热固复合聚苯乙烯泡沫保温板的制备及性能研究

任龙芳，王万金，王浩，宋普涛，王晶，夏京亮，王新民

（中国建筑科学研究院有限公司，国家建筑工程技术研究中心，北京 100013）

0 引言

随着建筑节能政策的深入推行，在不断提高节能要求的同时，外墙外保温系统防火安全越来越受到管理部门、业内人士的重视。GB 50016—2014《建筑设计防火规范》对用于外墙外保温的保温材料燃烧性能做出了严格的规定，采用A级保温材料是解决外墙外保温系统防火问题的主要措施之一。

不燃A级保温材料是公共和民用高层建筑急需的节能防火保温材料，目前市场上能够选用的A级保温材料仍以岩棉板（条）为主，虽然岩棉具有密度低、导热系数小且不易燃等优点。但岩棉生产过程中能耗较高且耐候性差，易变形，被水浸泡后粘结强度和保温性能均大幅降低[1]。目前，许多省市已出台政策限制或禁止岩棉材料在外墙外保温工程中应用。热固复合聚苯乙烯泡沫保温板（AEPS保温板）是以发泡聚苯乙烯颗粒为保温基体，与无机材料复合而成的A级保温板。在受火状态下具有一定的形状保持能力且不产生熔融滴落物的特点[2]。能有效弥补建筑保温材料领域A级保温材料不足的局面。

目前，AEPS保温板生产厂家众多，但生产工艺不成熟、制备技术粗糙、产品质量参差不齐[3]。AEPS保温板按密度分为低密度型（D型）和高密度型（G型），D型产品对燃烧性能的要求只需达到B1级或B2级即可，市场上的产品大多可以满足；G型按导热系数分为050级和060级，燃烧性能均需要达到A2级，由于密度、垂直于板面的抗拉强度、导热系数和燃烧性能等之间是对立统一的关系，因此只有平衡好关键技术指标，才能制备出性能优异、满足相关标准要求的AEPS保温板。本文通过设计试验，利用混合成型工艺，研究了G型AEPS保温板的配合比及不同材料用量对产品密度、垂直于板面方向的抗拉强度、导热系数和燃烧性能的影响，为AEPS保温板的制备及工程应用提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，初凝165 min，终凝240 min，3、28 d抗压强度分别为22.6、46.8 MPa，北京金隅平谷水泥有限公司；发泡聚苯乙烯颗粒（EPS颗粒）：粒径2~5 mm，堆积密度10~12 kg/m3，北京市双盛新型建筑材料厂；EVA乳液：黏度3500~5000 mPa·s，固含量55%；聚丙烯纤维：长度为6 mm的短切纤维；纤维素醚：黏度为100 000 mPa·s甲基羟丙基纤维素醚，呈白色固体粉末状；引气剂：SY-5型，淡黄色粉末状；消泡剂：硬脂酸钙，白色粉末状。

1.2 试验方法

（1）EPS颗粒表面改性处理：将EVA乳液加水稀释，然后加入EPS颗粒中，边加入边搅拌，使其混合均匀，表面完全被润湿后倒出晾干备用。

（2）无机胶凝材料制备：将水泥、偏高岭土、EVA乳液、聚丙烯纤维、纤维素醚、引气剂、消泡剂等混合，加水充分搅拌3~5 min，得到无机胶凝材料。

（3）将经过改性的EPS颗粒放入搅拌机中进行搅拌，边搅拌边倒入已经制备好的无机胶凝材料中，搅拌完成后注入模具压制成板状，然后放置在温度（23±2）℃，相对湿度（50±5）%的养护室中养护后得到最终制品。

1.3 试验配合比

为了研究AEPS保温板的配合比及不同材料用量对产品性能的影响，通过对改性后的EPS颗粒、水泥、EVA乳液、聚丙烯纤维、助剂等进行试验，得到AEPS保温板的配合比，并通过试验研究了关键原材料对保温板性能的影响。AEPS保温板配合比见表1。

表1 AEPS保温板配合比 kg/m3

1.4 性能测试

干表观密度按GB/T 5486—2008《无机硬质绝热制品试验方法》进行测试，试样尺寸为300 mm×300 mm×板厚；垂直于板面方向的抗拉强度按JG/T 536—2017《热固复合聚苯乙烯泡沫保温板》进行测试；导热系数按GB/T 10295—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 热流计法》进行测试。

产品的燃烧性能能否达到A2级主要取决于产品热值，热值反映了产品的燃烧特性，只与原材料本身有关[4]，热值按GB/T 14402—2007《建筑材料及制品的燃烧性能 燃烧热值的测定》进行测试。

2 结果与分析

2.1 EPS颗粒表面改性对AEPS保温板性能的影响

由于EPS颗粒是憎水性的，与无机胶凝材料的粘结性差，直接将两者复合制备的保温板的强度较低，易出现空壳开裂问题[5]。利用稀释后的EVA乳液改性处理EPS颗粒，利用乳液将颗粒包裹，提高颗粒本身的韧性和抗冲击性。同时EVA乳液具有良好的粘结性、耐酸碱性且含有亲水基团，实现与胶凝材料更好的粘结。其中，EVA乳液和水按2∶3的比例进行稀释，EPS颗粒和EVA乳液的质量比为1∶4。

经过改性EPS颗粒制备的AEPS保温板（改性AEPS保温板）与未处理EPS颗粒制备的AEPS保温板（未改性AEPS保温板）的性能如表2所示。

表2 改性与未改性AEPS保温板的性能对比

由表2可以看出，改性AEPS保温板相对未改性AEPS保温板，密度、导热系数和热值变化不明显，垂直于板面方向的抗拉强度提高20%，说明改性EPS颗粒对保温板的绝热性能和保温性能影响不大，但会影响保温板的抗拉强度，且未改性AEPS保温板的破坏面多发生在EPS颗粒与胶凝材料之间，而改性AEPS保温板的破坏面多发生在EPS颗粒内部（见图1），说明改性可以提高颗粒与胶凝材料之间的粘结力，进而提高保温板的抗拉强度。

图1 AEPS保温板抗拉强度破坏面

2.2 EPS颗粒用量对AEPS保温板性能的影响

EPS颗粒是AEPS保温板的主要组成材料，颗粒体积占据总体积的80%以上，主要依靠胶凝材料相互粘结，构成均匀多孔的复合体系。EPS颗粒是AEPS保温板最主要的骨架材料，对AEPS保温板的性能影响较大。因此，研究EPS颗粒的最佳用量对于提高保温板的各项性能具有显著意义。保持AEPS保温板其他材料用量不变，EPS颗粒用量对AEPS保温板密度、垂直于板面方向的抗拉强度、导热系数和热值的影响如表3所示。

表3 EPS颗粒用量对AEPS保温板性能的影响

由表3可以看出，随EPS颗粒用量的增加，保温板密度、垂直于板面方向的抗拉强度和导热系数均降低，热值增加。当EPS颗粒用量为13 kg/m3时，AEPS保温板的密度为172 kg/m3、垂直于板面方向的抗拉强度为0.12 MPa，导热系数为0.058 W/（m·K），热值为2.9 MJ/kg，均符合JG/T 536—2017的要求。EPS颗粒用量过少，单位体积内的胶凝材料增加，保温板的密度和导热系数较高，保温性能较差；EPS颗粒用量过多，保温板的抗拉强度降低，热值较高，力学性能和燃烧性能无法满足标准要求。主要原因：EPS颗粒质量较轻，单位体积内EPS颗粒越多，胶凝材料所占空间降低，EPS颗粒不能被胶凝材料包裹的更加紧密，EPS颗粒之间的堆积空隙变大，导致胶凝材料与EPS颗粒粘结力降低；EPS颗粒的导热系数远低于胶凝材料，因此，随EPS颗粒用量的增加，保温板的导热系数逐渐降低；对于燃烧性能，随着EPS用量的增加，保温板密度降低，单位质量保温板所含的有机物质增多、无机材料减少，进而导致热值增加。

2.3 EVA乳液用量对AEPS保温板性能的影响

EVA乳液具有良好的粘结强度，在胶凝材料中掺加适量的EVA乳液可以提高胶凝材料的粘结性、保水性和内聚性。但用量过多的乳液会提高胶凝材料的粘结性，使胶凝材料工作性变差，造成资源浪费，且不利于保温板的防火性能。本文在保证其他原材料不变的情况下，固定水料比，研究EVA乳液用量对AEPS保温板性能的影响，结果如表4所示。

表4 EVA乳液用量对AEPS保温板性能的影响

由表4可以看出，随着EVA乳液用量的增加，AEPS保温板的密度逐渐增加，未掺加EVA乳液的保温板密度较低，主要因为EVA乳液在保温板中主要起粘结作用，未掺加EVA乳液的胶凝材料和EPS颗粒之间的粘结力较低，保温板干燥后容易发生胶凝材料掉屑现象，导致单位体积内的保温板质量降低；但EVA乳液用量过多，胶凝材料变的粘稠，难以与EPS颗粒混合均匀，部分颗粒粘结不牢固，导致保温板的体积变小，密度增加；垂直于板面的抗拉强度随EVA乳液用量增加呈先提高后降低的趋势，未掺加乳液时，保温板的抗拉强度仅为0.06 MPa；当乳液用量为20 kg/m3时，抗拉强度达到最大值0.14 MPa；继续增加EVA乳液用量，强度反而降低。主要因为EVA乳液可提高胶凝材料和EPS颗粒之间的粘结强度和抗拉强度，但用量过多，胶凝材料的粘性变大，流动性变差，和颗粒之间的粘结程度降低，导致抗拉强度下降；导热系数随EVA乳液用量增加呈先降低后提高的变化趋势，EVA乳液用量为15 kg/m3时，导热系数达到最小值0.058 W/（m·K）。主要因为，乳液用量过低，胶凝材料和聚苯颗粒粘结力差，干燥后胶凝材料与EPS颗粒之间以及胶凝材料本身之间会产生部分空隙，导致保温板内部连通孔增加，进而导致导热系数较高；乳液用量过高，胶凝材料浆体变的粘稠，易结块，EPS颗粒在胶凝材料中无法混合均匀，导热系数提高；热值随EVA乳液用量增加呈先降低后增加的变化趋势，当EVA乳液用量在5~15 kg/m3时，热值在3 MJ/kg以内，乳液减少或增加，热值均高于A2级燃烧性能要求，防火性能较差。主要因为EVA乳液用量较低时，胶凝材料的损失导致单位体积内无机物质的减少，热值增加；EVA乳液用量较高时则会加大保温板的有机物含量，导致保温板燃烧释放的热量增加，热值增加。因此，综合考虑EVA乳液的用量应在15 kg/m3左右。

2.4 聚丙烯纤维用量对AEPS保温板性能的影响

聚丙烯纤维在AEPS保温板中主要起增强增韧的作用，在胶凝材料中加入短切增强纤维，可使其在胶凝材料内部形成增强网络，提高保温板的抗拉性能[6]。本研究在保证其他原材料不变的情况下，固定水料比，研究聚丙烯纤维用量对AEPS保温板性能的影响，结果如表5所示。

表5 聚丙烯纤维用量对AEPS保温板性能的影响

由表5可以看出，聚丙烯纤维用量对AEPS保温板的密度影响不大，主要因为纤维本身很轻，试验中纤维的用量不足以引起密度的大幅变化，但纤维的用量对垂直于板面的抗拉强度、导热系数和热值会有一定的影响。垂直于板面的抗拉强度随聚丙烯纤维用量的增加呈先提高后降低的变化趋势，未添加纤维时，保温板的抗拉强度仅为0.08 MPa；当纤维用量为0.4~0.6 kg/m3时，抗拉强度达到最大值0.13 MPa；继续增加纤维用量，抗拉强度反而降低。主要是因为纤维在保温板中可形成内部增强网络结构，提高保温板的抗拉强度，抑制收缩裂缝的产生。但纤维用量过多时，容易出现团聚现象，在保温板中分散不均匀，导致保温板的抗拉强度降低。导热系数随纤维用量增加呈先降低后增加的变化趋势，但变化幅度不大，当纤维用量为0.4 kg/m3时，导热系数达到最小值0.057 W/（m·K）。主要是因为，纤维在胶凝材料内部呈现三维无规则排布，起到增强增韧作用，可避免保温材料干燥后裂缝的产生，同时对保温材料内部的气孔有一定的保护作用，避免连通孔的出现[7]，因此有助于导热系数的降低。但纤维用量过多时，纤维之间团聚，胶凝材料流动性变差，保温板干燥后容易开裂，且固体之间的热传导会增加，导致导热系数增大。热值随纤维用量的增加而增加，当纤维用量在0.6 kg/m3以内时，热值保持在3 MJ/kg以内，继续增加纤维用量，保温板达不到A2级燃烧性能等级要求。主要是因为纤维为有机物，纤维用量的增加会导致保温板燃烧释放的热量增多，热值增加。因此，综合考虑纤维用量为0.4 kg/m3。

3 结论

（1）与未改性EPS颗粒制备的AEPS保温板相比，改性EPS颗粒制备的保温板抗拉强度提高了20%，密度、导热系数和热值变化不明显，表明改性可以提高EPS颗粒与胶凝材料之间的粘结力，且不会影响保温板的保温性能和燃烧性能。

（2）EPS颗粒在保温中起主要骨架作用，随EPS颗粒用量的增加，保温板的密度、垂直于板面方向的抗拉强度和导热系数均降低，热值增加。当EPS颗粒用量为13 kg/m3时，AEPS保温板的密度为172 kg/m3，垂直于板面方向的抗拉强度为0.12 MPa，导热系数为0.058 W/（m·K），热值为2.9 MJ/kg，均符合JG/T 536—2017的要求。

（3）EVA乳液在保温板中主要起粘结作用，对保温板性能影响很大，随EVA乳液用量的增加，保温板的密度逐渐增大，垂直于板面的抗拉强度先提高后降低，导热系数和热值先降低后增加。当EVA乳液用量为15 kg/m3时，导热系数达到最小值0.058 W/（m·K），其他性能也均符合JG/T 536—2017的要求。

（4）聚丙烯纤维在保温板中起增强增韧作用，随纤维用量增加，保温板密度变化幅度不大，垂直于板面的抗拉强度先提高后降低，导热系数先降低后增加，热值逐渐增加，当纤维用量为0.4 kg/m3时，保温板性能较好。