EPS阻燃研究进展

2021-03-30彭月飞朱行坤

建材与装饰 2021年23期

彭月飞，朱行坤

（1.四川恒增装配式建筑科技有限公司，四川绵阳 621704；2.大连理工大学精细化工国家重点实验室，辽宁大连 116023）

0 引言

随着国内经济的快速发展，能源消耗与日俱增，据统计，国内单位面积建筑能耗是相近气候发达国家的3~5倍[1]，建筑节能技术应用发展滞后。为了应对日益严峻的能源危机，国家大力鼓励发展建筑节能技术，助力国家可持续发展战略。目前国内建筑保温材料主要有两大类[2]：第一类是有机聚合物发泡材料，第二类是无机保温材料。其中有机聚合物发泡材料以高分子聚合物为基材，辅以发泡剂、阻燃剂等助剂。有机类中的EPS兼具耐候性好和价廉等优势，因而得到广泛应用。

聚苯乙烯的极限氧指数只有18%左右，而EPS多孔结构也会加速其燃烧，且EPS燃烧过程会生成大量的热和烟，严重危害人们生命财产安全。为了降低EPS的燃烧性能，提高其安全性，需要对其进行阻燃改性，提高其不燃等级。EPS的阻燃改性需要考虑改性工艺和阻燃剂的添加种类，在提升不燃等级的同时保证保温性能。

1 阻燃改性工艺

EPS的阻燃改性工艺主要分为分子聚合、聚合共混、包覆、浸渍和涂层，其中分子聚合和聚合共混是在苯乙烯聚合阶段进行阻燃改性，包覆改性是指对发泡后的聚苯乙烯颗粒进行包覆阻燃改性，而浸渍改性和涂层改性均针对于已经成型的EPS板。

1.1 分子聚合改性

分子聚合改性是在苯乙烯聚合阶段加入具有可参与聚合反应基团的反应型阻燃剂，通过聚合反应将阻燃元素引入聚苯乙烯的主链或支链，达到本体阻燃的目的。常用的反应型阻燃有乙烯基含磷单体、丙烯酸五溴苄酯、五溴氯环己烷（FR-5）和双（2，3-二溴丙基）反丁烯二酸酯（FR-2）等。吴健夫等[3]将FR-5和FR-2分别作为聚苯乙烯的反应型阻燃剂，对比了两种阻燃剂的阻燃效果，结果表明FR-5的阻燃性能优于FR-2，但FR-2比FR-5更易获得。

分子聚合改性阻燃在分子水平上将阻燃元素引入，阻燃剂分布均匀、阻燃效率高且阻燃体系稳定，但可选择的阻燃剂范围小，成本高，不易推广。

1.2 聚合共混改性

聚合共混改性是在苯乙烯聚合阶段加入阻燃剂，阻燃剂可以均匀分布在聚苯乙烯内部，提高阻燃剂的利用率，从而提升其阻燃效率。常用的聚合共混改性阻燃剂主要是机磷酸酯阻燃剂，BASF公司[4]将膨胀石墨与磷酸酯等磷系阻燃剂复配代替HBCD，提升阻燃等级的同时改善聚苯乙烯的保温性能。

聚合共混改性阻燃阻燃剂分布均匀，阻燃效率高，是目前EPS阻燃改性的主流。但阻燃剂选择范围小，添加量较低，否则会影响苯乙烯的聚合和发泡，因此对阻燃性能的提升有限。

1.3 包覆改性

包覆改性是针对发泡后的EPS颗粒，通过胶结材料的粘连将阻燃剂包覆在EPS颗粒的表面，从而提升其阻燃性能。常用胶结材料有酚醛树脂、聚氨酯、水泥和硅溶胶等，ZHANG S等[5]以乙二醇改性的三聚氰胺—甲醛（EMF）树脂为胶结材料，将该胶结材料微胶囊化改性聚磷酸铵（MCAPP），以其为阻燃剂对EPS颗粒进行包覆改性。当MCAPP为43%时，EPS的极限氧指数提升至31.4%，燃烧过程的热释放和烟释放显著降低，安全性能明显提升，同时材料的耐水性和抗冲击强度得到提升。

相比于在聚合阶段进行阻燃改性，对发泡后的阻燃剂选择范围广，添加量可调范围大，有望达到更高的阻燃级别。但阻燃剂只在EPS颗粒的表面，阻燃剂分布不均匀，阻燃效率低，为了达到预期的阻燃级别，往往需要较大的添加量。

1.4 浸渍改性

浸渍改性是指通过加压或者真空等方式将防火浆液渗入EPS板的孔隙中，从而提升EPS阻燃性能。S.Hamdani-Devarennes等[6]将勃姆石和聚乙烯醇组成的阻燃浸渍液通过常压渗透的方式进入EPS板，纳米勃姆石可以提高炭层强度，从而提升材料的燃烧等级。

与包覆改性相比，浸渍改性不会影响EPS颗粒之间的粘连，因此降低对材料的力学性能影响。但由于渗透需求，阻燃剂颗粒的粒度要求要更小，且浸渍改性的浸渍量不易控制。

1.5 涂层改性

与浸渍改性类似，涂层改性同样是针对EPS板。通过在成型后的EPS板表面涂敷防火层，提升材料的阻燃性能。WANG Y C等[7]通过溶胶—凝胶法成功在EPS板表面涂敷硅粉基薄膜，材料的引燃时间得到显著延长，极限氧指数由21.2%提升至38.5%，阻燃性能明显提升。

涂层改性只作用于EPS板表面，对EPS板的力学性能几乎无影响，涂层脱落或者受到破坏即会失去对EPS板的保护作用，易失效。

2 阻燃剂

阻燃EPS常用的阻燃剂主要由卤系阻燃剂、磷系阻燃剂、膨胀阻燃剂和金属氢氧化物阻燃剂等。其中卤系阻燃剂因阻燃效率高，跟EPS相容性好等优势曾被广泛应用，然而因在其生产过程中会产生大量有机污染物，对环境尤其是水资源污染严重，并且其燃烧过程中会产生强致癌物二噁英等有害物质，因而遭到禁用[8]。

2.1 磷系阻燃剂

磷系阻燃剂主要包含有机磷、无机磷酸盐和红磷等。ZHU Z M等[9]通过溶胶—凝胶法对硅烷（NTMS）进行磷酸化改性，得到全新的有机磷类阻燃剂P（NTMS-PA），并将其通过包覆改性工艺引入EPS中，结果表明，57wt%的P（NTMS-PA）添加量可以将EPS的极限氧指数提升至31%，显著提升其阻燃性能。磷系阻燃剂以凝聚相阻燃机理为主，通过分解产生磷酸，磷酸与-OH可以发生酯化作用形成保护炭层，由于PS本身不含有-OH，因此磷系阻燃剂单独使用时对PS阻燃并不高效。

2.2 膨胀阻燃剂

为了提升磷系阻燃剂的阻燃效率，往往将其与炭源（多-OH有机物）复配使用，提升体系的成炭作用，并加入三聚氰胺等气源作为炭层的发泡剂，使炭层膨胀从而提升其隔离作用，由此构成化学膨胀阻燃剂（IFR）。CAO B等[10]将三聚氰胺改性的脲醛树脂（MUF）作为IFR的胶结材料和阻燃协效剂对EPS进行包覆改性，当MUF和IFR的添加比例为3:4，且总的添加量为58wt%时，EPS的极限氧指数由18%提升至36%，且燃烧过程的热释放和生烟量显著降低，材料安全性能大幅提升。燃烧过程中，IFR与MUF协效可形成完整的中空炭层，隔离保护基体。孙铭等[11]以聚氨酯为胶结材料，膨胀石墨为阻燃剂对EPS进行包覆改性，可以将材料的阻燃等级提升至B1级，同时可满足建筑节能65%的要求。

2.3 金属氢氧化物阻燃剂

金属氢氧化物阻燃剂主要包括氢氧化铝和氢氧化镁等，其主要通过分解吸热来延缓聚合物的降解和产生水蒸汽稀释气相可燃物浓度，同时生成的氧化物可以作为隔离层保护基体，从而降低聚合物的燃烧性能。惠飞等[12]以水泥作为胶结材料，氢氧化镁作为阻燃剂对EPS进行包覆改性，氢氧化镁的吸热作用可以显著降低材料的热值，从而成功制备A2级EPS板。由于金属氢氧化物阻燃剂的阻燃效率较低，需要较大的添加量才能达到预期的阻燃等级，这往往会增加EPS板的密度同时降低材料的保温性能。