化工管道材料性能研究及在安全工程中的应用

　　摘要:制备了一系列不同膨胀石墨含量的聚氨酯泡沫塑料，并对阻燃性能、力学性能和保温性能进行了研究。膨胀石墨含量不同，相应聚氨酯泡沫塑料各方面性能均产生不同的变化。当膨胀石墨的含量为40份时，材料的综合性能最优，氧指数为27.0，压缩强度和压缩模量分别为0.33MPa和12.4MPa，热导率为0.024W/(m·K)。在化工管道中应用能有效保证生产的安全性。

　　关键词:化工管道,聚氨酯,膨胀石墨,安全工程

　　钢材常用于制备化工管道，然而其较高的热导率使得管道传输的流体温度不易保持。为了使管道内传输的流体保持温度，通常在钢材管道外包裹一层高分子保温材料，其中最常见的保温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较低的吸湿性以及优异的尺寸稳定性和隔热性，然而其阻燃性能却不尽理想，所以应用到化工管道中时容易造成保温层的软化、燃烧等现象。化工生产中涉及多种易燃易爆的化学物质，因此这种高分子的应用容易造成生产安全问题[6-8]。

　　在聚氨酯泡沫塑料制备过程中添加膨胀石墨可以有效提高其阻燃特性，本研究制备了一系列不同的聚氨酯泡沫塑料，并对其阻燃性能进行了研究。

　　1实验部分

　　1.1原料

　　聚醚多元醇YD-4110，河北亚东化工集团有限公司;多亚甲基多苯基多异氰酸酯(PAPI)，万华化学集团股份有限公司;胺类复合催化剂，自配;环戊烷(分析纯)，北京化工厂;泡沫稳定剂L6863，美国迈图高新材料集团公司;膨胀石墨(EG)，青岛东凯石墨有限公司。

　　1.2膨胀石墨预处理

　　30℃下，将膨胀石墨浸泡于浓盐酸中，升温至50℃并进行超声分散。6h后，缓慢将体系温度降至室温，随后高速离心获得的膨胀石墨置于80℃的真空烘箱中干燥至恒重备用。

　　1.3聚氨酯配方及制备

　　制备聚氨酯泡沫塑料的主要原料PAPI和聚醚多元醇YD-4110的用量分别为140份和100份;胺类催化剂用量为1.4份;环戊烷为发泡剂，用量为20份;泡沫稳定剂用量为2份;膨胀石墨为阻燃剂，用量分别为0份、10份、20份、30份和40份。按照上述配方，将聚醚多元醇YD-4110、胺类催化剂、环戊烷、L6863、膨胀石墨均匀混合后，再加入PAPI，于模具中快速搅拌数秒，随后密封好并置于100℃下固化4h。

　　1.4仪器与设备

　　氧指数分析仪:PX-01-005型，苏州市菲尼克斯质检仪器有限公司;热导仪:QTM-500型，京都电子工业株式会社;万能试验机:CMT4000型，深圳三思纵横实验仪器有限公司。

　　2结果与讨论

　　2.1膨胀石墨用量对聚氨酯泡沫塑料阻燃性的影响

　　膨胀石墨通常与高分子材料之间具有较好的共混相容性，将其分散于聚氨酯泡沫塑料中能够得到均一的聚氨酯复合材料。利用膨胀石墨受热膨胀的特性，聚氨酯泡沫塑料在燃烧时，其表面会形成致密的隔氧层，从而提高聚氨酯的阻燃性能。首先研究了不同组分膨胀石墨用量对聚氨酯泡沫塑料阻燃性能的影响。

　　墨用量为20份时，聚氨酯泡沫塑料依然为可燃性材料，氧指数约为21.8。不过，随着膨胀石墨用量的提高，聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能得到了有效改善。当膨胀石墨用量为30份时，聚氨酯泡沫塑料的氧指数提高至23.5，为不易燃材料;继续将膨胀石墨用量提高至40份，聚氨酯泡沫塑料的氧指数提高至27.0，为难燃材料。这主要是由于，膨胀石墨含量越高，受热膨胀所形成的隔氧层就越为致密，从而使聚氨酯氧指数提高，阻燃性得以改善。

　　2.2膨胀石墨含量对聚氨酯泡沫塑料力学性能的影响

　　化工管道中输送的流体通常为易燃、易爆、剧毒的化学物质，若发生泄露则会对环境、人身、财产安全造成极大威胁。具有较高压缩强度的保温层，使其在管道铺置过程不会由于受到压迫而造成力学失效，从而导致所输送的流体泄露。因此，除了聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能外，其压缩强度也是化工安全生产中着重关注的性能。研究了不同膨胀石墨用量下，聚氨酯泡沫塑料的压缩强度和压缩模量。

　　聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能是保证其在化工管道中应用的安全性能。当在聚氨酯泡沫塑料中不加入膨胀石墨时，其氧指数仅为18.0，属于可燃型高分子材料。若用于化工管道的保温层中，不仅容易发生燃烧，还很容易发生延燃，造成化工生产中的安全问题。

　　不过较低用量的膨胀石墨对聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能改善不够明显，例如当膨胀石墨用量为10份时，聚氨酯的氧指数可由18.0提高至20.2，依然为可燃材料;膨胀石实验结果表明，未添加膨胀石墨时聚氨酯泡沫塑料的压缩强度和压缩模量分别为0.3MPa和11.1MPa，随着膨胀石墨含量的提高，压缩强度和压缩模量均出现先降低后升高的现象。

　　当膨胀石墨含量为10份时，聚氨酯泡沫塑料的压缩强度和压缩模量分别降低至0.22MPa和9.3MPa。这是由于膨胀石墨的加入使得聚氨酯泡沫塑料结构的完整性受到破坏，因此，压缩强度和压缩模量降低。进一步提高聚氨酯泡沫塑料中膨胀石墨的含量，其压缩强度和压缩模量反而得到提升，这是由于膨胀石墨含量提高后起到了一定的增强作用。

　　因此，聚氨酯泡沫塑料的压缩强度和压缩模量得到提高。当膨胀石墨含量提高至30份后，聚氨酯泡沫塑料的压缩强度和压缩模量又重新提高至纯聚氨酯泡沫塑料的水平，分别为0.28MPa和10.8MPa。进一步提高膨胀石墨的含量，改性的聚氨酯泡沫塑料的压缩强度和压缩模量提高至纯聚氨酯泡沫塑料的水平之上，分别为0.33MPa和12.4MPa。以上实验结果说明，在聚氨酯泡沫塑料中加入40份的膨胀石墨能够有效改善其力学性能。

　　2.3膨胀石墨含量对聚氨酯泡沫塑料保温性能的影响

　　聚氨酯泡沫塑料在化工管道中最突出的应用便是利用其隔热性，因此改性聚氨酯泡沫塑料的热导率也是需要着重关注的性能。我们对具有不同膨胀石墨含量的聚氨酯泡沫塑料的热导率进行了研究。

　　实验结果表明，当不添加膨胀石墨时，纯聚氨酯泡沫塑料的热导率为0.023W/(m·K)，是一种性能优异的保温材料。随着膨胀石墨用量的增加，所制备的改性聚氨酯泡沫塑料的热导率并没有受到显著的影响，当膨胀石墨含量为10～40份时，相应聚氨酯泡沫塑料的热导率仅为0.023W/(m·K)～0.024W/(m·K)。因此，膨胀石墨的加入不会使聚氨酯泡沫塑料的保温性能下降。

　　3结论

　　在聚氨酯泡沫塑料中添加膨胀石墨作为阻燃剂，不仅可以有效改善材料的阻燃性能，还能够在保证其保温性能的情况下，改善其力学性能。通过调整聚氨酯泡沫塑料中的膨胀石墨的含量，当其含量为40份，相应的聚氨酯泡沫塑料具有较为优异的综合性能，氧指数为27.0，压缩强度和压缩模量分别为0.33MPa和12.4MPa，热导率为0.024W/(m·K)。改性的聚氨酯泡沫塑料是一种具有优异保温性能、力学性能和阻燃性能的材料，在化工管道中应用，可以有效保证生产的安全性。

　　参考文献

　　[1]李莉.化工管道材料的设计与选用解析[J].化工管理，2015(7):187-187.

　　[2]杨磊磊.化工管道材料合理选择与研究[J].化工管理，2014(21):159-160.

　　[3]韩衍海.石油化工管道材料的选用原则[J].化工设计通讯，2017，43(9):71-71.

　　[4]杨兴有.石油化工管道液压试验压力管道材料等级法探讨[J].炼油技术与工程，2013，43(8):49-51.

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