水滑石/鈷沸石-聚苯乙烯復合阻燃保溫材料的制備與性能研究

張小博，劉海萍（燕京理工學院，河北 三河　065201）

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水滑石/鈷沸石-聚苯乙烯復合阻燃保溫材料的制備與性能研究

張小博，劉海萍
（燕京理工學院，河北 三河065201）

采用預混法制備以水滑石/鈷沸石為骨料的EPS復合阻燃保溫材料，通過偏光顯微鏡、TEM、沖擊試驗機和差示掃描量熱儀等對產品進行了表征。結果表明，EPS復合阻燃保溫材料被粉體均勻包覆，燃燒后具有高比表面積和孔隙結構，分解溫度提高到了360℃；當水滑石/鈷沸石含量為20%時，EPS復合阻燃保溫材料的性能達到最優(yōu)，其導熱系數為0.029 W/（m·K），自熄時間為1.1 s，沖擊強度為10.96 kJ/m2，抗壓強度達到309 kPa。

水滑石/鈷沸石；聚苯乙烯；復合阻燃材料；保溫性能

0　前言

聚苯乙烯泡沫塑料因具有隔熱、隔聲、耐低溫等優(yōu)點，在建筑、制冷、包裝等行業(yè)廣泛用做隔熱、隔聲、保溫、防震材料等［1-2］。聚苯乙烯（PS）作為保溫材料性能優(yōu)異，在建筑外墻外保溫中應用非常廣泛，其保溫效果良好，施工簡便、造價低。但未經阻燃處理的PS氧指數（LOI）均為18%左右，極易燃燒，而且墻體整體性差，因此將PS用于外墻保溫泡沫塑料時必須進行阻燃處理，并且需進行增強與墻體的整體性［3］。PS阻燃改性目前主要采用本體阻燃、鹵系阻燃、磷系阻燃、膨脹阻燃及黏土阻燃等方法［4-7］。

本文采用廢棄聚苯乙烯泡沫塑料為原料，以水滑石/鈷沸石為復合骨料，研究了復合阻燃劑對EPS材料性能的影響，且通過復配得到具有優(yōu)良防火性能的聚苯乙烯復合阻燃保溫材料。

1　實驗

1.1原材料

氫氧化鎂、氫氧化鋁，分析純，天津市福晨化學試劑廠；水鎂石纖維，工業(yè)級，直徑為0.54～0.86μm，石家莊天源礦業(yè)有限公司；苯丙乳液，工業(yè)級，河北日出化工有限公司；水滑石，自制；鈷沸石阻燃協效劑，自制；廢棄發(fā)泡聚苯乙烯，粒徑2～3mm。

1.2樣品的制備

將廢棄聚苯乙烯顆粒、氫氧化鎂、氫氧化鋁、水滑石、鈷沸石阻燃協效劑和水鎂石纖維按配比稱量，混合均勻后加入苯丙乳液，高速攪拌至再次混合均勻，將混合均勻的共混物放入尺寸為20 cm×10 cm×4 cm的模具中，采用壓力機在50℃下壓制成型后取出，室溫干燥陳化，得到聚苯乙烯復合阻燃板材。

1.3樣品性能表征

用偏光顯微鏡和掃描電鏡觀察復合材料燃燒后的微觀形貌；參照GB/T 2408—2008《塑料 燃燒性能的測定 水平法和垂直法》中的水平燃燒法測試復合材料的阻燃性能；采用沖擊試驗機測試復合材料的沖擊強度；采用差示掃描量熱儀測試復合材料的熱穩(wěn)定性，升溫速度為10℃/min；導熱系數按GB/T 3399—1982《塑料導熱系數試驗方法 護熱平板法》進行測試；抗壓強度按GB/T 8813—2008《硬質泡沫塑料壓縮性能的測定》進行測試。

2　結果與討論

2.1正交實驗

采用4因素3水平正交試驗研究水滑石/鈷沸石含量（按占聚苯乙烯顆粒質量計，下同）、苯丙乳液含量、攪拌時間、加壓時間對EPS復合材料沖擊強度的影響，其中水滑石與鈷沸石的質量比為90∶10。正交實驗因素水平見表1，正交實驗結果及極差分析見表2。

表1　正交實驗因素水平

表2　正交實驗結果及極差分析

由表2可知，影響EPS復合材料沖擊強度的主次順序為水滑石/鈷沸石含量＞苯丙乳液含量＞加壓時間＞攪拌時間。這是因為水滑石/鈷沸石本身的抗沖擊能力較強，但也應適當控制其加入量，否則會引起各原料間的混合均勻性而影響沖擊強度，所以應合理控制水滑石/鈷沸石的用量，使材料性能達到最優(yōu)。

2.2水滑石/鈷沸石含量對EPS復合材料性能的

影響

固定m（聚苯乙烯顆粒）∶m（水鎂石纖維）∶m（氫氧化鎂）∶m（氫氧化鋁）=100∶10∶10∶20，研究水滑石/鈷沸石含量對EPS復合材料性能的影響。

2.2.1水滑石/鈷沸石含量對EPS復合材料

導熱系數的影響（見圖1）

圖1　水滑石/鈷沸石含量對EPS復合材料導熱系數的影響

由圖1可知：隨著水滑石/鈷沸石含量的增加，EPS復合材料的導熱系數呈現出緩慢增大的趨勢，在含量增大到25%時，導熱系數增加幅度變大，這主要是由于水滑石/鈷沸石具有比EPS更大的導熱系數所致。當水滑石/鈷沸石含量達到20%時，復合材料的導熱系數達到0.029 W/（m·K），相比純EPS而言增大并不明顯，這說明承擔隔熱保溫的主體依然是發(fā)泡聚苯乙烯，水滑石/鈷沸石的加入在提高材料力學性能的同時并沒有顯著降低復合材料的保溫性能。

2.2.2水滑石/鈷沸石對EPS復合材料燃燒性能的影響

水滑石/鈷沸石含量對EPS復合材料離火自熄時間的影響見圖2，對燃燒火焰高度的影響見表3。

由圖2可知，隨水滑石/鈷沸石含量的增加，離火自熄時間逐漸下降。這是因為阻燃劑的添加破壞了EPS表面的規(guī)整性，促進了聚合物的熱解反應，縮短了自熄時間，而且，阻燃劑在較低溫度下受熱分解產生的不燃性氣體也具有抑制點燃的作用。

由表3可知，與純發(fā)泡聚苯乙烯產品相比，EPS復合材料呈現出較低的火焰燃燒高度，說明水滑石/鈷沸石顆粒的引入大大降低了EPS復合材料的可燃性。這主要是由于無機顆粒具有不燃性，當被引入復合體系時，可對復合材料燃燒過程起到熱量稀釋及阻隔的作用。

圖2　水滑石/鈷沸石含量對EPS復合材料離火自熄時間的影響

表3　水滑石/鈷沸石含量對EPS復合材料燃燒火焰高度的影響

2.2.3水滑石/鈷沸石含量對EPS復合材料力學性能的影響（見圖3）

圖3　水滑石/鈷沸石含量對EPS復合材料力學性能的影響

由圖3可知，EPS本身具有一定的強度，水滑石/鈷沸石顆粒本身的抗壓強度和沖擊強度較EPS基體要強，因此，復合材料的抗壓強度和沖擊強度隨著水滑石/鈷沸石的加入而提高。

2.3EPS復合材料的熱穩(wěn)定性能

選擇水滑石/鈷沸石含量為聚苯乙烯顆粒質量的20%，其它材料摻量不變，EPS復合材料的熱失重曲線見圖4。

從圖4可以看出，添加水滑石/鈷沸石后材料的熱分解溫度接近360℃，而純EPS在330℃即開始分解，熱穩(wěn)定性得到了提高，復合材料在500℃左右有機部分基本分解完全，體系中殘存的僅是添加的無機材料。綜合復合材料的微觀結構和自熄時間可以得出，加入水滑石/鈷沸石不僅提高了EPS的熱分解穩(wěn)定性，而且也顯著提高了EPS復合材料的阻燃性能。

圖4　EPS復合材料的熱失重曲線

2.4EPS復合材料的微觀結構

選擇水滑石/鈷沸石含量為聚苯乙烯顆粒質量的20%，其它材料摻量不變，EPS復合材料分散的偏光顯微鏡照片見圖5（a），燃燒后的TEM照片見圖5（b）。

圖5　EPS復合材料的偏光顯微鏡照片和TEM照片

從圖5（a）可以看出，EPS復合材料被粉體均勻包覆，分散均勻，泡為閉孔結構，泡孔分布均勻，排列規(guī)整且?guī)缀鯖]有缺陷；而從圖5（b）可見，水滑石/鈷沸石在燃燒后具有高比表面積和孔隙結構，這有助于包裹EPS材料，起到了隔絕阻燃的作用。

3　結論

（1）水滑石/鈷沸石的含量增加到20%時，EPS復合材料的性能最優(yōu)，此時導熱系數為0.029 W/（m·K），自熄時間為1.1 s，沖擊強度為10.96 kJ/m2，抗壓強度達到309 kPa，體現出良好的阻燃保溫性能和較強的力學性能。

（2）添加水滑石/鈷沸石后復合材料的熱分解溫度接近360℃，在500℃左右有機部分基本分解完全，相比較純EPS在330℃即開始分解，熱穩(wěn)定性得到了提高。

（3）EPS復合材料微觀結構顯示，EPS材料被粉體均勻包覆且分散均勻，在燃燒后材料具有高比表面積和孔隙結構，有助于包裹EPS材料，起到了隔絕阻燃的作用。

［1］趙子強，馬保國，羅作球，等.可膨脹石墨聚苯乙烯保溫板材研究［J］.新型建筑材料，2013（12）：38-40.

［2］孫義明，畢小云，謝霞.聚苯乙烯乳液包膜膨脹珍珠巖的研制［J］.新型建筑材料，2012（1）：85-87.

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［4］曾尤，甄影，鄭雅軒，等.可發(fā)性聚苯乙烯復合保溫材料的阻燃性能［J］.沈陽建筑大學學報：自然科學版，2012，28（5）：879-880.

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Research on properties and preparation of expanded composite hydrotalcite/cobalt zeolite-polystyrene flame retardant insulation materials

ZHANG Xiaobo，LIU Haiping
（Yanching Institute of Technology，Sanhe 065201，China）

EPS composite flame retardant insulation materials was prepared using premixing method with expanded hydrotalcite/cobalt zeolite as aggregate.The samples obtained were characterized by polarized light microscopy，TEM，impact testing machine and differential scanning calorimeter.The results show that，EPS was uniformly coated with powder；the composite material has high specific surface area and pore structure after burning；the decomposition temperature of the material increased to 360℃.With the expanded hydrotalcite/cobalt zeolite content increased to 20%，the material achieved optimal performance.Under this condition，the thermal conductivity is 0.029 W/（m·K），the self extinguishing time is 1.1 s，the impact strength is 10.96 kJ/m2and the compressive strength is 309 kPa.

hydrotalcite/cobalt zeolite，PS，composite flame retardant material，heat insulation

TU55

A

1001-702X（2016）06-0079-03

河北省教育廳青年基金項目（QN2015309）

2015-12-24；

2016-02-24

張小博，男，1979年生，山西臨汾人，碩士，副教授，主要從事無機/有機高分子合成與研究。地址：河北省三河市燕郊經濟開發(fā)區(qū)迎賓北路45號，E-mail：zxb_1015@163.com。