氣凝膠對EPS保溫材料性能影響研究

　　馬炎，徐長偉，張忠倫，王明銘

　　沈陽建筑大學

　　中建材科創新技術研究院（山東）有限公司

　　山東省無機功能材料與智能制造重點實驗室

　　摘要：以酚醛樹脂（PF）和氣凝膠粉末作為阻燃劑，采用包覆法制備氣凝膠/聚苯乙（EPS）復合阻燃材料，并對氣凝膠/EPS復合阻燃材料的阻燃和保溫性能進行研究。結果表明，阻燃劑氣凝膠粉末的加入，使得氣凝膠/EPS復合阻燃材料的LOI值和保溫性能均有明顯改善，氣凝膠粉末添加量為20wt%，氣凝膠粒級為0.3~0.18mm，選用導熱系數在0.018~0.020W/(m·K)的氣凝膠粉末，樣品的綜合性能***好。由SEM表征和熱重分析可知，氣凝膠/EPS復合阻燃材料經受高溫燃燒時，EPS珠粒外部一層氣凝膠粉末起到隔絕氧氣和熱量的作用，阻止了EPS基體與熱源的接觸。

　　關鍵詞:聚苯乙烯；氣凝膠；阻燃；保溫

　　來源:中國建材科技

　　0、引言:可發性聚苯乙烯（EPS）材料由于具有良好的保溫隔熱性能、防腐蝕性且產品成本低廉等優點，在建筑與工業領域得到了廣泛應用。但可發性EPS材料燃燒時會釋放熱量，產生濃煙，并釋放有害氣體對生態環境造成污染，安全隱患較大，因此，隨著EPS保溫材料使用量和適用領域不斷擴大，人們對EPS保溫材料的性能提出了更高要求。對于提高EPS保溫材料阻燃性能與保溫性能，目前常用的方法是在EPS基體中摻入阻燃劑或對EPS珠粒進行阻燃改性處理。Chen合成了一種新型膨脹型阻燃劑磷酸化組氨酸-氨基三嗪-二氨基丙烷（PHTD），將其作為阻燃劑和粘接劑，采用包覆法制備含PHTD的阻燃發泡EPS泡沫，當PHTD含量達到41.9wt%時，復合材料LOI值升至28.8%，UL-94達到v-0級別，阻燃效果明顯。Wang將h-SiO 2作為增效劑提高EPS的阻燃性，當h-SiO 2加入量達到0.5wt%時，復合材料的LOI值提升了5%，殘炭率增加了85.6%。

　　二氧化硅氣凝膠是一種具有獨特三維網絡狀結構的材料，其孔隙率高達99％，是目前***輕的固體材料，具有低熱導率、高孔隙率、介電常數低、吸聲性能好等特點，并具備優異的阻燃性能，高溫下不分解、不燃燒，無有害氣體放出，是符合***防火要求的綠色環保型保溫材料。氣凝膠常被摻入其他基材中，如玻璃纖維或其他輕質材料，用以提高材料性能。例如，Jie等通過在聚氨酯泡沫中加入P/CU雜化二氧化硅氣凝膠來提高材料的隔熱和阻燃性能，當摻入5wt%氣凝膠時，復合泡沫的總熱釋放、峰值熱釋放速率都顯著降低，同時，含氣凝膠復合泡沫表面有一種特殊分級多孔結構，與純聚氨酯泡沫相比，該結構具有更低的導熱率和更優異的阻燃性能。因此，將氣凝膠和EPS復合有望制備出綜合性能優良的聚苯乙烯保溫材料。

　　本研究先確定EPS/PF復合材料中PF的添加量，然后在復合材料中摻入氣凝膠粉末，制備氣凝膠/EPS復合阻燃材料，并對氣凝膠/EPS復合阻燃材料的保溫與阻燃性能進行研究。

　　1、試驗部分

　　1.1原料

　　1.2儀器與設備

　　1.3試樣制備

　　2、結果與討論

　　2.1酚醛樹脂用量對EPS/PF復合材料性能的影響

　　制備阻燃EPS復合材料前要確定酚醛樹脂的用量，如果酚醛樹脂用量過少，會導致其包覆能力有限，對EPS/PF復合材料性能影響有限，如果酚醛樹脂用量過多，則會造成酚醛樹脂的浪費，且使EPS/PF復合材料性能受到一定影響。本試驗中酚醛樹脂的質量分數添加量為50wt%、60wt%、70wt%、80wt%、90wt%、100wt%，制備EPS/PF復合材料并進行測試，結果如圖2所示。

　　由圖2可知，PF的添加量由0wt%增加至100wt%時，EPS/PF復合材料的抗壓強度增大。隨著PF添加量的增多，EPS/PF復合材料極限氧指數增大，阻燃性能得到提高。當PF的添加量由0wt%增加至90wt%時，阻燃性能增長迅速；當PF的添加量由90wt%增加至100wt%時，阻燃性能增長緩慢。因此，確定PF的添加量為90wt%，EPS/PF復合材料的阻燃性能及力學性能相對較好。數據表明，用PF包覆在EPS顆粒外層，能提高材料的阻燃性能。這是因為在高溫下，EPS顆粒表面的PF交聯固化，形成高碳泡沫結構，成為***的熱絕緣體，從而提高材料的阻燃性能，同時降低EPS材料燃燒放出的有毒氣體。

　　2.2氣凝膠的添加量對氣凝膠/EPS復合材料性能的影響

　　氣凝膠的添加量分別為5wt%、10wt%、15wt%、20wt%、25wt%、30wt%，制備氣凝膠/EPS復合材料并進行測試，結果如圖3所示。

　　由圖3可知，隨著氣凝膠粉末摻量的增加，氣凝膠/EPS復合材料的導熱系數先有一定幅度的降低，隨后呈逐步增大趨勢，當氣凝膠粉末摻量在20wt%時，氣凝膠/EPS復合材料的導熱系數***低。由于氣凝膠粉末的導熱系數在0.019~0.020W(m·K)之間，小于EPS板導熱系數，因此添加氣凝膠粉末的氣凝膠/EPS復合材料的導熱系數呈下降趨勢。當氣凝膠粉末摻入量大于20wt%時，氣凝膠/EPS復合材料的機械強度和對氣凝膠粉末的粘接性能有所下降，使得氣凝膠/EPS復合材料燃燒時，氧氣和熱量更容易進入EPS基體，因此氣凝膠/EPS復合材料的導熱系數又出現上升。

　　2.3氣凝膠粉末粒級對氣凝膠/EPS復合材料性能的影響

　　通過篩分破碎得到1.18~1mm、1~0.88mm、0.88~0.7mm、0.7~0.55mm、0.55~0.425mm、0.425~0.3mm、0.3~0.18mm七種不同顆粒大小的氣凝膠粉末，以此為原料制備氣凝膠/EPS復合材料并進行測試，復合材料中氣凝膠含量為20wt%，結果如圖5所示。

　　由圖5可知，氣凝膠粉末的粒級越細，導熱系數越低，極限氧指數值越大。隨著氣凝膠粉末的粒級由1.18~1mm降低至0.3~0.18mm時，氣凝膠/EPS復合材料的導熱系數下降到極限，此后不再降低，極限氧指數有一定程度升高。這是由于粗粒級氣凝膠粉末固體體積較大，PF對其包覆分散不均勻，珠粒間的粘接作用力降低，導致了氣凝膠/EPS復合材料的導熱系數較高。而細粒級氣凝膠粉末固體體積較小，PF對其包覆分散程度較高，珠粒間的成型粘接作用力較強，導致了氣凝膠/EPS復合材料的導熱系數較低，保溫性能較好。

　　2.4不同導熱系數氣凝膠粉末對氣凝膠/EPS復合材料性能的影響

　　通過篩選得到0.018~0.020W/（m·K）、0.020~0.022W/（m·K）、0.022~0.024W/（m·K）、0.024~0.026W/（m·K）四種不同導熱系數的氣凝膠原材料，以此為原料制備氣凝膠/EPS復合材料并進行測試，復合材料中氣凝膠粉末含量為20wt%，顆粒大小為0.3~0.18mm。結果如圖6所示。

　　由圖6可知，氣凝膠粉末的導熱系數0.018~0.026W/（m·K）區間內，導熱系數越小，氣凝膠/EPS復合材料導熱系數越小，極限氧指數幾乎不變。這說明改變摻入氣凝膠/EPS復合材料粉末的導熱系數，對氣凝膠/EPS復合材料的保溫性能有一定影響。

　　通過一系列條件試驗，***終確定制備氣凝膠/EPS復合材料的***佳條件如下：氣凝膠粉末的添加量為20wt%，氣凝膠粒級為0.3~0.18mm，選用導熱系數在0.018~0.020W/（m·K）的氣凝膠粉末。

　　2.5氣凝膠/EPS復合材料TG分析

　　由圖7可知，純EPS在200~300℃溫度區間分解，300℃時EPS達到***大分解溫度，EPS內部的分子鏈斷裂，小分子聚合物近乎完全揮發。300℃后EPS質量基本不發生變化，殘碳量僅剩0.5%。

　　3、結論

　　1）通過摻入氣凝膠粉末，氣凝膠/EPS復合材料的阻燃性能和保溫性能得到了進一步提升，當氣凝膠粉末的摻入量為20wt%時，氣凝膠/EPS復合材料的極限氧指數為38.6.%，導熱系數為0.0319W/（m·K），垂直燃燒等級達到v-0級。

　　2）氣凝膠粉末的添加量為20wt%，氣凝膠粒級為0.3~0.18mm，選用導熱系數在0.018~0.020W/（m·K）的氣凝膠粉末，樣品的綜合性能***好。

　　3）由試驗結果可知，氣凝膠粉末可以完全覆蓋在EPS珠粒表面，氣凝膠粉末通過自身的低密度、高比表面積隔絕氧氣與熱量進入EPS基體，同時，氣凝膠材料自身無窮多的納米孔洞也起到了氣凝膠/EPS復合材料隔絕氧氣和熱量的作用。氣凝膠材料有效提高了氣凝膠/EPS復合材料的保溫和阻燃性能。

　　4）TG測試結果表明，氣凝膠材料可以提高材料的熱穩定性，且復合材料的殘炭率得到了明顯提升。

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