改性纳米石墨对纳塑保温板导热系数影响的研究

马道贞 王延明 乔 林

（1.中国建筑科学研究院防火所，北京 100000；

2.山东创伟外墙保温材料集团有限公司，山东 济南 250000）

我国外墙保温材料行业的发展历程就是行业产品的技术发展方向变化史。上世纪末，主流产品是珍珠岩、岩棉、玻璃棉等保温材料；到本世纪前10 年，主流产品变为挤塑板、聚氨酯等有机保温材料。但随着75%节能标准及GB 50016-2014《建筑设计防火规范》的颁布实施，国家对于建筑节能及防火的要求双重提高。在此背景下，传统外墙保温材料系统面临诸多问题，已经正式进入淘汰期。隔离式纳塑保温系列产品的出现有效解决了传统保温材料防火和节能两者不能兼顾的问题，同时基于工厂化预制和自身产品性能优势也解决了传统外墙保温系统结构安全性差的问题。如何通过改性手段获得更低导热的纳塑保温板对于产品保温性能的提升具有重要意义。

1 改性纳米石墨对纳塑保温板导热系数的影响

纳米石墨粒子由于具有独特的表面效应、体积效应、量子尺寸效应等特性，有利于提高共混体系的热流动性和组分间的分散程度。特别在有二氧化碳发泡剂参与发泡过程中，可使相结构转变为海-岛结构。根据经典成核理论，二氧化碳趋向于在能垒较低的相界面区域聚集，发泡泄压时连续相结构体系中连续的相界面区为聚集二氧化碳提供了一个扩散逃逸的通道，将导致没有足够的二氧化碳来实现泡孔长大。海-岛结构相界面区域为相互孤立，可以存留更多空间的实现二氧化碳泡孔生长。因此，纳米石墨的添加可显著改善了二氧化碳流体的发泡能力，对二氧化碳流体发泡技术起到促进和改善的作用。另一方面，纳米石墨粒子作为“遮光剂”，可降低低辐射传热，从而也是降低保温板导热系数的重要手段。但是，纳米石墨表面只有少量的羟基，因此与有机聚合物的相容性较差，对于改善保温板导热系数的作用并不明显，如图1 所示。

图1 中，试验将纳米石墨按照纳塑母料重量的4%、8%、12%、16%和20%掺入，以氟利昂/二氧化碳混合发泡剂发泡，其中二氧化碳重量占比75%，其余工艺不变，研究纳米石墨对纳塑保温板导热系数的影响。试验结果表明，在不同掺量下，纳米石墨对保温板导热系数影响较小，上下波动幅度小于0.001 W/(m·K)。

选择钛酸酯偶联剂对纳米石墨表面进行改性处理，钛酸酯的长碳键烷烃基比较柔软，能在纳米石墨表面进行弯曲缠结。而钛酸酯分子末端的羟基、氨基、环氧基和含双键的基团可以与有机物进行化学反应而结合在一起，从而提高了纳米石墨与聚合物的相容性。

将钛酸酯偶联剂按一定比例溶解于异丙醇，再与纳米石墨混合并充分搅拌。将改性后的纳米石墨于85℃常压干燥5h，而后升温至120℃真空干燥5h，即获得改性的纳米石墨。将改性的纳米石墨按照图3.6 相同的试验方法进行，研究改性纳米石墨对保温板导热系数的影响，如图2 所示。

由图2 可以看出，掺入经过钛酸酯偶联剂表面改性的纳米石墨对保温板导热系数影响较大，保温板导热系数随着改性纳米石墨的掺入量增加呈现先降低后升高的趋势，当改性纳米石墨的掺入量为12%时，保温板的导热系数最低，达到0.017W/(m·K)。

2 结语

未经改性的纳米石墨对保温板对纳塑保温板导热系数影响较小，上下波动幅度小于0.001 W/(m·K)；经过钛酸酯偶联剂表面改性的纳米石墨对纳塑保温板导热系数影响较大，其导热系数随着改性纳米石墨的掺入量增加呈现先降低后升高的趋势，当改性纳米石墨的掺入量为12%时，保温板的导热系数最低，达到0.017W/(m·K)。