聚苯乙烯泡沫塑料保温材料的研究进展

2021-04-27汤劲松

合成树脂及塑料 2021年2期

汤劲松，曾桢

（江西科技学院，江西南昌 330098）

保温材料在各行各业中广泛应用，尤其是高分子保温材料的飞速发展，促进了保温材料行业及相关行业的发展。随着我国经济的发展，环境问题日益严重。近年来，国家倡导绿色建筑、健康住宅、建筑节能，因此，在室内设计时考虑建筑节能是一种必然趋势。外墙、屋面等作为建筑的维护结构，是主要的热能传递路径，将保温材料用于室内设计中，可以节约能量，从而达到节能的目的。近年来，我国建筑行业中保温材料应用比例大幅提升［1］。建筑中常用的保温材料包括岩棉板、泡沫玻璃板等不可燃的A类保温材料以及聚苯乙烯泡沫板、挤塑板、酚醛树脂泡沫板等B类有机保温材料。高分子保温材料主要包括硬质聚氨酯泡沫塑料［2-7］、聚苯乙烯泡沫塑料［8-10］、酚醛树脂泡沫塑料［11-13］和相变保温材料［14-15］。其中，聚苯乙烯泡沫塑料质轻、保温性好、造价低、操作简便，且具有优异的耐老化、耐化学药品腐蚀、耐热和耐寒等优异性能，机械强度高，韧性好，极大简化了建筑施工过程，降低了施工难度，被广泛应用于保温节能工程［16-19］。本文结合保温材料的研究现状分析了现阶段保温材料的具体应用，并详细阐述了其实际应用过程中的优越性能。

1 常用保温材料的研究现状

我国自2001年开始出台了一系列相关政策，大力倡导保温节能材料的应用，保温材料行业不断发展［1］。保温材料的保温性能研究包括耐火性能、导热性能、吸水性能。

1.1 耐火性能

耐火性能为保温材料可否使用的标准之一。目前，常用的高分子保温材料有酚醛树脂泡沫塑料、硬质聚氨酯泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料三种。其中，酚醛树脂泡沫塑料耐烧蚀性能最好，燃烧时具有较低的发烟量和化学毒性，在建筑领域应用广泛；硬质聚氨酯泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料的极限氧指数均较低，约为17.0%，较易燃烧，因此，在建筑工程中应用时需要对其进行阻燃改性［20］。

1.2 导热率

导热率是衡量保温材料保温性能的重要指标，材料的导热率越低，保温性能越好。导热率与保温材料的容重和强度密切相关，容重、强度、导热率三者对保温材料的保温性能起到相互制约的作用。与无机材料相比，泡沫塑料的导热率更低。如泡沫陶瓷的导热率约为0.080 W/（m·K），酚醛树脂泡沫塑料的导热率低于0.035 W/（m·K），聚苯乙烯泡沫塑料的导热率低于0.040 W/（m·K）［21］。

1.3 吸水性能

保温材料的吸水性能对其保温性能影响较大，吸水率为吸水性能的指标，当材料吸水率较大时，水分子填充了材料内部的孔隙，导致材料密度增大，进而使材料的导热率增大，导热性能增强，保温性能下降［22］。与无机材料相比，泡沫塑料的吸水率较小，如无机保温砂浆的吸水率高于20.0%，而酚醛树脂泡沫塑料的吸水率低于1.0%。

2 聚苯乙烯泡沫塑料保温材料的研究现状

2.1 聚苯乙烯泡沫塑料的优势

从表1可以看出：大部分无机保温材料导热率为0.15～0.20 W/（m·K），矿棉的导热率稍低，为0.05 W/（m·K）；聚苯乙烯泡沫塑料的导热率低于0.04 W/（m·K），且蓄热系数也较低，为0.40 W/（m·K），说明聚苯乙烯泡沫塑料具有较好的保温性能。另外，常见的无机保温材料密度较高，混凝土类保温材料的密度甚至高达600.00 g/cm3；而聚苯乙烯泡沫塑料的密度低，为50.00 g/cm3。除此之外，聚苯乙烯泡沫塑料还具有优异的化学稳定性、较低的生产成本等优点，是一种综合性能较为优异的保温材料。在实际使用中，以聚苯乙烯为原料制成的保温板，凭借其质轻、保温性能好、保湿性好［水蒸气透过系数小于4.5 g/（m2·24 h）］的优势，在保温行业应用广泛［23-24］。

表1 常用保温材料的导热率、蓄热系数及密度Tab.1 Coefficient of heat conductivity，heat storage coefficient，and density of commonly used thermal insulation materials

2.2 聚苯乙烯泡沫塑料的耐火性能

聚苯乙烯泡沫塑料属于高分子保温材料，其燃烧性能不符合现行保温材料的要求，故需要对其耐火性能进行改性。目前，常用的改性方法为在聚苯乙烯泡沫塑料中添加阻燃剂或者进行阻燃处理，以增强聚苯乙烯泡沫塑料的阻燃性能，从而加强其耐火性能。

制备聚苯乙烯泡沫塑料时，加入阻燃剂的研究较为广泛，研究的重点在于加入阻燃剂势必会影响原料的热稳定性以及聚合度，所以选择合适的阻燃剂以及合理的制备方法很重要。Howell等［25］在五苯基阻燃剂中加入二氧杂环磷制备了热稳定性良好的新型无卤阻燃剂。这种阻燃剂受热分解会产生可以使苯乙烯聚合的自由基，从而抑制聚苯乙烯的受热分解，提高了聚苯乙烯的稳定性。李玉玲等［26］制备了阻燃效果较好的磷酸三酯阻燃剂，将其加入到聚苯乙烯基体后发现，聚苯乙烯的极限氧指数由18.0%提高到22.6%，且遇火收缩现象明显改善，燃烧速率降低51.7%，残炭量提高了85.0%。德国BASF公司采用膨胀石墨、红磷等阻燃剂制备了阻燃等级较高的发泡阻燃材料。结果表明，当膨胀石墨质量分数为15%，红磷质量分数为5%时，改性聚苯乙烯的燃烧等级可达到GB 8624—2012中规定的B1～B2级［27］。高岩［28］制备了一种双组分的阻燃胶，将其添加到聚苯乙烯基体中。当A组分和B组分阻燃胶的质量分数分别为65.0%，2.5%时，聚苯乙烯的阻燃性能得到了明显提升。利用酒精喷灯对其进行灼烧实验时发现，700～1 000 ℃下灼烧30 s，未发生明显燃烧。甄影［29］以膨胀石墨作为阻燃剂对聚苯乙烯进行阻燃改性。结果表明，当膨胀石墨质量分数为20%时，所制阻燃型聚苯乙烯在离火5.86 s后发生自熄。曾尤等［30］利用十溴联苯醚/三氧化二锑与膨胀石墨制成协同阻燃剂，制备了一种阻燃型聚苯乙烯。当阻燃剂含量增大时，聚苯乙烯离火自熄时间随之降低。膨胀石墨具有片层结构，受热后膨胀，可以将有机阻燃剂十溴联苯醚/三氧化二锑燃烧所产生的气体封闭在基体内，利用协同作用有效提高了阻燃性能。当十溴联苯醚、三氧化二锑和膨胀石墨的质量分数分别为11.25%，3.75%，11.00%时，聚苯乙烯离火后1.3 s便发生自熄。改性聚苯乙烯的离火自熄时间一般为1.0～5.0 s，协同阻燃剂的改性效果更为优异。另外，添加阻燃剂后一般不会对其导热率造成明显影响，改性聚苯乙烯的导热率一般为0.020～0.030 W/（m·K），因此，阻燃改性后的聚苯乙烯是一种理想的建筑用保温材料。

2.3 聚苯乙烯泡沫塑料的保温性能

当材料的吸水率增大时，其导热率增大，保温性能降低。聚苯乙烯泡沫塑料板保湿性良好，吸水率较低，故具有良好的保温性能［31］。苏云辉等［32］将聚苯乙烯泡沫塑料应用于房屋的保温层中，与传统砖结构房屋相比，使用了聚苯乙烯泡沫塑料的屋面、外墙、外窗和外门的节能限值分别降低了89.2%，72.6%，12.0%，1.2%；采暖季房屋的耗煤量降低了75.11 kg/m2。周莹［33］将聚苯乙烯泡沫塑料应用到日光温室的墙体中。与传统土夯墙体相比，在白天，晴天和阴天情况下，采用聚苯乙烯泡沫塑料墙体的温室温度分别降低1.6 ，3.2 ℃；雨天和雪天情况下，温室温度分别降低0.5，0.6 ℃；夜间，晴天和阴天情况下，采用聚苯乙烯泡沫塑料墙体的温室温度分别降低0.6，0.4 ℃；雨天时温室温度降低0.1 ℃，雪天时升高0.2 ℃。这说明聚苯乙烯泡沫塑料的保温效果与土夯墙体差别不大。

3 聚苯乙烯泡沫塑料保温材料的应用研究

在室内设计中，以聚苯乙烯泡沫塑料为原料制成的保温材料，多被应用于墙体内保温系统、墙体外保温系统以及屋面工程中。

3.1 在墙体内保温中的应用

外墙内保温的施工工艺为：首先在室内墙体的内表面刷界面剂，后进行水泥砂浆找平；然后进行保温隔热层的施工；最后进行外墙装饰层的施工。采用聚苯乙烯泡沫塑料支撑的板材对墙体内保温施工时，以板材为基础在其内表面进行保温隔热工程施工。在墙体内保温应用时具有操作方便、节省时间的优点；但会产生“热桥”现象，影响保温材料的使用年限和保温效果。为了解决这个问题，在砂浆中加入保温材料颗粒进行涂抹式保温施工，取得了一定效果。张双喜等［34］将聚苯乙烯泡沫塑料智能门窗用于建筑外墙，通过与真空玻璃门窗对比研究发现，聚苯乙烯泡沫塑料门窗的导热率低于1.1 W/（m·K），而真空玻璃门窗的导热率为2.5～3.5 W/（m·K），说明聚苯乙烯泡沫塑料门窗的保温性能更好，达到GB/T 8484—2008中10级保温效果。孙春荣［35］利用聚苯乙烯泡沫塑料颗粒制备了一种外墙保温板，该保温板具有较低的导热率，抗拉强度可提高到0.3 MPa以上，极限氧指数超过30.0%。

3.2 在墙体外保温中的应用

墙体的外保温构造解决了“热桥”问题，对外墙墙体起到一定的保护作用，应用广泛。采用聚苯乙烯泡沫塑料制成的保温板在墙体外保温上的应用主要有三种方式，即机械固定式、“夹心墙”式、一次浇筑成型式［36-37］。机械固定式保温构造中，聚苯乙烯泡沫塑料板在混凝土墙体和外墙的装饰面层中间，采用机械固定的方式将三者连接，常用的连接方式有栓式连接、铁丝网固定两种［38］。“夹心墙”式保温构造的特点是在砌筑墙体施工过程中，将聚苯乙烯泡沫塑料保温板置于墙体内部作为墙体的一部分进行砌筑，有效发挥了保温板的保温性能且保温板的损耗较小。一次浇筑成型式，是在混凝土墙体浇筑过程中，将保温板与混凝土融为一体，作为混凝土墙的一部分，充分发挥保温板的保温性能，节省施工时间。刘向伟等［39］研究了不同聚苯乙烯保温材料以及外墙保温层厚度的保温效果。结果表明，聚苯乙烯泡沫塑料的保温效果好于挤塑聚苯乙烯保温板；另外，最佳的保温层厚度为0.08～0.13 m，采暖期耗电量会大幅下降，相应的污染物排放也会大幅降低。其中，二氧化碳和二氧化硫的排放量可降低75.8%～78.6%。

3.3 在屋面保温中的应用

常用的屋面保温材料有水泥珍珠岩、聚苯乙烯泡沫塑料保温板等。水泥珍珠岩的密度为400 kg/m3，聚苯乙烯泡沫塑料的密度约为水泥珍珠岩密度的1/10，当采用质轻的聚苯乙烯泡沫塑料保温板作为屋面保温材料时，可以降低屋面荷载。水泥珍珠岩的导热率为0.087 W/（m·K），聚苯乙烯泡沫塑料的导热率为0.035 W/（m·K），因此聚苯乙烯泡沫塑料保温板的保温性能较水泥珍珠岩好。当保温效果相同时，聚苯乙烯泡沫塑料保温板所需要的厚度较水泥珍珠岩小30 mm，因此，屋面保温材料中聚苯乙烯泡沫塑料保温板的优势较大，应用广泛。聚苯乙烯泡沫塑料保温板在屋面保温工程中有正置式和倒置式两种方式［40］。正置式是在施工中，首先在屋面结构上铺设保温板；然后进行找坡、找平、铺设保护层；最后进行防水处理，铺设面层。王海涛等［41］将聚苯乙烯泡沫塑料和挤塑聚苯乙烯保温板应用到湖北省长沙市低温粮仓的屋顶中，这两种保温材料有效提高了低温粮仓的保温效果，降低了粮仓的耗电量。最优屋顶厚度为0.106～0.183 m。王海涛等还发现，由于聚苯乙烯泡沫塑料的导热率更低，因此其保温效果优于挤塑聚苯乙烯保温板。