泡沫塑料保温材料的研究进展

商 灿，刘秀生，刘兰轩，丁路遥

（武汉材料保护研究所，湖北 武汉430030）

0 前言

泡沫塑料自问世以来，由于具有诸多优异的性能在化工生产、房屋建筑等众多领域得到广泛的应用［1］。它的热传递主要是传导传递，辐射传递很小。它的热导率主要取决于气泡内部气体的热导率，在低温条件下，其热导率进一步降低，因此，它是一类隔热性能优异的保温材料［2］。

目前应用比较多的泡沫塑料保温材料主要有聚氨酯、聚苯乙烯、酚醛泡沫塑料等。随着保温材料使用的迅速发展，传统泡沫塑料保温产品已不能满足社会和工业需求。近年来保温材料不断升级，新型泡沫塑料保温材料应运而生，泡沫塑料保温材料的组成体系日益完善，性能更优异。

1 聚氨酯泡沫塑料保温材料

20世纪中期，德国首先成功研制聚氨酯泡沫塑料。采用廉价的石油化工产品环氧丙烷等作为多元醇的原料，大大降低了聚醚和聚酯的生产成本，使聚氨酯泡沫塑料获得了飞速发展。聚氨酯泡沫塑料一般可分为硬质泡沫塑料、软质泡沫塑料、半硬质泡沫塑料等，其中聚氨酯硬泡材料以其卓越的保温隔热性能，自20世纪90年代以来大量用于冰箱、管道、冷库、建筑屋面等保温材料，在提高人民生活水平、节能保温等方面发挥着重要作用［3］。

目前硬质聚氨酯泡沫塑料仍然是固体材料中隔热性能最好的保温材料之一。该材料是保温、防水材料，应用在屋顶和墙体上可代替传统的防水层和保温层，具有一材双用之功效：（1）聚氨酯硬泡体的导热系数低于0.024W／（m·K），远远优于传统的保温材料。由于硬泡体喷涂聚氨酯与一般墙体材料的黏结强度高，是一种天然的胶黏材料，能形成连续的保温层。厚度1cm的聚氨酯硬泡相当于厚度30cm的砖墙的保温效果。（2）其连续致密的表皮和近乎100%的高强度互联闭孔蜂窝，具有理想的不透水性和良好的水蒸气渗透阻。采用现场直接喷涂技术可以形成无接缝的连续防水层，在异形屋面施工中较其他防水材料优势更明显［4-5］。

欧、美等发达国家60%的硬质聚氨酯泡沫塑料作为节能材料用在建筑上，而我国60%以上用于冰箱、冰柜的隔热保温［6］。近年来我国逐步推广应用于房屋建设中，以其轻质、绝热、防水等优异性能，代替了传统的隔热、保温、防水方法，特别适合于现浇混凝土坡屋面，为现浇混凝土坡屋面保温、防水、节能提供了一条可靠的施工方法［7-8］。

我国现大力提倡节能环保，研究开发耐热环保型聚氨酯泡沫塑料保温材料将是亟待解决的课题。新型臭氧层潜耗值（ODP）为零的聚氨酯泡沫塑料发泡剂的研究开发和聚氨酯泡沫塑料的阻燃改性是当前研究的重点方向。

1.1 环保型发泡剂的研发

聚氨酯泡沫塑料保温材料使用氯氟烃化合物类（CFCs）发泡剂，因其对大气中臭氧层具有破坏作用，43国协议在2010年前已全面禁止使用［9-10］，因而寻找环保型发泡剂成为全球热门研究课题。目前国内外研究的ODP为零的发泡剂主要有氢氟烃（HFC）、液态CO2、戊烷系列及氟代醚类化合物等［9-11］。2004年，Modesti［12-13］提出了衡量环境友好的聚氨酯泡沫塑料用氢氟烃（HFCs）发泡剂的扩散系数的新方法。新的HFCs发泡剂的扩散系数与传统的氢氟氯烃（HCFCs）的扩散系数相近，从而为HFCs替代HCFCs提供了理论依据。Modesti进一步指出：使用HFCs发泡的与HCFCs发泡的聚氨酯泡沫塑料相比，具有类似的初始热导率及更优异的抗老化性能。周春雨等［14］开发的天然高分子复合的发泡剂，它是一种以水为基的含OH-离子的几种高分子原料组合，通过一定的比例混合搅拌的一种高分子复合物。该产品完全无氟，以它为发泡剂，与其它各种复配材料所生产的聚氨酯硬质塑料的保温性能、表观密度、吸水率等物理性能指标基本达到含氟产品的水平。另外，液态CO2的ODP等于零，成本低，发泡效率高，科研人员致力于液态CO2替代CFCs，目标是单独使用CO2作为发泡剂。液态CO2是一种极具前途的发泡剂［15］。

1.2 阻燃改性研究

由于聚氨酯泡沫塑料燃烧产烟量大、烟气毒性强、产品很难达到消防安全要求，使其应用受到了一定限制。在欧、美、日等发达国家其生产和应用比例已呈下降趋势［16］。国内外对泡沫塑料保温材料的阻燃性给予了极大的关注，聚氨酯泡沫塑料的耐热、阻燃、防火等问题已成为迫切需要解决的重要课题。目前改善聚氨酯泡沫材料阻燃性的途径主要是使用阻燃剂，其中有添加型阻燃剂和反应型阻燃剂两种。

（1）添加型阻燃剂主要分有机和无机两类：有机阻燃剂又分为卤系、磷系和氮系三大类；无机阻燃剂主要包括锑系、铝系、磷系等。常用的有机阻燃剂主要有三（2-氯乙基）磷酸酯（TCEP）、甲基磷酸二甲酯（DMMP）、三聚氰胺等。有机磷系阻燃剂的一个重要发展方向就是膨胀型阻燃剂。它以磷、氮为主要成分，不含卤素，也不采用氧化锑作协效剂，是实现阻燃剂无卤化的有效途径之一。它是一类高效低毒的环保型阻燃剂。近年来膨胀石墨被广泛应用。目前国内外研究和应用较多的新型无机阻燃剂主要是氢氧化镁、氢氧化铝、五氧化二锑等［17-19］。

（2）反应型阻燃剂作为一种反应成分参与反应，以多元醇为主，如二乙二醇双（2-氯乙基）磷酸酯、三（聚氧化烯烃）磷酸酯、三（聚氧化烯烃）亚磷酸酯等。目前常用的方法是在大分子结构中引入碳、氮六节环异氰脲酸酯基团［18-20］。航天飞机外燃料箱所用的聚异氰脲酸酯硬泡塑料，其耐温等级达180℃，且在高温下具有良好的绝热性能，可用作长距离输送液体管道的保温材料。该泡沫塑料短时间能经受500℃高温。耐高温聚氨酯泡沫塑料保温材料采用新型碳官能有机硅为原料，是一种有机硅、聚氨酯共改性的硬质聚异氰脲酸酯泡沫保温材料。普通的硬质聚氨酯泡沫材料使用温度的上限为130℃，硬质聚异氰脲酸酯泡沫材料耐温可达180℃，且在高温下具有良好的绝热性能［21］。

2 聚苯乙烯泡沫塑料保温材料

聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）是目前使用最普遍的保温隔热材料之一。它具有质轻、吸水性小、保温隔热性能良好、吸声良好、价格低廉等优点，可制成建筑和冷库用保温隔热泡沫塑料板和泡沫塑料夹心复合板［22-23］。由于聚苯乙烯泡沫板及其复合材料价格低廉、绝热性能好而成为外墙绝热及饰面系统的首选绝热材料［24］。

真空聚苯乙烯泡沫材料一直是EPS泡沫塑料的研究方向之一。它是将气相泡沫塑料抽真空并密封，真空泡体的热传导能力显著降低。与传统聚苯乙烯发泡材料相比，真空聚苯乙烯泡沫塑料具有以下优点：（1）真空聚苯乙烯泡沫塑料用于制冷保温节能效果明显，并随使用温度降低，保温节能效果更好。（2）真空聚苯乙烯泡沫塑料孔内不存在水蒸气，不会出现结冰现象而降低保温效果。（3）真空聚苯乙烯泡沫塑料包装材料价格低廉，经济效益显著。（4）真空聚苯乙烯保温材料的节能效果与真空度和占孔有关。提高真空度应在不影响材料强度的情况下，尽可能多加孔［24-26］。

近年来节能、环保问题引起人们越来越多关注。EPS作为一种隔热保温材料，在建筑材料领域内占有一席之地，广泛用于道路、桥梁、涵洞等一系列土木工程。它可以通过减少冷热区域之间的热流从而防止能源损耗，充分显示其节能方面的优势［27-28］，而且EPS易于溶解、粉碎，可以回收利用，降低了对环境的污染。EPS的回用技术已经成为保温材料的发展热点之一［28-30］。将废弃EPS加工成粒径为0.5～4.0mm的颗粒作为轻骨料，配制的保温砂浆可有效克服珍珠岩保温砂浆吸水率大、抗裂性差等缺陷，且保温隔热性更好［31］。

EPS与聚氨酯泡沫塑料相似，使用温度低、易燃性及燃烧时释放大量烟雾等缺点限制了其作为保温材料的应用范围。赋予EPS一定的阻燃性，是解决此问题的关键。EPS的阻燃方式有多种，添加阻燃剂是最常用且便捷的方法。常用的阻燃剂包括卤系阻燃剂、磷系阻燃剂、无机阻燃剂（石墨阻燃剂）以及阻燃增效剂等［32］。另外，随着科技的进步，更多的阻燃体系，如膨胀成炭体系、聚合物／无机纳米复合体系、聚苯乙烯树脂的阻燃改性等都有望应用于EPS阻燃，为EPS的使用带来更大的安全保障［33-34］。

3 酚醛泡沫塑料保温材料

酚醛泡沫塑料是一种新兴的保温绝热材料，也是目前泡沫塑料保温材料中发展最快的品种。与早期占市场主导地位的聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料等材料相比，酚醛泡沫塑料具有耐燃性好、发烟量低、无毒、高温性能稳定及易成型加工等特点，是仪表、建筑、石油化工等行业较为理想的绝缘隔热保温材料，因而受到人们的关注［35］。酚醛泡沫塑料与常用泡沫塑料保温材料的性能比较，如表1所示［36-37］。

表1 泡沫塑料保温材料的性能比较

酚醛泡沫塑料在发达国家发展迅速，消费量日益增加，应用范围不断扩大。美国建筑行业所用的隔音保温泡沫塑料中，酚醛泡沫塑料已占40%；日本已成立酚醛泡沫塑料普及协会，以推广使用这种新材料［38-39］。我国从20世纪90年代开始对酚醛泡沫塑料进行研究，也获得了不错的成果。目前国内酚醛泡沫塑料的低温连续发泡生产技术已达到世界先进水平，已基本具备从树脂合成技术到低温连续发泡生产线及各环节的生产技术。酚醛树脂生产技术和连续发泡技术荣获国家建筑材料科技进步二等奖［37，40］。

目前酚醛泡沫塑料主要的缺陷是脆性大、粉化程度高、易变形、导热系数受密度的影响较大。一般可以通过共混改性及添加各种填料来改善。酚醛树脂与其它材料共混改性，可以制备性能极其优良的复合保温材料。如以密度小于50kg／m3的泡沫玻璃为填料的玻璃酚醛泡沫塑料的极限抗压强度为16MPa，使用年限可超过25年［41］。B.Vongdara［42］以木材中虫胶为填充物，考察酚醛泡沫塑料的强度等性能的变化。当虫胶的质量分数为20%时，酚醛泡沫塑料的断裂强度有较大的提高，并降低了其吸水性。囤宏志等［43］以戊二醛为改性剂加入到酚醛树脂中，再与其他助剂复合发泡制成酚醛泡沫塑料。通过在酚醛泡沫塑料的分子结构中引入长碳链的戊二醛，从而改善酚醛泡沫材料脆性大、易粉化等缺点，提高了韧性。雅达建筑新材料（上海）有限公司通过对酚醛泡沫塑料改性，生产的酚醛板具有保温性能好、吸水率低、防火性能优异、发烟量低等特点，解决了传统酚醛泡沫塑料韧性差、易掉渣、吸水率高等缺点，同时在很高的温度和机械负荷条件下，其变形和蠕变很小，保证了产品结构的整体性和尺寸的稳定性［44］。

酚醛泡沫塑料因其特有的性能，在国民经济各领域逐步得到广泛应用。但是，科学技术的发展对其提出更高的要求。为了不断改进和提高酚醛泡沫塑料的性能，对其工艺优化改进及配方的不断探索，必将成为保温泡沫塑料研究的热点和前沿。

4 其他泡沫塑料保温材料

4.1 聚乙烯泡沫塑料保温材料

聚乙烯泡沫塑料具有热导率低、吸湿和透湿性小、抗腐蚀和吸收冲击性好等特点，可用于建筑物、冷藏汽车、冷藏火车的保温隔热材料。它主要有模压发泡和挤出发泡等生产工艺，又分非交联和交联两种。聚乙烯泡沫塑料的最高使用温度为80℃，经交联的聚乙烯泡沫塑料最高使用温度可达到100 ℃左右［24］。

当前聚乙烯泡沫塑料的研究也是以轻质复合材料的开发为主。采用聚乙烯为轻骨料，结合硅酸盐水泥等材料，可以制备质轻、导热系数小、吸水性低、抗冻融性好和膨胀系数较大的轻型水泥泡沫保温材料，可以满足冷库和一般建筑的保温隔热需要［45］。聚乙烯还具有优良的加工性能，可配合其他高分子弹性体制成模塑复合泡沫塑料材料，以改善聚乙烯泡沫塑料的柔韧性，通过二次加工制成更具个性化的产品，拥有更广阔的使用领域［24］。

由于聚乙烯泡沫塑料自身防火性能较差，需添加大量的阻燃剂，使其各项物理性能大幅下降，而且使用温度较低，原料较贵，因此，其应用领域受到了一定限制［46］。

4.2 聚丙烯泡沫塑料保温材料

聚丙烯（PP）泡沫塑料作为一种新型环境友好型保温绝热材料引起了广泛的关注。它具有优良的耐热性（使用温度范围-20℃～150℃），优良的力学性能，良好的耐冲击性能和优良的耐化学腐蚀性，环境友好性，燃烧时无毒气放出，可自然光降解，易于回收等［22］。

Sentinel公司正在与Dow化学公司合作采用共挤出方法，制得密度为0.1～0.5g／cm3以及厚度为1.0～3.5mm的发泡PP片材。这些片材可用于食品和肉类包装、薄壳制品、各种器皿及汽车绝缘材料等用的内插件。Packaging Trays公司已经在旋转热成型机上热成型发泡PP片材，可在微波炉中安全使用［22］。

聚丙烯发泡技术的研究与其实际应用差距甚远。聚丙烯为结晶性聚合物，其发泡只能在结晶熔点附近进行，超过熔点熔体黏度迅速下降，使发泡成型非常困难。为了提高PP的熔体强度可采用共混改性发泡，在PP树脂中掺混其它塑料、橡胶或热塑性弹性体、填料等达到改善PP发泡性能的目的［47］。聚丙烯发泡材料备受人们的青睐，尤其是发泡片材在我国有着广泛的应用前景。

4.3 橡塑类泡沫塑料保温材料

以三元乙丙橡胶及丁腈橡胶泡沫保温材料为代表的橡塑类泡沫保温材料具有比较好的柔韧性和断裂伸长率，现场施工比较方便。如以高弹性的三元乙丙橡胶或丁腈橡胶、聚氯乙烯和干燥剂、阻燃剂、交连剂等其它填料发泡制得一种新型闭泡橡塑保温材料。与传统的隔热材料相比，该材料具有独特的高保温节能效果。但其抗压强度较差，表面容易老化龟裂及燃烧产烟量大、毒性高、气味浓等，限制了其使用领域［48］。

5 展望

随着科学技术的进步，泡沫塑料保温材料在国民经济各个领域使用广泛，对其性能要求也越来越高。今后研究重点是：选择更合适的环保型发泡剂，改进材料的阻燃性能，提高材料的憎水性和降低材料的生产成本等［49］。此外，开发新型泡沫塑料保温材料也是研究的主要方向。

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