空氣實(shí)驗(yàn)，且呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)，最大降幅為11%。出現(xiàn)上述現(xiàn)象是由于地板布的主材是橡膠，在橡膠的老化過(guò)程中不穩(wěn)定的化學(xué)鍵在熱(光)的作用下發(fā)生斷裂，形成獨(dú)立的鏈段或帶有自由基的鏈段[4]，使交聯(lián)部分產(chǎn)生降解。隨著高分子鏈的裂解、斷裂以及小分子物質(zhì)揮發(fā)，材料總能量降低，導(dǎo)致Peak HRR和MARHE出現(xiàn)小幅下降。由此可見(jiàn)，對(duì)于該型號(hào)地板布的燃燒熱性能，光老化作用要強(qiáng)于熱老化作用，兩種老化過(guò)程中試樣的熱釋放性能均有所下降，阻燃性能小幅提升。

老化時(shí)間/h

老化時(shí)間/h

2.2.3 煙密度及毒性氣體指數(shù)

材料燃燒時(shí)的煙密度及毒性氣體指數(shù)也是評(píng)估材料阻燃安全性能的重要指標(biāo)，對(duì)于一般車(chē)輛客室，火災(zāi)發(fā)生時(shí)的前4 min是人員疏散的關(guān)鍵時(shí)期，通常用材料燃燒過(guò)程中前4 min的累積煙密度(VOF 4)和毒性氣體指數(shù)(CITg4)表征材料燃燒時(shí)的煙毒性。圖8和圖9分別是VOF 4、CITg4與老化時(shí)間的關(guān)系。

由圖8可見(jiàn)，隨著老化實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，試樣VOF 4持續(xù)下降，但降幅不大，老化6 000 h后，降幅為12.7%。圖9中，老化實(shí)驗(yàn)前期CITg4有較明顯下降，隨后則在較低區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，由于老化后期試樣的CITg4已接近方法檢出限，故可以認(rèn)為老化后期毒性氣體指數(shù)變化不大。由此可見(jiàn)，隨著老化過(guò)程的進(jìn)行，試樣的煙毒性呈下降趨勢(shì)。老化過(guò)程對(duì)試樣的安全性無(wú)負(fù)面影響。

老化時(shí)間/h

老化時(shí)間/h

3 結(jié) 論

(1)試樣力學(xué)性能受到光熱老化的影響顯著，經(jīng)過(guò)6 000 h老化后，主要力學(xué)性能衰減超過(guò)30%，但地板布初始力學(xué)性能較好，老化后仍基本滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2)試樣燃燒性能受到光熱老化的影響較小，經(jīng)過(guò)6 000 h老化后，主要性能衰減在10%以內(nèi)。

(3)在光熱老化條件下，試樣氧指數(shù)穩(wěn)定性較好，而燃燒熱、煙密度和毒性氣體等燃燒性能參數(shù)均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，說(shuō)明老化不會(huì)對(duì)試樣的阻燃性能造成負(fù)面影響。

(4)該型地板布對(duì)光老化更為敏感，自然曝曬后各項(xiàng)性能的老化程度顯著大于熱空氣老化。