一种电力设备用环保型防火材料及其制备方法技术领域
本发明属于防火材料及其制备技术领域，具体涉及一种电力设备用环保型防火材
料及其制备方法。
背景技术
随着现代科技及电力产业的飞速发展，电力设备已经成为我们日常工作和生活当
中的重要组成部分，为我们提供了诸如工业用电，民用电力，电信、数据传输、互联网络、商
业、金融、科技、医疗等多方位的电力服务。我们对电力的依赖也变得日趋强烈。与过去的情
况相比，电力设备本身已经高度精密化，功能越来越完备，造价也变得越来越昂贵，所以电
力设备的一次很小的火灾都将造成非常严重的后果。其中不仅包括设备本身的损失，而由
此引发的电力服务中断所带来的损失更是不可估量。因此，电力设备的安全，特别是对火灾
的防范，已经变成保障电力设备安全，确保电力服务正常运行的首要问题。涂覆防火材料是
一种经济、安全的措施，再加上现代化的火灾防护系统，能够很好地解决电力设备的安全问
题。
防火材料按其阻燃机理，可以分为膨胀型防火材料和非膨胀型防火材料两类。非
膨胀型涂料主要是通过涂层自身的难燃性和不燃性，同时在火焰或高温下能释放出灭火性
气体，并形成不燃性的无机“釉膜”层隔绝空气，以防止或延滞被涂物着火燃烧。膨胀型防火
材料是其涂层在火焰或高温下发生膨胀炭化，形成一个比原来膜厚大几十倍甚至上百倍的
不易燃性的海绵状炭质层，以隔绝外界火焰对基材的加热。同时涂膜熔融膨胀过程中产生
大量不燃性气体，稀释了底材热分解产生的可燃性气体，可有效阻止火焰的蔓延，是真正有
效的防火材料。膨胀阻燃聚合物是在阻燃涂料的基础上发展起来的新型阻燃技术。它是将
含有碳源、酸源和气源的膨胀型阻燃剂与聚合物共混加工，形成阻燃材料。膨胀阻燃材料燃
烧时酸源放出无机酸，使碳源含有的多元醇酯化，进而脱水炭化，粘稠的炭化产物在气源释
放的惰性气体、反应产生的水蒸汽及聚合物降解产生的小分子挥发物的作用下膨胀，形成
微孔结构的炭层。该膨胀炭层具有隔氧、隔热、无熔滴滴落并使火焰自熄的作用。
目前，市面上的防火材料以膨胀型为主，能有效地保护构筑物的损坏和变形，一旦
发生了火灾，防火材料的保护作用可以增加人员逃亡时间与救援时间，大大减少维修费用，
缩短工程修复时间，并且避免造成更多的人员伤亡与财产损失。专利CN201210217965.7公
开了溴碳醇酸树脂电缆防火涂料及其制备方法，该防火涂料的组分为：溴碳醇酸树脂，聚磷
酸铵，三聚氰胺，季戊四醇，三氧化二锑，硼酸锌，膨润土，钛白粉，氯化石蜡，三氧化二钼，二
甲基硅油，催干剂，溶剂。该发明防火涂料用于电缆防火，各项性能均衡，综合性能突出。但
是该防火材料燃烧时产烟量较多，抗裂纹性能还有待提高。专利CN201610263081公开了一
种电力设备用防火涂料，包括以下重量份的原料：有机硅氧烷-丙烯酸酯共聚乳液50-60份，
聚乙烯醇缩甲醛30-40份，偶氮二异丁腈5-10份，醋酸乙烯酯5-10份，马来酸酐5-10份，亚硫
酸铅3-5份，稀土稳定剂3-5份，聚氨酯树脂2-4份，消泡剂HT-6065-10份，氢氧化镁2-4份，氢
氧化铝2-4份，去离子水10-20份。该耐火极限不低于3小时，耐水性≥26小时，耐冷热循环性
能≥20次。但是该防火涂料所用部分材料毒性较大，燃烧易产生有毒烟气，不利于推广利
用。上述防火材料均可应用于电力设备，可实现电力设备不同程度地防火需求，但是防火材
料的炭化层致密度不够，发烟量较大，耐候性能还有待提高。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种原料环保，成膜效果好，发烟量
小，耐候性强的电力设备用环保型防火材料。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种电力设备用环保型防火材料，
由如下重量份的原料制成：改性环氧树脂50~60份、氟碳树脂30~40份、阻燃剂60~90份、膨胀
石墨3~10份、硅酸铝纤维3~10份、分子筛2~8份。
优选地，所述阻燃剂由四苯基双酚A二磷酸酯、磷酸三聚氰胺和二季戊四醇以重量
比4~6：0.5~1.5.5：1.5~3制成。
优选地，所述阻燃剂为70~80重量份。
优选地，所述四苯基双酚A二磷酸酯、磷酸三聚氰胺和二季戊四醇的重量配比为3：
1：1.5。
优选地，所述膨胀石墨的粒径为200~300μm。
一种电力设备用环保型防火材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：称取重量份的阻燃剂35~70份、膨胀石墨3~10份和硅酸铝纤维3~10份混合，在
高剪切均质机中剧烈搅拌至完全均匀分散，得均质料；
步骤S2：将所得均质料加入到改性环氧树脂50~60重量份和氟碳树脂30~40重量份的预
混料中，经转速为80~120r/min的搅拌器搅拌5~12分钟；然后加入分子筛2~8重量份，经转速
为900~1000r/min的搅拌器搅拌45~60分钟，用蒸馏水稀释至所需浓度，即得防火材料。
优选地，所述阻燃剂由下述制备方法获得：按照四苯基双酚A二磷酸酯、磷酸三聚
氰胺和二季戊四醇的重量配比为4~6：0.5~1.5.5：1.5~3，分别称取四苯基双酚A二磷酸酯、
磷酸三聚氰胺和二季戊四醇混合，2000~2500r/min下剪切搅拌10~15分钟。
优选地，所述防火材料均匀喷涂在电力设备表面，控制涂覆厚度为0.5~1.5㎜。
本发明相比现有技术，其有益效果如下：
本发明将改性环氧树脂和氟碳树脂合用作为成膜物质，改性环氧树脂，具有优良的熔
体流动速率、较高的阻燃效率、无迁移、耐候性优良等优点；氟碳树脂，具有良好的耐腐蚀
性、自洁性及柔韧性等诸多优良特性，但是硬度低，耐温性差，使其应用受到了很大限制。周
知防火材料所用成膜物质不仅能够满足室温自干、成膜性、抗水性、附着性、耐热性及化学
稳定性等，还能够满足在火焰或高温作用下涂层具有难燃性和优异的膨胀效果。通过实验
发现，改性环氧树脂和氟碳树脂以重量比50~60：30~40配合使用，相比单一使用改性环氧树
脂或氟碳树脂，耐温性提高，耐火时间延长10分钟以上，膨胀倍率提高25%以上，发泡层表现
为炭层均匀，表面密实。但是在此基础上提高氟碳树脂的比重或降低改性环氧树脂的比重，
膨胀倍率、耐火时间及发泡层质量等均有不同程度地减弱。
本发明防火材料中添加膨胀石墨，能够增强膨胀体系的炭层强度，同时膨胀石墨
表面光滑，耐热性能好，还能够改善膨胀体系的密实度和涂刷性能，当其遇到热源时，体积
迅速膨胀产生了绝缘的石墨片层，这样就使基体具备良好的阻燃性能。试验表明，添加膨胀
石墨3~10重量份能够明显改善防火材料的性能，太多或太少都起不到明显的有益作用。此
外，本发明还添加了适量的硅酸铝纤维，一方面与膨胀石墨协同，可提高燃烧炭层的强度，
减少炭层裂纹产生；另一方面硅酸铝纤维性质稳定，热导率低，能够阻止火焰、氧气、热质等
的传递，可降低材料的导热性，起到隔热保护作用。分子筛是一类具有骨架结构的硅铝酸盐
晶体，添加在防火材料中能够提高基材的阻燃性能，增强熔体稳定性，同时提高炭层强度和
稳定性，炭化层内部结构强度增加，孔壁增厚。通过上述各材料协同，保护基材，使之阻止辐
射热以及与火焰的直接接触，有效地隔离外部燃烧时产生的可燃气体和热量向内部传播，
从而达到阻燃的目的。
本发明阻燃剂采用四苯基双酚A二磷酸酯、磷酸三聚氰胺和二季戊四醇复配使用，
试验表明，该阻燃剂常温下在绝大多数常见溶剂中的溶解度相对较低，具有良好的热稳定
性能，与成膜物质及其添加物等形成了较为理想的协同阻燃效果，能够在基材表面形成适
当厚度的稳定炭层，燃烧时无熔融滴落现象，显著提高基材的阻燃性能，同时涂刷在基材表
面能够提高基材的力学性能。
本发明防火材料应用于电力设备防火，具有优良的抗裂纹性能、耐水性能和耐候
性，良好的膨胀性能，同时能够显著降低基材在燃烧状态下的热释放速率，减少质量损失，
而且产烟量小，环保效果好。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步清楚阐述本发明的内容，但本发
明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便
提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以
无需一个或多个这些细节而得以实施。
实施例1：一种电力设备用环保型防火材料，由如下重量份的原料制成：改性环氧
树脂55份、氟碳树脂35份、阻燃剂75份、膨胀石墨6份、硅酸铝纤维7份、分子筛5份。
所述阻燃剂由所述四苯基双酚A二磷酸酯、磷酸三聚氰胺和二季戊四醇以重量配
比3：1：1.5制成。
所述膨胀石墨的粒径为200μm。试验表明，不同粒径的膨胀石墨对膨胀体系炭层强
度的影响不同，膨胀石墨粒径过小，比表面积增加迅速，降温效果显著，但是不利于成炭层
密实度和强度的提升；而粒径过大，隔热作用变差，成炭层的密实度也随之减弱。因此，选择
合理的膨胀石墨粒径范围对防火材料性能的提升具有积极的影响。
本发明中，改性环氧树脂选择缩水甘油醚类环氧树脂，例如：溴化环氧树脂、甘油
环氧树脂等。
一种电力设备用环保型防火材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：称取上述重量份的阻燃剂、膨胀石墨和硅酸铝纤维混合，在高剪切均质机中剧
烈搅拌至完全均匀分散，得均质料；
步骤S2：将所得均质料加入到上述重量份的改性环氧树脂和氟碳树脂的预混料中，经
转速为100r/min的搅拌器搅拌8分钟；然后加入分子筛，经转速为1000r/min的搅拌器搅拌
50分钟，用蒸馏水稀释至所需浓度，即得防火材料。
所述阻燃剂由下述制备方法获得：分别称取四苯基双酚A二磷酸酯、磷酸三聚氰胺
和二季戊四醇混合，2500r/min下剪切搅拌12分钟，即得。
所述防火材料均匀喷涂在电力设备表面，控制涂覆厚度为0.5~1.5㎜。涂覆厚度的
大小影响防火材料的隔热阻燃性能，厚度小，实现不了预期的阻燃效果，厚度过大，影响基
材的性能。本发明所述电力设备包括但不限于：电缆、导线、配电柜、配电房等。
实施例2：一种电力设备用环保型防火材料，由如下重量份的原料制成：改性环氧
树脂50份、氟碳树脂30份、阻燃剂70份、膨胀石墨5份、硅酸铝纤维5份、分子筛7份。
所述阻燃剂由所述四苯基双酚A二磷酸酯、磷酸三聚氰胺和二季戊四醇以重量配
比3：1：1.5制成。
所述膨胀石墨的粒径为200μm。
一种电力设备用环保型防火材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：称取上述重量份的阻燃剂、膨胀石墨和硅酸铝纤维混合，在高剪切均质机中剧
烈搅拌至完全均匀分散，得均质料；
步骤S2：将所得均质料加入到上述重量份的改性环氧树脂和氟碳树脂的预混料中，经
转速为80r/min的搅拌器搅拌5分钟；然后加入分子筛，经转速为900r/min的搅拌器搅拌45
分钟，用蒸馏水稀释至所需浓度，即得防火材料。
所述阻燃剂由下述制备方法获得：分别称取四苯基双酚A二磷酸酯、磷酸三聚氰胺
和二季戊四醇混合，2500r/min下剪切搅拌10分钟。
所述防火材料均匀喷涂在电力设备表面，控制涂覆厚度为0.5~1.5㎜。
实施例3：一种电力设备用环保型防火材料，由如下重量份的原料制成：改性环氧
树脂60份、氟碳树脂40份、阻燃剂80份、膨胀石墨8份、硅酸铝纤维4份、分子筛4份。
所述阻燃剂由所述四苯基双酚A二磷酸酯、磷酸三聚氰胺和二季戊四醇以重量配
比3：1：1.5制成。
所述膨胀石墨的粒径为300μm。
一种电力设备用环保型防火材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：称取上述重量份的阻燃剂、膨胀石墨和硅酸铝纤维混合，在高剪切均质机中剧
烈搅拌至完全均匀分散，得均质料；
步骤S2：将所得均质料加入到上述重量份的改性环氧树脂和氟碳树脂的预混料中，经
转速为120r/min的搅拌器搅拌12分钟；然后加入分子筛，经转速为1000r/min的搅拌器搅拌
60分钟，用蒸馏水稀释至所需浓度，即得防火材料。
所述阻燃剂由下述制备方法获得：分别称取四苯基双酚A二磷酸酯、磷酸三聚氰胺
和二季戊四醇混合，2000r/min下剪切搅拌15分钟。
所述防火材料均匀喷涂在电力设备表面，控制涂覆厚度为0.5~1.5㎜。
实施例4：一种电力设备用环保型防火材料，由如下重量份的原料制成：改性环氧
树脂52份、氟碳树脂34份、阻燃剂65份、膨胀石墨3份、硅酸铝纤维3份、分子筛2份。
所述阻燃剂由四苯基双酚A二磷酸酯、磷酸三聚氰胺和二季戊四醇以重量比4：1：
1.5制成。
所述膨胀石墨的粒径为300μm。
实施例5：一种电力设备用环保型防火材料，由如下重量份的原料制成：改性环氧
树脂58份、氟碳树脂46份、阻燃剂85份、膨胀石墨9份、硅酸铝纤维8份、分子筛7份。
所述阻燃剂由四苯基双酚A二磷酸酯、磷酸三聚氰胺和二季戊四醇以重量比5：
1.5：2制成。
所述膨胀石墨的粒径为200μm。
实施例6：一种电力设备用环保型防火材料，由如下重量份的原料制成：改性环氧
树脂50份、氟碳树脂30份、阻燃剂60份、膨胀石墨3份、硅酸铝纤维3份、分子筛2份。
所述阻燃剂由四苯基双酚A二磷酸酯、磷酸三聚氰胺和二季戊四醇以重量比6：
2.5：3制成。
所述膨胀石墨的粒径为200μm。
实施例7：一种电力设备用环保型防火材料，由如下重量份的原料制成：改性环氧
树脂60份、氟碳树脂40份、阻燃剂90份、膨胀石墨10份、硅酸铝纤维10份、分子筛8份。
所述阻燃剂由四苯基双酚A二磷酸酯、磷酸三聚氰胺和二季戊四醇以重量比5.5：
2：2.5制成。
所述膨胀石墨的粒径为300μm。
实施例8：一种电力设备用环保型防火材料，由如下重量份的原料制成：改性环氧
树脂55份、氟碳树脂35份、阻燃剂65份、膨胀石墨7份、硅酸铝纤维6份、分子筛5份。
所述阻燃剂由四苯基双酚A二磷酸酯、磷酸三聚氰胺和二季戊四醇以重量比4.5：
1.5：2制成。
所述膨胀石墨的粒径为200μm。
实施例9：一种电力设备用环保型防火材料，由如下重量份的原料制成：改性环氧
树脂55份、氟碳树脂35份、阻燃剂75份、膨胀石墨6份、硅酸铝纤维7份、分子筛5份。各原料种
类同实施例1。
本发明中，改性环氧树脂通过如下方法制备获得：
1）称取双酚A型环氧树脂25重量份和丙基三甲氧基硅烷1重量份，加入容器中，水浴加
热至72±3℃，以50~60滴/分钟的速度滴入四甲基氢氧化铵水溶液，搅拌升温至85±5℃，反
应3小时；
2）然后加入羟甲基化酶解木质素3重量份，升温至120℃，搅拌保温1小时，真空脱泡，放
置24小时，即得。
对比例1：一种电力设备用环保型防火材料，由如下重量份的原料制成：改性环氧
树脂90份、阻燃剂75份、膨胀石墨6份、硅酸铝纤维7份、分子筛5份。阻燃剂组成及其制备方
法参阅实施例1。防火材料的制备方法参阅实施例1，不再赘述。
对比例2：一种电力设备用环保型防火材料，由如下重量份的原料制成：氟碳树脂
90份、阻燃剂75份、膨胀石墨6份、硅酸铝纤维7份、分子筛5份。阻燃剂组成及其制备方法参
阅实施例1。防火材料的制备方法参阅实施例1，不再赘述。
对比例3：一种电力设备用环保型防火材料，制备原料及方法由如下重量份的原料
制成：双酚A型环氧树脂55份、氟碳树脂35份、阻燃剂75份、膨胀石墨6份、硅酸铝纤维7份、分
子筛5份。
其中，所述阻燃剂由所述聚磷酸铵、磷酸三聚氰胺和二季戊四醇以重量配比3：1：
1.5制成。
制备方法参阅实施例1，不再赘述。
对比例4：一种电力设备用环保型防火材料，制备原料及方法由如下重量份的原料
制成：改性环氧树脂55份、氟碳树脂35份、阻燃剂75份、膨胀石墨6份、硅酸铝纤维7份、分子
筛5份。
其中，所述阻燃剂由所述四苯基双酚A二磷酸酯、磷酸三聚氰胺和二季戊四醇以重
量配比2：1：2制成。
制备方法参阅实施例1，不再赘述。
对比例5：一种电力设备用环保型防火材料，制备原料及方法由如下重量份的原料
制成：改性环氧树脂55份、氟碳树脂35份、阻燃剂75份、膨胀石墨6份、硅酸铝纤维7份、钛白
粉5份。阻燃剂组成及其制备方法参阅实施例1。防火材料的制备方法参阅实施例1，不再赘
述。
对比例6：一种电力设备用环保型防火材料，制备原料及方法由如下重量份的原料
制成：改性环氧树脂55份、氟碳树脂35份、阻燃剂75份、膨胀石墨6份、硅酸铝纤维7份、分子
筛5份。
其中，膨胀石墨的粒度为100μm。
阻燃剂组成及其制备方法参阅实施例1。防火材料的制备方法参阅实施例1，不再
赘述。
效果评价
实验一、防火材料对电缆燃烧性能的影响
试验按照ISO5660-1标准方法进行。普通YJV电缆（空白组）与涂覆防火材料的电缆(反
复涂刷3次，晾置18h，涂料干燥厚度为1mm)被截成长100mm的小段，并排放置使总宽度约为
100mm，用铝箔纸包覆其背面和侧面，在底部垫有陶瓷纤维毯，以保证统一的热边界条件。
试验时，将试样置于不锈钢边框内并放在载重台上加热，通过载重台上方的锥形
加热器施加特定的热辐射功率，同时启动高压电火花点火器将样品点燃并测量数据，当火
焰熄灭时试验结束。辐射强度选择35kW/m2，用来模拟可燃物在火灾中受到的辐射热。
试验防火材料分别为：实施例1~3、9及对比例1~5制备的防火材料。
试验结果见表1。
表1普通YJV电缆与涂覆防火材料电缆的锥形量热仪试验结果
防火材料
点燃时间/s
平均热释放速率/kW·m-2
总热释放量/MJ·m-2
平均质量损失速率/g·s-1
有效燃烧热/MJ·kg-1
总产烟量/m3
实施例1
136
51.5
70.25
0.021
18.01
5.93
实施例2
125
52.3
72.21
0.023
18.56
6.10
实施例3
121
52.8
72.45
0.024
18.61
6.23
实施例9
145
48.3
70.01
0.018
17.75
5.63
对比例1
64
109.3
116.3
0.036
26.81
12.01
对比例2
72
87.3
93.5
0.032
23.13
11.32
对比例3
76
85.2
91.3
0.031
21.75
11.03
对比例4
85
78.2
87.6
0.030
21.23
10.56
对比例5
83
76.4
86.1
0.030
21.04
10.12
对比例6
86
77.9
86.8
0.029
21.00
10.41
空白组
35
113.78
126.95
0.038
25.85
13.50
表1显示，在同一辐射强度下，涂覆防火材料电缆较空白组来说，点燃时间更长，热释放
速率、有效燃烧热和烟气释放量减小，体现出不同程度的耐火性能。就涂覆防火材料电缆来
说，涂覆实施例9制备的防火材料的耐火性能最好，实施例1次之，说明采用本发明所获改性
环氧树脂更适宜于制备防火材料。对比例1和对比例2使用单一成膜物质制备的防火材料的
性能与实施例1差距明显。对比例3以双酚A型环氧树脂与氟碳树脂配合，同时改变阻燃剂的
组成所得防火材料的耐火性能明显劣于本发明。对比例4改变阻燃剂的比例所得防火材料
的性能也劣于本发明。对比例5用钛白粉代替分子筛，耐火性能有所下降。上述实验结果表
明，本发明各原料协同阻燃效果明显，所制备的防火材料用于电缆，耐火性能优异。
实验二、防火材料涂覆于钢板的性能测试
冷轧钢板经预处理后，将实施例1~3及9、对比例1~5制备的防火材料分别涂覆在冷扎钢
板的表面，涂层厚度为1.4±0.1毫米，自然晾干，养护5天。
下文所称试件指：涂覆防火材料的冷扎钢板。
1、抗裂纹性能：将涂覆防火材料的冷扎钢板置于5m/s的风场中12小时，距离试件
0.5m处观察，目测表面是否有裂纹，无裂纹则为合格。
2、耐水性能：将涂覆防火材料的冷扎钢板的2/3浸入自来水中，36h后取出试件观
察，若无起层、发泡、脱落现象，则为合格。
3、耐候性：将涂覆防火材料的冷扎钢板置于(23±2)℃的空气中18h，然后将试件
放入(-20±2)℃的低温箱中，自箱内温度达到-18℃时起冷冻3h再将试件从低温箱中取出，
立即放入(50±2)℃的恒温箱中，恒温3h，取出试件重复上述操作共20个循环，若无开裂、剥
落、起泡现象，则为合格。
4、膨胀倍率n：记录各涂覆防火材料的冷扎钢板的涂层厚度，在试件的中心和背火
面分别放置两根热电偶，测试样板内部温度与背火温度，并将样板置于试验炉中，燃气火焰
大小调节至能完全包覆样板，开始试验当火焰温度达到1000℃时测试结束，其中炉内火焰
温度升温速率按GB/T9978.1-2008中1.1.2节所示标准升温曲线进行升温。测试结束后记录
内部温度与背火温度的数值，观察炭层与底材结合情况，并在样板底面和两个侧面分别取3
个点测量炭层膨胀厚度，按下式计算膨胀倍率n，该样品炭层膨胀倍率为9个点膨胀倍率的
平均数。
N=(d-d0)/d0
式中，d为测试后炭层膨胀厚度，d0为测试前涂层涂刷厚度。
表2防火材料涂覆于钢板的性能测试结果
防火材料
抗裂纹性能
耐水性能
耐候性
膨胀倍率n
实施例1
合格
合格
合格
9.43
实施例2
合格
合格
合格
9.15
实施例3
合格
合格
合格
9.23
实施例9
合格
合格
合格
9.65
对比例1
合格
合格
合格
5.36
对比例2
合格
合格
不合格
5.64
对比例3
合格
合格
不合格
5.03
对比例4
合格
合格
合格
6.01
对比例5
不合格
合格
合格
5.92
对比例6
不合格
合格
合格
6.15
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，
我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领
域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权
利要求所保护的范围内。