建筑绝热用石墨改性挤塑聚苯乙烯泡沫板的应用及标准解读

金福锦，郝雨楠∗，焦红文，赵宏宇

（1.建筑材料工业技术监督研究中心，北京 100024；2.中国塑料加工工业协会XPS专业委员会，北京 100021；3.北京奥克森节能环保科技有限公司，北京 102446）

0 前言

挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板（以下简称为XPS板）是一种有机高分子保温材料，高闭孔率的蜂窝状结构使其具有较低的吸水率和热导率、较好的压缩强度，较其他绝热保温材料具有一定优势[1]。XPS板自从20世纪90年代末进入我国后，因城镇化进程不断加快，各地新建建筑面积持续增长以及老旧小区改造需求的增加等，在我国的市场占有率迅速攀升，2010年占建筑保温材料的市场份额就已超过20%[2]。随着我国对能源问题的日益重视，对建筑节能的进一步控制，越来越多的新材料、新工艺被引入建筑保温领域，冲击着XPS板的市场。XPS板所用材料本身易燃，必须添加阻燃剂提升燃烧性能。目前可使用的阻燃剂价格较高，成本占XPS板总成本的比例较大，近几年受行业低价竞争的影响，出现了阻燃性较差的低品质产品，极大地影响了XPS板的应用和推广，也影响了整个行业的产品口碑。加上XPS板在外墙外保温工程中应用时，受制于施工质量影响，频发安全事故，多地陆续出台政策限制使用，进一步压缩了XPS板的市场。

为了提升产品质量、寻求市场突破，研究机构及生产企业对XPS进行改性研究，发现添加石墨可有效降低产品的热导率、提升燃烧性能。石墨是黑色鳞片状结构的碳质元素结晶矿物，具有良好的化学稳定性和优异的红外线反射性，可以改善材料的辐射传热性能。模塑聚苯乙烯泡沫塑料（以下简称EPS板）通过添加石墨，成功提升了燃烧性能，改性产品——石墨改性模塑聚苯乙烯泡沫塑料板（以下简称GEPS板）的热导率降低到0.033 W/（m·K），燃烧等级可达到GB 8624《建筑材料及制品燃烧性能分级》的B1级。XPS板经石墨改性，改性产品——石墨改性挤塑聚苯乙烯泡沫板（以下简称GXPS板）的导热系数可达0.024 W/（m·K），燃烧等级在B2级以上，在相同建筑保温要求条件下，可降低保温层厚度，北方地区的应用效果显著。

笔者作为GB/T 10801.2—2002《绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）》国家标准的起草人，一直关注着XPS及相关产品及行业的发展状况，为了体现GXPS板区别于普通XPS板的特点，于2016年提出建材行业标准《建筑绝热用石墨改性挤塑聚苯乙烯泡沫板（GXPS）》的立项申请，并于2020年底完成报批。本文结合该标准的制定过程，介绍了GXPS板的主要性能及应用方向，分析探讨了该产品当前面临的问题，希望为后续研究及相关标准的制定提供参考。

1 标准概况

1.1 立项背景

2015年左右，GXPS板出现在国内市场上，但产品质量不稳定，生产企业较少。当时正在修订的GB/T 10801.2出于上述原因，在新版标准中并没有明确提出GXPS的概念。建筑材料工业技术监督研究中心根据当时的行业状况，联合中国塑料加工协会XPS专委会、中国建材检验认证集团股份有限公司共同组织行业领先企业北京奥克森节能环保科技有限公司、北鹏建材集团股份有限公司、广州孚达保温隔热材料有限公司、新乡市英姿建材有限公司等17家单位共同编制了建材行业标准《建筑绝热用石墨改性挤塑聚苯乙烯泡沫板（GXPS）》（2017-1259T-JC），该标准已于2021年7月由工信部报批公示，标准号为JC/T 2627-2021。

1.2 标准范围及分类

标准立项后，经编制组讨论决定，标准的范围与分类将有别于以往产品标准，从实际应用角度出发进行分类，据此确定各分类的应用范围及需要满足的性能指标。标准按制品形态分为泡沫板和保温模板两大类。保温模板是以泡沫板为芯材，水泥基材料为面层的预制构件，作为免拆模板应用于现浇混凝土结构工程中。泡沫板的压缩强度和XPS板一样，优于EPS板等其他有机类建筑绝热材料，本标准根据不同应用场景，按压缩强度对产品进行了分类，其中Ⅰ类（200 kPa≤p<300 kPa）适用于大部分应用场景、Ⅱ类（300 kPa≤p<450 kPa）主要针对车库地面等需要一定承载力的部位、Ⅲ类（p≥450 kPa）针对厂房地面等需较大承载力的部位。GB/T 10801.2—2018中的压缩强度范围为150～900 kPa，由于泡沫板密度基本高于28 kg/m3，对应的压缩强度不会低于200 kPa，所以标准中并不涉及200 kPa以下的分类。

1.3 试验验证情况

在制定过程中，共收集14家企业的20多组样品进行了全项性能试验。中国建材检验认证集团有限公司承担了本次试验验证工作。样品采用的发泡剂种类包括氟类发泡剂、CO2发泡剂及其混合类发泡剂。下面将基于标准制定过程中的试验验证结果，对2类GXPS板的主要性能进行介绍。

2 主要性能要求

2.1 泡沫板主要性能

2.1.1 表观密度

表观密度可反映企业生产过程中的质量控制情况。目前施工现场材料的进场验收，受制于试验条件有限，物理力学性能检测较为困难，表观密度成为主要验收的性能之一，在GB 50411《建筑节能工程施工质量验收标准》中，要求表观密度应符合相关标准的规定。现行相关标准中均无该指标要求，因为表观密度通常不作为衡量XPS板质量的一个指标。在产品出厂时，往往仅需在供需双方协商决定的可接受范围内即可。上述情况导致企业在工程项目验收时，表观密度无标准可依，无法判定是否合格，产生了扯皮推诿等情况，影响项目的正常验收，对产品的推广应用产生了阻碍。本标准根据这一情况，增加了该指标要求，考虑供需双方协商给出的是一个范围，无法据此合理确定密度偏差，故沿用供需双方协商确定的方法，要求在出厂时进行检验。如此，既给项目验收提供了依据，也符合生产销售的实际情况。企业给出的表观密度与实测值对比情况见表1。

表1 表观密度出厂范围与实测结果对比Tab.1 Text results of apparent density

2.1.2 尺寸稳定性

尺寸稳定性是绝热材料重要的表征性能。GB/T 10801.2中要求XPS板长、宽、厚3个方向结果的平均值应不大于1.5%。试验验证中，发现相同试验条件下，GXPS板的尺寸稳定性更好，长、宽、厚3个方向测试结果绝对值的平均值均未大于1.5%，试验结果如表2所示。故本标准进一步加严要求，对长、宽、厚3个方向分别进行测量和计算，结果取3块试样长、宽、厚各个方向测量结果绝对值的平均值。

表2 尺寸稳定性试验结果Tab.2 Text results of dimensional stability

2.1.3 热导率

热导率是绝热材料的核心性能。GB/T 10801.2中对热导率的要求如表3所示。GXPS板由于石墨的添加，有效阻隔了热传递中的辐射传热，降低了热导率，在目前常用的建筑绝热材料中，是具有较高性价比和较好保温隔热效果的一类产品。标准参考GB/T 10801.2的试验方法，对平均温度10℃和25℃条件下相同样品的热导率进行了多次测试，以观察随陈放时间的延长热导率的变化，从而确定热导率的指标值和试验前应陈放的时间。

表3 XPS板的热导率要求Tab.3 Requirements of thermal conductivity of XPS

试验时，考虑到氟系发泡剂产品即将淘汰，企业新旧发泡剂替换，产品配方和生产工艺调试优化中，为观察发泡剂更换对产品品质的影响，试验前还对样品使用的发泡剂种类进行了标注。

试验结果显示，平均温度为10℃的热导率最低可达0.019 W/（m·K），但如果使用CO2发泡，热导率则较高达到0.028 W/（m·K），有一组混合类发泡的样品甚至可达0.034 W/（m·K）。平均温度为25℃的样品的热导率最低可达0.023 W/（m·K），同样受发泡剂的影响，最高达到0.037 W/（m·K）。但总体而言，半数样品的热导率低于0.024 W/（m·K），其中也有使用CO2类发泡剂进行发泡产品。样品陈放时间和发泡剂种类，对热导率都有较大影响。热导率随发泡剂的持续挥发，自生产之日起至90天后，逐渐趋于稳定。故本标准要求热导率的测定要待样品陈放90天后进行。氟系发泡剂发泡的产品相比于CO2类发泡剂发泡产品的热导率要好且更加稳定，热导率平均低0.004～0.009 W/（m·K）。但也有采用CO2类发泡剂热导率较好的，说明生产企业工艺技术和工艺控制对产品的热导率也有影响。为了推动企业在氟系发泡剂彻底禁用前，深入研究新型发泡剂，提升采用新型发泡剂产品的性能，稳定生产工艺，充分发挥GXPS板在导热上的优势，标准在热导率指标值上与GB/T 10 801.2保持协调一致，确定热导率应不大于0.024 W/（m·K）。

2.1.4 断裂弯曲负荷

GB/T 30595—2014《挤塑聚苯板（XPS）薄抹灰外墙外保温系统材料》中要求XPS板的弯曲变形应不小于20 mm，用以保证XPS板在使用过程中受到外力时不会轻易断裂。但GB/T 10801.2中没有对XPS板的弯曲变形提出要求，GB/T 10801.1《绝热用模塑聚苯乙烯泡沫塑料》中对EPS板提出了该指标要求，并按产品密度的不同规定了弯曲变形和断裂弯曲负荷应满足的具体指标，具体见表4。本标准从实际应用和与现行标准协调一致的角度出发，参考GB/T 10801.1所规定的试验方法，对泡沫板进行了试验，并根据试验结果给出了泡沫板的具体指标要求，试验结果如表5所示。

表4 EPS板断裂弯曲负荷和弯曲变形Tab.4 Requirements of flexural properties of EPS

表5 断裂弯曲负荷试验结果Tab.5 Text results of breaking load

泡沫板的密度基本处在30～40 kg/m3的区间内，GB/T 10801.1中对该密度范围内的EPS板的弯曲变形要求为不大于20 mm，断裂弯曲负荷要求不大于35 N。GXPS泡沫板的断裂弯曲负荷基本大于120 N，达到GB/T 10801.1中对EPS板断裂弯曲负荷的最高要求。但GXPS泡沫板弯曲变形较小，基本远低于GB/T 30595规定的20 mm，说明该材料可承受较大负荷，但受材料性能影响弯曲变形量较小。从反应材料抗压性能的角度考虑，断裂弯曲负荷比弯曲变形更适合，所以标准将断裂弯曲负荷作为泡沫板的一项重要技术指标，要求应不低于120 N。

2.1.5 垂直于板面拉伸强度

GB/T 30595—2014中要求XPS板的垂直于板面的拉伸强度应≥0.20 MPa。本标准按GB/T 30595规定的试验方法对泡沫板进行了试验，试验结果见图1。试验的样品中，除一个样品的垂直于板面拉伸强度低于0.20 MPa，其余样品的垂直于表面拉伸强度都超过GB/T 30595—2014中规定的值，部分样品甚至可达到0.65 MPa，远超GB/T 30595规定的指标值，结果表明，泡沫板在拉伸性能上优于XPS板。

图1 垂直于表面拉伸强度试验结果Fig.1 Text results of tensile strength perpendicular to faces

2.2 保温模板性能介绍

2.2.1 拉伸粘接强度

GXPS保温模板是企业以泡沫板为芯材制作的一种预制构件。旨在配合我国目前大力推进的装配式建筑，以及解决外墙外保温应用过程中出现的绝热材料脱落问题。现行的JC/T 2493—2018《建筑用免拆复合保温模板》、JG/T 287—2013《保温装饰板外墙外保温系统》等标准中，对拉伸粘接强度的要求如表6所示。

表6 现行标准中拉伸粘接强度的技术要求Tab.6 Requirements of tensile strength

JC/T 2493根据保温芯材种类的不同，规定了不同的拉伸粘接强度，JG/T 287则根据保温装饰板密度的不同，规定了不同的拉伸粘接强度。本标准所规定的保温模板和JG/T 287中保温装饰板类似，故参考JG/T 287的试验方法进行试验。试验结果如表7所示。

表7 拉伸粘结强度试验结果Tab.7 Text results of tensile strength

可以看出，大部分样品的拉伸粘接强度都≥150 kPa，满足现行标准对XPS板的拉伸粘接强度的要求。样品11-3、14-2、15-2、16-2是目前市场上存在的一种“AB型”产品，产品芯材为泡沫板与岩棉板复合而成。AB型保温模板的拉伸粘接强度受到芯材中岩棉板性能的影响，所以拉伸粘接强度比单独用泡沫板作芯材的要低。标准在与现行标准协调一致，并能反应产品特性的基础上，将保温模板的拉伸粘接强度指标确定为应不小于100 kPa。

2.2.2 弯曲荷载

JG/T 287中要求弯曲荷载不应低于板的自重，JC/T 2493中要求不应低于2 000 N。标准参考JG/T 287的试验方法进行了试验。所有样品的弯曲荷载均大于2 000 N，甚至远超该指标值。弯曲荷载试验结果如图2所示。

图2 弯曲荷载试验结果Fig.2 Text results of bending load

2.2.3 热导率

标准对保温模板的热导率也进行了试验，结果如表8所示。考虑到当保温模板对其芯材的热导率进行检测时，会在剥离芯材的过程中被迫去掉芯材泡沫板的表皮，故试验时，对泡沫板进行了去皮处理，测试去掉表皮对热导率的影响。根据试验结果，保温模板芯材的热导率比同种泡沫板高0.002 W/（m·K）左右，故确定保温模板芯材热导率指标要求为≤0.026 W/（m·K）。

表8 保温模板芯材的热导率试验结果Tab.8 Text results of thermal conductivity of insulation formwork core material

2.3 燃烧性能

燃烧性能是各类建筑材料最重要的性能指标。聚苯乙烯泡沫塑料属于高分子材料，必须通过添加阻燃剂以使其具备一定耐火性能。随着新材料的出现，XPS板同业竞争的加剧，低价竞争导致阻燃剂添加不足，降低了XPS板的燃烧性能。石墨作为元素碳的同素异形体，碳元素稳定、性质不活泼，熔点为（3 850±50）℃，沸点为4 250℃，不易燃烧，在EPS板通过石墨改性，有效解决了耐火问题后[3]，XPS板也尝试通过石墨改性的方法提升燃烧性能。试验结果显示，石墨的添加对其燃烧性能的提升效果虽然没有GEPS板明显，但也将部分泡沫板产品的燃烧等级提升到了B1。

保温模板的燃烧性能优于泡沫板。保温模板在保证良好绝热保温性能的同时，由于采用预制的方式，将泡沫板夹在水泥基材料面层中间，避免了泡沫板直接接触高温或火源，进一步提升了燃烧等级。标准以制品最终应用状态进行试验时，保温模板的燃烧性能可达到在B1级以上。所以，本标准规定保温模板在进行燃烧性能试验时，应以制品最终应用状态进行，使试验结果更接近实际，避免由于试验方法与实际情况不符，产生一定的偏差。图3为泡沫板和保温模板燃烧性能试验结果。

图3 燃烧性能试验结果Fig.3 Text results of combustion performance

3 面临的问题

3.1 性能的稳定

GXPS板的的热导率较低，用于建筑保温有极大的优势。表9中给出了常见的几种绝热材料的热导率。其中，XPS板、GEPS板、岩棉板是建筑常用的绝热材料，真空绝热板和气凝胶也可用于建筑保温，但真空绝热板安装使用时打孔受限，气凝胶的价格较高，所以从保温隔热性能及性价比来看，GXPS泡沫板具备极大的推广优势。

表9 各种绝热材料的热导率Tab.9 Thermal conductivity of insulation materials

长期以来，企业采用氟系发泡剂生产XPS板，对该类发泡剂的性能和相关生产工艺的控制较好，所以采用氟系发泡剂生产的GXPS板的热导率也较好。但《蒙特利尔议定书》第19次缔约方大会通过了HCFCs加速淘汰调整案，我国政府已发布禁令，规定从2008年1月1日起全面禁止使用氯氟烃（CFCs）物质作为发泡剂，聚苯乙烯行业将在2025年底完全淘汰。CO2发泡剂作为新兴发泡剂类型，在实际应用中导致产品性能不稳定，目前许多科研机构和企业都在努力解决该问题，探索更多的方向。

3.2 阻燃剂的淘汰与替代

XPS板的成型温度较高，绝大多数阻燃剂会在高温中分解，失去应有的阻燃性，所以阻燃XPS板的生产难度比较大。目前，国内XPS板普遍使用六溴环十二烷（简称HBCD），GXPS板和XPS板生产工艺相同，也使用HBCD作阻燃剂。HBCD是一种多溴代白色固体物质，少量添加即可达到较好的阻燃效果，并且对材料本身物理性能影响较小[4]。我国于20世纪90年代开始生产HBCD，主要用作EPS板和XPS板的阻燃剂。目前，我国已经成为世界上HBCD的主要生产国，生产企业主要分布在山东、江苏、河北等地，年产量约18 kt。2009年至今，我国HBCD总产量累计超过200 kt。

HBCD作为一种添加型阻燃剂，在生产、使用和产品废弃过程中均易以渗溢等形式释放到周围环境中。且由于溴含量高，环境介质中的HBCD很容易进入并富集在生物体内，构成潜在的长期危害。因此，2013年5月，联合国发布《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》，要求HBCD在全球范围内禁用。2016年7月，第十二届全国人大常委会第二十一次会议审议批准了《〈关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约〉新增列六溴环十二烷修正案》，决定自2016年12月26日起禁止HBCD的生产、使用和进出口。用于建筑物保温材料XPS和EPS方面的阻燃剂的HBCD获得了5年豁免期，但也将于2021年12月25日终止。

目前，行业内可行的HBCD替代品有两种，分别是苯乙烯和丁二烯的溴化共聚物（Br-SBS）和甲基八溴醚（TBBPA-DBPE）。其中，Br-SBS分子量大，不具生物积累性，毒性较小，性能与HBCD相近，热稳定性较高与聚苯乙烯的相容性较好，对原使用HBCD的加工工艺影响很小。TBBPA-DBPE是溴系阻燃剂中的重要品种，广泛用作塑料、墙体保温材料阻燃剂。产品符合环保要求，具有极高的阻燃效率，可以在极小的用量下达到优良的阻燃效果，且无须添加其他辅助阻燃剂。相对传统的阻燃剂，TBBPA-DBPE具有较低的添加成本。但TBBPA-DBPE被美国环保署、欧盟REACH认证具有一定危险性，并被列入CORAP计划等待进一步评估，目前暂时可以使用。

4 结语

GXPS泡沫板的热导率低，可达0.024 W/（m·K），且尺寸稳定、断裂弯曲负荷和垂直于板面拉伸强度等性能优于其他保温材料。使用泡沫板制成的GXPS保温模板在拉伸粘接强度、弯曲荷载和燃烧性能上具备很大的优势。目前，国内XPS生产企业约700～1 000家，XPS生产线约1 800条左右，年生产量在800 kt左右，其中GXPS生产企业主要集中在山东和河北地区，约占XPS市场份额的10%。JC/T 2627—2021《建筑绝热用石墨改性挤塑聚苯乙烯泡沫板（GXPS）》标准的发布和实施，将进一步有助推产品的应用，有效改善企业生产无标准可依的现状，为GXPS板争取更多的市场份额。目前，GXPS板面临发泡剂和阻燃剂更换所致产品质量不稳定这一重大问题，但同时，也是企业的机遇，工艺控制更好、研发实力更强的企业将在这一阶段占据优势地位，获得更多的市场份额，也将倒逼其他企业乃至整个行业的技术提升。现有研究中，尚未有石墨对XPS、EPS等改性机理的相关研究，该类研究将对GXPS、GEPS产品质量的进一步提升起到重要作用。