纤维增强建筑复合保温发泡材料的制备及性能研究*

白翔宇，蔡韩英，张利伟

(1. 新乡学院 土木工程与建筑学院，河南 新乡 453003；2. 新乡职业技术学院 建筑工程系，河南 新乡 453006)

0 引 言

近年来，随着我国工业技术和建筑业的不断发展，能源问题已经逐渐成为了制约我国发展的主要矛盾，开发绿色能源和节能降耗已经成为了首要问题[1-2]。其中，建筑节能在节能降耗中占据着重要一环，目前我国建筑行业中多数工程都属于高能耗建筑，墙体的能耗又占了很大一部分，开发建筑行业的降耗材料是实现绿色能源和降耗的重要举措[3]。通常保温材料多用于建筑内外墙、保温层装饰板、保温砂浆以及保温水泥等，通过选择较低导热系数的保温发泡材料可以有效实现保温隔热的目的。发泡保温材料因具有良好的力学性能、质量轻、抗震隔音、密度较低和热导率较低等特点，成为了节能降耗、实现绿色环保理念的重点研究方向[4-5]。

传统的保温材料分为有机保温材料和无机保温材料两大类，无机保温材料主要有膨胀珍珠岩、玻璃棉、中空玻化微珠、岩棉、闭孔珍珠岩等，其导热系数一般在0.050 W/(m·K)以下[6-8]，有机保温材料主要有聚氨酯泡沫、聚苯板、酚醛泡沫等，有机保温材料具有重量轻、可加工性好、致密性高、保温隔热效果好等优点[9-10]，也是目前使用较多的保温材料，但是也具有不耐老化、变形系数大、稳定性差等缺点[11-13]，对于有机保温材料的改性目前主要是添加改性材料、采用特殊阻燃剂以及调整固化剂、发泡剂、表面活性剂的配比等来提高保温材料的耐热性能和韧性等实现的[14-15]。近年来，对于保温材料的改性研究也越来越多。王尘等利用有机硅憎水剂对珍珠岩进行憎水改性处理，并将改性后的珍珠岩分别与聚乙烯醇(PVA)、脲醛树脂(UF)以及三聚氰胺脲醛树脂(MUF)进行填充复配制得3种复合材料，对各项性能进行测试表征，结果表明，改性处理后的珍珠岩复合材料的阻燃性能有效增强，且表现出一定的协同效应，采用PVA的复合材料密度最低为185.8 kg/m3，导热系数最低为0.046 W/(m·K)，烟密度仅为10%，受热分解慢，而采用UF和MUF时其复合材料均表现出良好的阻燃特性，MUF复合材料氧指数达到了52.5%[16]。王恩洪等以可发性聚苯乙烯(EPS)为基材，以酚醛树脂(PF)为胶粘剂，以可膨胀石墨(EG)与聚磷酸铵(APP)为阻燃剂，采用包覆法制备了兼具无卤阻燃性能好和力学性能优的EPS外墙保温材料，并探究了制备EPS泡沫保温板的工艺，制得EPS/PFEPS/EG和EPS/PF/EG/APP复合材料，研究表明，使用PF作胶粘剂制得的EPS泡沫保温板压缩强度明显提高，极限氧指数(LOI)值达到28.0%，阻燃剂EG的加入，使得EPS板的阻燃性能、粘接性能及力学性能进一步提高，当EG为4质量份时，LOI值达到了29.5%，当APP含量为8份时，体系的粘接性能和压缩强度最好，EPS/PF/EG/APP复合材料的LOI值最高达到了33.0%[17]。

本文以酚醛树脂为基体，短切玻璃纤维为改性材料，制备出了不同纤维含量(0，3%，6%和9%)(质量分数)的纤维增强复合保温发泡材料。对复合保温发泡材料的力学性能、微观形貌和导热性能等进行了分析，力求获得综合性能最佳的纤维增强复合保温发泡材料。

1 实 验

1.1 实验原材料

短切玻璃纤维：长度约1～1.2 cm，购买于泰安浩华工程材料有限公司；苯酚：分析纯，购买于国药集团化学试剂有限公司；多聚甲醛：CAS：30525-89-4，分子量为30.03，工业级，购买于国药集团化学试剂有限公司；二甲基甲酰胺，购买于国药集团化学试剂有限公司；丙三醇(又名甘油)：分析纯，购买于国药集团化学试剂有限公司；苯酚磺酸：分析纯，购买于国药集团化学试剂有限公司；硅油：粘度为100 cs，购买于北京顶业工贸有限公司；吐温-80：CAS RN:9005-65-6，购买于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 样品制备

酚醛树脂的合成：选择苯酚和多聚甲醛为原料，按照摩尔比1∶1.5称取多聚甲醛、苯酚加入到三口烧瓶，随后加入与苯酚等质量的N-N 二甲基乙醇胺和质量为苯酚质量5%的甘油，将三口烧瓶在油浴锅中控制温度为65 ℃下混合搅拌30 min，然后在98 ℃下保持约2 h。待反应完成后用冷水浴将混合物冷却至60～70 ℃，加入苯酚质量5%的尿素来去除游离酚和游离甲醛，混合搅拌30 min后冷却至室温。

纤维改性：称取5份正戊烷为发泡剂，12份65%苯酚磺酸溶液作为固化剂，2份硅油为匀泡剂，称取7份表面活性剂吐温-80，不同含量的短切玻璃纤维(0，3%、6%和9%)(质量分数)和100份酚醛树脂，用搅拌器充分搅拌1 h后均匀混合，随后倒入75 ℃预热的模具中成型，在75 ℃下固化30 min即得纤维增强复合保温发泡材料，随后制备成测试样品以备测试。

1.3 样品的测试与表征

抗压强度的测试按照GB/T8813-1988《硬质泡沫塑料压缩试验方法》进行，采用电子万能试验机进行测试，试样尺寸为100 mm×100 mm×50 mm，加载速率给定为2 mm/min，每组样品测试10个，取平均值为测试结果；拉伸性能的测试按照GB/T9641-1988《硬质泡沫塑料拉伸性能试验方法》进行，试样尺寸为100 mm×100 mm×50 mm，给定加载速率为2 mm/min，每组样品测试10个，取平均值为测试结果；按照GBT8810-2005《硬质泡沫塑料吸水率的测定》进行制样，并对纤维增强复合保温发泡材料的吸水率进行测试，每组测试5个样品，随后取平均值作为测试结果；按照GB/T 12812-2006《硬质泡沫塑料易碎性的测定》对纤维增强复合保温发泡材料的易脆率进行分析，通过对发泡材料进行摩擦作用时计算质量的损失率，每组样品测试5次，取均值为最终结果；采用日本日立公司SU1510型扫描电镜(SEM)分析样品的微观形貌；导热系数的大小是评定复合保温发泡材料的保温性能的重要指标，导热系数越低对保温越好，采用导热系数测试仪，选择稳态平板法对复合保温发泡材料的导热系数进行测试。

2 结果与讨论

2.1 纤维增强复合保温发泡材料的力学性能分析

图1为纤维增强复合保温发泡材料的抗压强度和拉伸强度曲线。从图1可以看出，纤维增强复合保温发泡材料的抗压强度和拉伸强度均随着纤维含量的增加呈现出先升高后降低的趋势。当纤维的含量为6%(质量分数)时，复合保温发泡材料的抗压强度和拉伸强度均达到了最大值，分别为0.241和0.115 MPa，相比未掺杂纤维的保温发泡材料的抗压强度和拉伸强度分别上升了8.07%和47.4%；当纤维的含量继续增加，达到9%(质量分数)时，复合保温发泡材料的抗压强度和拉伸强度均出现了明显下降。

图1 纤维增强复合保温发泡材料的抗压强度和拉伸强度曲线Fig 1 Compressive strength and tensile strength curves of fiber reinforced composite thermal insulation foam material

2.2 纤维增强复合保温发泡材料的吸水率分析

图2为纤维增强复合保温发泡材料的吸水率测试曲线。从图2可以看出，复合保温发泡材料的吸水率随着纤维含量的增加呈现出先降低后升高的趋势，当纤维的含量为6%(质量分数)时，吸水率达到最小值27.9%。由图2可知，所有复合保温发泡材料的吸水率均小于35%，纤维增强复合保温发泡材料的吸水率较低，属于不易吸水材料。

图2 纤维增强复合保温发泡材料的吸水率分析Fig 2 Water absorption analysis of fiber reinforced composite thermal insulation foam material

2.3 纤维增强复合保温发泡材料的易脆率分析

用易脆率来评价纤维增强复合保温发泡材料受到摩擦时质量损失的多少，也间接反映了材料的韧性。图3为纤维增强复合保温发泡材料的易脆率测试曲线。从图3可以看出，未掺杂纤维的复合保温发泡材料的易脆率最大为19.8%，随着纤维含量的增加，复合保温发泡材料的易脆率逐渐降低，当纤维的含量为9%(质量分数)时，复合保温发泡材料的易脆率最低为10.2%，说明掺入纤维后复合保温发泡材料的易脆率得到了改善，且随着纤维含量的增加，复合保温发泡材料的韧性越强，这是因为掺入的纤维可以均匀地分布在复合保温发泡材料的基体中，对基体产生强大的“连接”效果，并起到支柱作用，从而使基体分子结合更加紧密，降低了气孔率，也改善了韧性。从图3曲线可以看出，纤维含量为3%～6%(质量分数)的复合保温发泡材料的易脆率改善幅度明显大于纤维含量为6%～9%(质量分数)的复合保温发泡材料，可知当纤维掺量达到一定值时，复合保温发泡材料的韧性改善幅度明显减慢，这是因为纤维含量达到一定程度后，会导致部分的泡孔破裂，虽然整体依旧会改善韧性，降低易脆率，但改善幅度就会减弱。综合来看，当纤维含量为6%(质量分数)时，易脆率改善的性价比最好。

图3 纤维增强复合保温发泡材料的易脆率测试Fig 3 Brittleness test of fiber-reinforced composite thermal insulation foam material

2.4 纤维增强复合保温发泡材料的SEM分析

图4为纤维增强复合保温发泡材料的SEM图。从图4(a)可以看出，未掺杂纤维的复合保温发泡材料的气孔较多且直径较大约为500～650 μm。从图4(b)和(c)可以看出，随着纤维的掺入，复合保温发泡材料的气孔尺寸明显变小，气孔均匀地分布在基体中且数量较少，当纤维的含量为6%(质量分数)时，气孔尺寸最小约300 μm。从图4(d)可以看出，当纤维的含量增加到9%(质量分数)时，复合保温发泡材料的气孔数量有增多的趋势，且尺寸分布不均匀，有较大气孔出现。这是因为掺入适量纤维后，对发泡的气孔增长有阻碍作用，纤维均匀分布在基体中，使复合保温发泡材料的整体致密性增加，且纤维在复合保温发泡材料中产生了较强的连接作用，但当纤维含量大于一定值后，过多纤维会导致部分的泡孔破裂，导致支柱效果减弱，使局部的气泡孔径增大。综上可知，纤维的含量为6%(质量分数)时，效果最佳。

图4 纤维增强复合保温发泡材料的SEM图Fig 4 SEM images of fiber reinforced composite thermal insulation foam material

2.5 纤维增强复合保温发泡材料的导热性分析

图5为纤维增强复合保温发泡材料的导热系数分析曲线。从图5可以看出，掺入纤维后，复合保温发泡材料的导热系数均出现降低，随着纤维含量的增加，复合保温发泡材料的导热系数呈现出先降低后升高的趋势。未掺杂纤维的复合保温发泡材料的导热系数为0.037 W/(m·K)，当纤维的含量为6%(质量分数)时，复合保温发泡材料的导热系数达到了最低值为0.033 W/(m·K)，相比未掺杂的材料，导热系数降低了10.81%；当纤维的含量达到9%时，复合保温发泡材料的导热系数上升至0.036 W/(m·K)，这也与之前的SEM分析相吻合，当纤维的含量达到一定值后，继续增加纤维会导致复合保温发泡材料的气孔破裂，纤维对整体的支柱效果减弱，从而导致复合保温发泡材料的导热系数出现上升[18]。综上来看，当纤维的含量为6%(质量分数)时，纤维增强复合保温发泡材料的综合性能最佳。

图5 纤维增强复合保温发泡材料的导热系数分析Fig 5 Thermal conductivity analysis of fiber reinforced composite thermal insulation foam material

3 结 论

(1)随着纤维含量的增加，纤维增强复合保温发泡材料的抗压强度和拉伸强度均呈现出先升高后降低的趋势，当纤维的含量为6%(质量分数)时，复合保温发泡材料的抗压强度和拉伸强度都达到了最大值，分别为0.241和0.115 MPa。

(2)随着纤维含量的增加，纤维增强复合保温发泡材料的吸水率呈现出先降低后升高的趋势，当纤维的含量为6%(质量分数)时，吸水率达到最小值27.9%。

(3)随着纤维含量的增加，复合保温发泡材料的易脆率逐渐降低，韧性逐渐增强。当纤维的含量为9%(质量分数)时，复合保温发泡材料的易脆率最低为10.2%。此外，当纤维掺量达到一定值时，复合保温发泡材料的韧性改善幅度明显减慢，综合来看，当纤维含量为6%(质量分数)时，易脆率改善的性价比最好。

(4)随着纤维的掺入，复合保温发泡材料的气孔尺寸明显变小，气孔均匀地分布在基体中且数量较少，当纤维的含量为6%(质量分数)时，气孔尺寸最小约300 μm；当纤维的含量增加到9%(质量分数)时，复合保温发泡材料的气孔数量有增多的趋势，且尺寸分布不均匀，有较大气孔出现。

(5)随着纤维含量的增加，复合保温发泡材料的导热系数呈现出先降低后升高的趋势。当纤维的含量为6%(质量分数)时，复合保温发泡材料的导热系数达到了最低值为0.033 W/(m·K)，当纤维的含量达到9%时，复合保温发泡材料的导热系数上升至0.036 W/(m·K)。

总结以上分析可知，当纤维的含量为6%(质量分数)时，纤维增强复合保温发泡材料具有较低的导热系数、良好的力学性能和施工性能，可以有效用于建筑内外墙保温材料及保温板，在建筑节能技术的应用中具有长远的前景。