有机树脂增韧磷酸盐复合发泡外墙保温材料的工艺研究

＊周楠 贾近 张东兴

（哈尔滨工业大学 黑龙江 150006）

在建房屋围护结构体系中，外围墙体为主体，这是建筑房屋热能消耗的主要来源。因此，开拓高效建筑房屋的外围墙体节能技术是十分关键的[1]。复合墙体保温体系可分为外墙外保温体系、外墙内保温体系和夹芯复合保温体系[2]。其中，最有效的方法是外墙外保温体系,可以隔断冷、热桥，延长结构墙体的使用年限[3]。

本文基于防火保温材料的现状，拟研制一种不燃性保温材料，并研究有机物含量对复合发泡板的力学性能、表观密度、粉化率、燃烧性和导热系数的影响。

1.实验部分

(1)实验材料

磷酸（85%），天津市永大化学试剂有限公司；司班60为化学纯，天津市光复精细化工研究所；脲醛树脂为E2级，长春脲醛胶厂；玻璃纤维为工业用级别，哈尔滨三元玻璃纤维公司；氢氧化铝、氧化镁、氧化锌、碳酸钙和碱式碳酸镁均为分析纯。

(2)实验仪器及设备

电动搅拌器（JJ-1A，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司）；电热鼓风干燥箱（101型，北京市永光明医疗仪器厂）；微机控制电子万能试验机（WDW-10，威海市试验机制造有限公司）；氧指数测定仪（HC-2，南京江宁分析仪器厂）。

(3)有机/无机复合发泡板的制备

磷酸二氢铝、金属氧化物和碳酸钙（发泡剂）反应形成泡沫板的基本骨架。添加脲醛树脂可以适当提高体系黏度，保护气泡在固化前不会溢出，并且脲醛树脂遇酸可在常温固化，故在酸性磷酸盐的作用下，混合复合板在常温即可完成固化定型。复合发泡过程选用司班60为稳泡剂。

①磷酸盐/脲醛树脂复合发泡板的制备工艺

将磷酸与氢氧化铝以4.44:1的比例进行反应，得到透明澄清的磷酸二氢铝溶液。取适量树脂加入金属氧化物（MgO和ZnO），碳酸盐（CaCO3）和表面活性剂（司班60），然后将制备的磷酸二氢铝溶液快速倒入含有脲醛树脂的混合粘液中，快速搅拌3s后倒入模具中，常温静置固化后脱模；脲醛树脂黏度为44.682mm2/s。

②纤维增强磷酸盐/脲醛树脂复合发泡板的制备

选用玻璃纤维对复合发泡板进行力学增强，研究玻璃纤维质量分数分别为0.05%，0.10%，0.15%，0.20%时对发泡板的性能影响。

将玻璃纤维和金属氧化物、碳酸钙和表面活性剂共同分散在树脂溶液中，再将制备好的磷酸盐溶液倒入之前混匀的树脂里，快速搅拌3s后（搅拌速度1000rad/min），静置固化得到复合发泡板。

2.结果与讨论

(1)磷酸盐/脲醛树脂复合发泡板的制备工艺的确定

①正交试验

影响发泡板质量的主要因素有磷酸盐的含量，金属氧化物的含量，发泡剂的含量等，故设计正交试验，用100g的磷酸（质量分数85%）为对比项，依次改变氧化锌、氧化镁、碳酸钙、脲醛和司班60的用量，设计一个5水平5因素的正交试验，表1为5个影响因素各自对应的5个工艺水平（其中脲醛的含量是占所有无机物发泡体基体的百分比，司班60的用量是占加入脲醛量的百分比）。

表1 各影响因子的对应水平

②正交试验的压缩性能结果分析

表2为正交实验的压缩性能分析结果，K1行的值分别是因素A，B，C，D，E第一水平对应发泡板的压缩强度总和，以此类推，K2，K3，K4，K5行中各自对应的5个数值，分别是因素A，B，C，D，E的第2，3，4，5五水平所对应的压缩强度总和。k1，k2，k3，k4，k5各行中的数值，分别是5个影响因素各水平所对应压缩强度的平均值。平均值的最大与最小值之差为极差，极差不同则代表5个影响因素对发泡体的压缩强度影响程度不同。极差越大，该影响因素对压缩强度的影响越大。5个因素对压缩强度的影响程度比较为：C＞A＞B＞D＞E。

表2 复合发泡板压缩强度正交试验结果（单位：MPa）

正交实验结果如图1。由图可得，C因素用量越少越好；A因素最佳用量在A2～A4范围内；B因素最佳用量在B1，B4，B5中选取；D因素最佳用量在D2，D3，D4，D5之中选取；E因素最佳用量在E3，E4，E5中选取。

图1 压缩强度随各影响因素变化的趋势

③正交试验的表观密度结果分析

表3为正交实验的表观密度g/cm3分析结果，5个因素对表观密度的影响程度为：B＞A＞C＞D＞E。根据正交实验结果如图2，由图2可知，B因素的用量越小越好；A因素的用量控制在少量为好；C因素的用量越多越好；D因素的用量在D2，D3，D4，D5中选择；E因素的用量在E3，E4，E5中选取。

表3 复合发泡板表观密度正交试验结果

图2 表观密度随各影响因素变化的趋势

④正交试验的粉化率结果分析

表4为正交实验的粉化率分析结果，5个因素对粉化率的影响程度为：D＞B＞A＞E＞C。根据正交实验结果如图3。D因素的用量越多越好，B因素的用量越多越好，粉化率随A因素（MgO）的用量出现了非线性变化，这主要是因为MgO的用量主要影响无机胶黏剂的固化时间，当MgO的用量超过一定值时，固化时间太快，使整个体系来不及充分反应，最终影响到泡体的强度；E因素（司班60）的用量应该在树脂用量的0.4%～0.8%。

表4 复合发泡板粉化率正交试验结果（单位：%）

续表

图3 粉化率随各影响因素变化的趋势

复合发泡板的工艺配方为：磷酸（85%）10g，氢氧化铝2.25g，氧化镁1.10g，氧化锌2.40g，碳酸钙0.90g，脲醛树脂12g，司班60用量0.12g。制得的复合发泡板与全无机发泡板相比，表观密度减小近一半，为0.223g/cm3，粉化率减小到6.35%，压缩强度增大到0.151MPa。

(2)纤维增强复合发泡板的弯曲性能研究

玻璃纤维的添加量对复合发泡体弯曲断裂力的影响如图4所示。复合发泡体的弯曲断裂力随玻璃纤维用量的增加而增加，在用量超过0.10%时，其弯曲断裂力增加速度加大，用量0.20%时，增大到21N。

图4 玻纤用量对弯曲断裂力的影响

(3)纤维增强复合发泡板的压缩强度的研究

对压缩强度随玻纤用量的变化进行研究可得，复合发泡体的压缩强度随纤维添加量增加而增加，不添加玻璃纤维时，复合发泡体的压缩强度为0.154MPa；玻纤质量分数为0.20%时，其压缩强度达到最大值0.237MPa。

(4)纤维增强复合发泡板的粉化率研究

对玻璃纤维添加量对缝合发泡体粉化率的影响进行研究。粉化率随玻璃纤维添加量的增加而减小，从不添加纤维时的7.85%迅速降至玻纤质量分数0.20%时的4.96%。

(5)纤维增强复合发泡板的导热性能

常见保温材料如EPS、酚醛泡沫和硅酸钙保温板的导热系数分别为0.041、0.033和0.055～0.064W/(m·K)之间。本文制备的复合发泡板导热系数为0.034W/(m·K)，比目前常用的无机保温材料低。

(6)复合发泡板的氧指数性能

测试复合发泡板的氧指数来表征发泡板的阻燃性能，在燃烧桶氧浓度高达50%时复合发泡板不能被点燃，从而不能得到其燃烧时间。50%氧浓度测试前后试样几乎没有任何变化。与常用有机保温板（氧指数≤35[4]）相比，复合发泡板有优异的不燃性能。

3.结论

（1）磷酸盐质量分数43.43%，MgO质量分数4.03%，ZnO质量分数8.80%，CaCO3质量分数3.30%，脲醛树脂质量分数40.00%，司班60质量分数0.44%为复合发泡板最佳配方，发泡体表观密度为0.223g/cm3，粉化率为7.85%，压缩强度为0.151MPa，抗弯曲断裂力为11.33N。

（2）玻璃纤维质量分数为0.20%的磷酸盐/脲醛复合发泡板，压缩强度达到0.237MPa，抗弯曲断裂力21N，粉化率为4.96%，导热系数为0.034W/(m·K)，低于常用无机发泡板；氧指数实验显示在燃烧桶内氧浓度高达50%时，其不燃性是纯有机泡沫塑料不可企及的。