陆红霞
（常州工程职业技术学院化学与材料工程学院，江苏 常州 213164）
【摘 要】以可发性聚苯乙烯（EPS）、酚醛树脂（PF）为主要原料，按一定的配比，添加适量的助剂，采用正交设计法设计制备EPS/PF复合型保温隔热材料的试验方法。用极差分析的方法讨论了压缩比、阻燃剂用量、固化温度以及保压时间对样品导热系数、阻燃性能、抗压强度以及吸水率的影响。筛选出最佳工艺条件为压缩比为1.5，阻燃剂用量为30%，固化温度为95℃，保压时间为1h时，所制得的复合保温材料的导热系数为0.035W/MK；抗压强度为0. 21MPa；阻燃性(氧指数)为36%；吸水率为1.5%。
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关键词 复合；保温隔热；制备；影响因素
基金项目：常州工程职业技术学院科研基金资助项目（KJ13304）。
作者简介：陆红霞（1975—），女，江苏常州人，硕士，讲师，从事功能复合材料研究。
0 引言
目前，随着全球气候变暖，建筑保温材料的研制与应用越来越多地受到世界各国的广泛关注[1]。以无机材料为代表的水泥发泡保温材料，虽然其阻燃效果较好，便由于其主要以水泥和砂浆作为主要原料，产品相对较重，又由于此类保温材料容易掉渣，使用寿命不长，易吸水，导致隔热效果不佳等原因，未能得到广泛应用[2]。而以聚氨酯为代表的有机保温材料，虽然其质量较轻，保温性能好，但又因其阻燃性能较差，存在较大的火灾隐患[3,4]。因此，制备一类既保温又有良好阻燃性能的材料已成为现代建筑节能保温领域研究的热点。
本文针对保温材料目前存在的问题，以可发性聚苯乙烯（简称EPS）和酚醛树脂（PF）为主要原料，添加适量等助剂，在一定条件下制备成EPS/PF复合型保温隔热材料。它既有效克服了保温材料易掉渣的难题，又从根本上解决了聚苯乙烯泡沫易燃的问题。EPS/PF复合板材具有保温性能好，质量轻，粘结性能优异，具有良好的自熄性、无毒环保等优异的性能，因而，受到广大研究者的青睐。
1 实验
1.1 原料及仪器设备
可发性聚苯乙烯(EPS)：工业级，惠州兴达石化工业有限公司；液态热固性
酚醛树脂（PF）：工业级，山东圣泉化工材料有限公司；液态固化剂：工业级，山东圣泉化工材料有限公司；氮磷系阻燃剂：工业级，山东世安化工有限公司。电热鼓风干燥箱：DHG-9240，上海一恒科学仪器有限公司；电子万能试验机：CSS-88050型，长春试验机研究所；导热系数测定仪：DRH型，湘潭湘仪仪器有限公司。
1.2 试验方法
1.2.1 聚苯乙烯颗粒预发泡工艺试验
将少量可发性聚苯乙烯放入托盘中，放入电热鼓风干燥箱中，在105℃环境下物理预发泡15min，取出托盘，使聚苯乙烯泡沫在常温下熟化24h。
1.2.2 EPS/PF复合保温材料制备工艺流程
将预发泡的EPS颗粒、酚醛树脂以及适量助剂按一定配比混合均匀、装模，以不同的压缩比热压成型，即得EPS/PF复合保温材料样品，制备工艺流程见图1。
1.2.3 EPS/PF复合保温板制备工艺优选方法
EPS珠粒/PF压缩比、阻燃剂用量、模压成型温度、保温时间对EPS/PF复合保温材料结构及性能影响较大。通过正交试验确定出各影响因素的最佳水平组合。试验考察EPS珠粒/PF压缩比、阻燃剂用量、模压成型温度、保温时间这4个因素，每个因素取三个有代表性的水平值，具体数值见表1，选用L9（34）正交试验设计表。分别对表观密度、导热系数、氧指数、压缩强度等进行考察。
1.3 性能测试
1.3.1 EPS/PF复合型保温材料导热系数测定
导热系数是反映材料保温性能的主要性能指标。根据GB/T 10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》，本文采用DRH型护热平板法导热系数测试仪测试样品的导热系数。
1.3.2 EPS/PF复合型保温板阻燃性能测定
阻燃性能按照GB/T2406-93《塑料燃烧性能试验方法-氧指数法》测定，样品尺寸为10mm×10mm×100mm。试样维持平稳燃烧3min或50mm处，氧气所占氧、氮混合气体的体积百分数。氧指数（OI）越高，说明制品越难燃烧。当高聚物的OI＜27%时，高聚物易燃；当27≤OI＜32%时，则高聚物可燃；当OI≥32%时，则高聚物难燃，可达到B1级要求。
1.3.3 EPS/PF复合型保温板压缩性能测定
根据GB/T8813-88《硬质泡沫塑料压缩试验方法》进行测定，试样尺寸为100mm×100mm×30mm，加载速度为2mm/min。
1.3.4 EPS/PF复合型保温板吸水率测定
材料与水接触后，所表现出来的吸收水分的性质称为吸水性，吸水性可用质量吸水率和体积吸水率表示，本文运用质量吸水率，测试方法参照GB/T 8810-2005《硬质泡沫塑料吸水率的测定》进行。
2 结果与讨论
2.1 酚醛树脂压缩比对导热系数的影响
经测试得出导热系数正交数据如表2。对表2的数据按因素各自相同水平的测试结果进行统计。对因素A温度为85℃的三个试验号是1、2、3；温度为95℃的是4、5、6；温度为105℃的是7、8、9。其他因素的水平配置情况从表3-2中可以看出。将1、2、3试验号为一组，三个实验的导热系数值相加记作I；4、5、6号实验导热系数值相加记作II；7、8、9号实验的导热系数值相加记作III，他们的树脂分别是：I=0.093，II=0.104，III=0.110。
按同样的方法分别统计因素B，因素C和因素D各自的I、II、III，分别填入表2的下部的对应位置。然后将每个因素的I、II、III中的最大值与最小值之差(称为极差)分别填入表的最下部。由极差可以得出压缩比对样品导热系数影响因素最大，主要因素是随着样品压缩比的减小，样品的密度也随着减少，其内部含有的空气量也就越多，也就越多的阻止了热量的传递；而固化温度对样品导热系数影响因素最小。考虑到生产效率以及生产成本，初步得出最佳配方为压缩比为1.3，阻燃剂用量为20%，固化温度为105℃，保温时间温1h即A1B1C3D1。
经测试得出抗压强度正交数据如表3。按表2的方法分别统计A、B、C、D的I、II、III和极差，通过表可以看出压缩比对样品抗压强度影响最大，主要原因是原料压缩比的增大，会导致样品的密度的增大，从而导致分子间间距变小，分子间引力增大，进而使样品的抗压强度变大；而保温时间对样品抗压性能影响最小。由本组实验数据可得出压缩比为1.5，阻燃剂用量为25%，固化温度为85℃，保温时间为1.5h或2h即A3B2C1D2或A3B2C1D3为比较好的配方。但从成本方面考虑，得出最佳配方为A3B2C1D2。
经测试得出阻燃性能正交数据如表4。按表2的方法分别统计A、B、C、D的I、II、III和极差，通过表可以看出阻燃剂用量对制品阻燃性能影响最大，因为氮系阻燃剂受热后，易放出二氧化碳、氨气、氮气、二氧化氮及水等气体，这些不易燃烧的气体阻断了氧的供应，从而实现阻燃，加之氮系阻燃剂本身即有阻燃性能，可单独使用，所以阻燃剂用量越多，阻燃效果就越好；而样品的保温时间对样品阻燃性能最小。由本组实验数据可以看出压缩比为1.5，阻燃剂用量为30%，固化温度为95℃，保温时间为1.5h或2h即A3B3C2D2或A3B3C2D3是比较好的配方，但从节能这一方面考虑，得出最佳方案为A3B3C2D2。
由实验得出吸水率正交数据如表5。按表2的方法分别统计A、B、C、D的I、II、III和极差，通过表可以看出样品的压缩比对其吸水率影响最大，主要原因是由于样品的压缩比越大，其整体密度也随着增大，其内部的孔隙也就越小，因此渗透其内部的水也就越少，从而导致样品的吸水率越小；由表也可以看出固化温度对样品的吸水率也有较大影响。由本组实验数据可以得出压缩比为1.5，阻燃剂用量为20%，固化温度为95℃，保温时间为1h即A3B1C2D1为样品吸水性能的最佳配方。
3 结论
（1）以聚苯乙烯泡沫和酚醛树脂为主要原料，添加适量的阻燃剂，在一定温度下成型，制备成性能良好的复合保温材料，通过对复合保温材料的压缩比的筛选，得出较为合适的压缩比为1.5。
（2）在聚苯乙烯泡沫用量和压缩比一定的条件下，采用正交设计法，筛选出较好的实验条件：阻燃剂用量为30%；成型温度为95℃；保压时间为1h。所制得的复合保温材料的导热系数为0.035W/M·K；抗压强度为0.21MPa；阻燃性(氧指数)为36%；吸水率为1.5%。
（3）正交实验结果分析显示，当可发性聚苯乙烯与酚醛树脂用量一定时，聚苯乙烯泡沫压缩比是影响复合保温材料性能非常显著的因素。
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参考文献
［1］宋杰光,等.国内外绝热保温材料的研究现状及发展趋势[J].材料导报,2010,5（24）:378-380.
［2］张水,李国忠.发泡水泥轻质保温材料的制备与性能研究[J].墙材革新与建筑节能,2011（5）:33-36.
［3］王学川,王莉,张涛涛,等.阻燃聚氨酯的研究进展[J].材料导报,2013,2 (27):90-94.
［4］赵义平,阎家建,陈丁猛,等.复配无卤阻燃聚氨酯泡沫塑料的制备与表征[J].功能材料,2013,5（44）:697-699.
［责任编辑：刘展］