建筑保溫中阻燃型材料的應(yīng)用研究

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摘要：敘述了阻燃型聚氨酯在建筑保溫中的應(yīng)用。采用一步合成法研究不同配方對材料導熱、阻燃的影響。提出了一種改進型聚氨酯保溫材料，其導熱系數(shù)、吸水率、氧指數(shù)均有較明顯改善，滿足建筑用保溫材料的需求。

關(guān)鍵詞：聚氨酯；保溫材料；阻燃性

目前常用的建筑保溫材料主要分為有機材料和無機材料兩大類，有機材料包括膨脹聚苯板、擠塑聚苯板、酚醛、發(fā)泡聚苯乙烯等，無機材料包括發(fā)泡陶瓷、發(fā)泡水泥、巖棉和玻璃棉等。但是這些傳統(tǒng)的保溫材料都各自具有各自的不足，比如有機保溫材料普遍存在使用壽命短、遇水溶解且容易脫落的缺點；無機保溫材料也存在著保溫性能差、易吸水且生產(chǎn)能耗大的問題[1-2]。受能源和環(huán)境保護的要求，我國政府已強制實施了建筑節(jié)能規(guī)范和標準，目前要求城市建筑總能耗要降低65%，而實現(xiàn)這一目標，必須采用隔熱性能最好的保溫材料。

1聚氨酯保溫材料

聚氨酯是一種新興的有機高分子材料，被譽為“第五大塑料”，因其卓越的性能而被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟眾多領(lǐng)域,涉及輕工、化工、電子、建筑、建材、汽車、國防、航天、航空等[3-5]。聚氨酯作為建筑保溫材料具有導熱系數(shù)低、保溫性能好、防潮、防水、耐老化、耐溫、不熔化等特性，同時，具有容重輕、可減少制成品的自重量等優(yōu)點，所以在歐美國家建筑保溫材料用聚氨酯硬泡占總消費量的比例達65%以上，而我國用于建筑節(jié)能的聚氨酯硬泡比例不足10%，具有極大的發(fā)展、應(yīng)用空間。聚氨酯可作為建筑物的屋頂、墻體、天花板等部位保溫材料，經(jīng)過改性的聚氨酯材料阻燃性能得到很大提高，將是建筑節(jié)能首選保溫材料。聚氨酯作為高聚物，不可避免的有易燃的缺點。聚氨酯的易燃性主要源于泡沫材料自身的低密度和多孔性，致使基體與火焰、空氣接觸面積充分，容易造成材料本身熱降解速度快和質(zhì)量損失大等結(jié)果[9]。聚氨酯的氧指數(shù)只有19%左右，而空氣中O2的含量為21%，也就是說聚氨酯材料在空氣中點燃即可劇烈燃燒。并且聚氨酯材料由于結(jié)構(gòu)中含有的C-H支鏈較多，極易傳播火焰，在燃燒時還會產(chǎn)生大量有毒煙霧，所以研究聚氨酯硬質(zhì)泡沫的阻燃迫在眉睫[10]。聚氨酯泡沫實現(xiàn)阻燃主要通過兩種方式：添加阻燃劑阻燃和結(jié)構(gòu)型阻燃。添加阻燃劑阻燃主要是在材料中引入或者加入元素周期表中第V族的氧、磷、銻、鉍等的化合物，第Ⅶ族的鹵系化合物和第Ⅲ族的硼、鋁的化合物[11-12],包括鹵系、磷系、氮系和無機阻燃劑,不過大多鹵系阻燃劑會降低材料的力學性能、熱穩(wěn)定性差。結(jié)構(gòu)型阻燃技術(shù)通過對聚氨酯材料的結(jié)構(gòu)改性，遇火燃燒時材料表面上形成致密碳化層，有效阻止火焰的繼續(xù)蔓延。本文從建筑用材的適用性出發(fā)，合成一種低成本高阻燃性能的聚氨酯保溫材料。

2材料的制備

2.1實驗原料

多異氰酸酯、聚醚多元醇、含磷聚醚多元醇、苯酚類多元醇、水、物理發(fā)泡劑HCFC-141b、叔胺催化劑、二月桂酸二丁基錫、有機硅泡沫穩(wěn)定劑、硅微粉、BHT類抗氧化劑、含磷阻燃劑（DMMP）、氫氧化鋁。

2.2實驗儀器

鼓風干燥箱、可變速電動攪拌機、電子秤、常規(guī)塑料量杯。

2.3材料制備

實驗采用“一步合成”法進行材料的制備，步驟如下：（1）白料制備：材料按照表1所示比例稱量加入到塑料量杯中，將攪拌機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至300r/min~800r/min，然后將量杯中的混合液在攪拌機下攪拌均勻。（2）預熱：將制備好的白料、黑料（多亞甲基多苯基多異氰酸酯-PAPI）在鼓風干燥中預熱0.5h~3h，然后將量杯中的混合液在攪拌機下重復攪拌1min。（3）將攪拌機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至500r/min~1500r/min，然后將預熱后的黑白料混合后攪拌，攪拌時間≤1分鐘。（4）將混合后的液體倒入模具中常溫發(fā)泡。

2.4性能測試及要求

導熱系數(shù)按GB/T3399—1982《塑料導熱系數(shù)試驗方法護熱平板法》進行測試；吸水率按GB/T8810—2005《硬質(zhì)泡沫塑料吸水率的測定》進行測試；密度為樣品質(zhì)量和樣品體積的商，測5次，取平均值。氧指數(shù)按GB/T2406.2—2009《塑料用氧指數(shù)法測定燃燒行為》進行測試。（1）導熱系數(shù)是聚氨酯材料在建筑保溫材料中應(yīng)用的重要指標，導熱系數(shù)越小，材料的絕熱性能越好。按照阻燃型聚氨酯保溫板物理機械性能指標QB/T3806要求，聚氨酯保溫板在30℃下的導熱系數(shù)應(yīng)≤0.024W/m•K。（2）吸水率是表示材料在正常大氣壓下吸水程度的物理量，用百分率來表示。聚氨酯保溫材料由于閉孔率高，因此吸水率較低。如果吸水率高，不僅影響保溫效果，也會降低材料的使用壽命，從而影響工程質(zhì)量。（3）聚氨酯的密度也是材料性能的一項重要指標，產(chǎn)品密度相對較大，隔音抗震的效果也相對較大，不過密度也不能過大，這會造成造價、運輸方面的成本增加，并且也會增加墻體承重，所以阻燃型聚氨酯保溫板的密度一般要求在35kg/m3~55kg/m3之間。（4）極限氧指數(shù)(LOI)的測量是指材料在只有N2和O2存在下，材料剛好能夠燃燒時O2占總氣體的體積分數(shù)，LOI可以直觀地體現(xiàn)材料的燃燒性能。一般認為LOI<22%的材料屬于易燃材料，LOI在22%~27%的材料屬于可燃材料，LOI>27%屬于難燃材料。傳統(tǒng)的聚氨酯的LOI在19%左右，國標GB8624要求建筑類聚氨酯保溫板的LOI應(yīng)達到B級(B1級一般指材料的LOI≥30%；B2級≥26%)。

3結(jié)果分析

3.1導熱系數(shù)

由圖1可以看出，在白料中以單組分變量0.2%的份額改變有機硅泡沫穩(wěn)定劑的用量，使得樣品的導熱系數(shù)逐漸減小，分析主要是由于樣品中泡孔的閉孔率增加，使得樣品氣體含量增大的緣故。但穩(wěn)定劑含量增加至2.0%后導熱系數(shù)明顯增大，分析是由于樣本品內(nèi)泡孔閉孔收縮造成。

3.2吸水率

作為建筑保溫材料一般將材料用于室外，因此監(jiān)測樣品的吸水率是材料性能分析的一大重點。從圖2樣品吸水率檢測中可以看出，材料的吸水率均較好，在千分之一左右。聚氨酯材料具有如此低的吸水率主要是由于在材料合成時形成密閉泡孔阻止外部水分的侵入。同時實驗在材料合成中加入硅微粉作為一種輔助勻泡劑，進一步使得材料泡孔均勻，且增強了樣品的尺寸穩(wěn)定性。

3.3密度

實驗是通過有機、無機催化劑雙重控制發(fā)泡反應(yīng)的進度，但為提高樣品的阻燃能力，材料中逐漸增加的穩(wěn)定劑、阻燃劑使得樣品密度發(fā)生了變化圖3，但均在要求范圍內(nèi)，實驗還可進一步通過改變白料中催化劑的用量調(diào)節(jié)樣品密度。

3.4氧指數(shù)

由圖4可以看出，實驗設(shè)計的加入具有阻燃性能含磷聚醚多元醇、苯酚類多元醇作為反應(yīng)物，同時加入含磷阻燃劑（DMMP）、氫氧化鋁，使得樣品氧指數(shù)均有明顯的提升，其中樣品3、樣品4和樣品6達到建筑類聚氨酯保溫板的B級要求。

4結(jié)論

綜上試樣結(jié)果分析，在較低的導熱系數(shù)時樣品的吸水率較低，但會影響到樣品的密度；在樣品達到較理想的氧指數(shù)時材料的吸水率較高。通過對比不同配方聚氨酯具有阻燃性能的材料，樣品4其導熱系數(shù)、吸水率、氧指數(shù)均有較明顯改善，滿足建筑用保溫材料的需求。一步合成法的制備工藝簡單、便捷，適合于建筑工程實施。

參考文獻

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作者：魯文娟 單位：陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院