一種新型阻燃外墻外保溫材料制備研究

丑洋

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一種新型阻燃外墻外保溫材料制備研究

丑洋

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西西安 710018）

針對(duì)傳統(tǒng)有機(jī)外墻保溫材料易燃的缺陷，結(jié)合無機(jī)保溫材料在導(dǎo)熱和容重方面的優(yōu)勢(shì)，提出制備一種新型的阻燃外墻外保溫材料。為驗(yàn)證該材料的最佳試驗(yàn)配比，采用正交試驗(yàn)方法，以輕質(zhì)骨料、化學(xué)外加劑和粉煤灰、玻化微珠等作為原材料，以JG/T 158-2013作為標(biāo)準(zhǔn)，通過導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、干密度測(cè)試等方法對(duì)制備的保溫材料性能進(jìn)行測(cè)試。通過測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)材料中輕質(zhì)骨料10.5%、粉煤灰22%、硅灰16%、纖維0.25%的時(shí)候，制備的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、容重分別為0.053 W/(m·K)、0.052 MPa、216 kg/m3，符合試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。通過干濕循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)前后材料為出現(xiàn)裂痕，由此說明在干濕交替下仍可保持較高強(qiáng)度。由此，通過上述的試驗(yàn)表明，制備的外墻外保溫材料可行。

外墻外保溫；阻燃材料；導(dǎo)熱系數(shù)；干濕循環(huán)；正交試驗(yàn)

有機(jī)高分子材料作為三大核心材料之一，與傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料和金屬材料相比，具有易于成形、低密度、易于加工等優(yōu)勢(shì)，從而使得其被廣泛的應(yīng)用在生活中的各個(gè)領(lǐng)域，并成為了目前產(chǎn)量最大的一類化工材料。以2006-2014年的產(chǎn)量為例，我國(guó)高分子制產(chǎn)品平均每年以16%的速度增長(zhǎng)，其中塑料、合成橡膠、涂料、膠黏劑等化工材料的產(chǎn)量更是位居全球首位[1]。但是，通過實(shí)際的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬材料或非金屬材料相比，有機(jī)高分子材料存在易燃的問題，在燃燒的時(shí)候其熱釋放速率很大，熱值也很高，同時(shí)在燃燒的過程中，還經(jīng)常會(huì)伴隨著大量的煙氣等問題[2-5]。由此引發(fā)重特大的火災(zāi)事故，給人們?cè)斐蓢?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，賦予有機(jī)高分子材料阻燃的特性，成為目前需要解決和研究的一個(gè)重要問題。然而，在對(duì)阻燃材料進(jìn)行研究過程中，面臨諸多的挑戰(zhàn)，如成本過高、性能惡化等問題，甚至在某些阻燃材料中出現(xiàn)部分毒性材料。為此，構(gòu)建環(huán)境友好的阻燃材料成為目前研究的重點(diǎn)。本文則根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，制備一種阻燃材料，并對(duì)該材料的性能進(jìn)行測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 水泥

水泥作為制備的主要材料，選擇由山東某水泥產(chǎn)生產(chǎn)的RSAC42.5 快硬硫鋁酸鹽水泥，該型號(hào)的水泥與傳統(tǒng)的普通硅酸鹽水泥相比，具有早期強(qiáng)度高、凝結(jié)硬化快的特點(diǎn)。主要成分見表1。

表1 RSAC42.5 水泥主要成分

1.2 粉煤灰

本試驗(yàn)選用的粉煤灰來自河南某獲利電廠，具體成分如表2所示，符合國(guó)家制定的GB/1956-2005II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 粉煤灰相關(guān)指標(biāo)

1.3 輕質(zhì)骨料

1.3.1 空心微珠

空心微珠采用由山東濰坊圓友生產(chǎn)，具體物理指標(biāo)見表3。

表3 空心微珠物理性能

1.3.2 EPS 顆粒

EPS 顆粒主要是通過聚苯乙烯顆粒發(fā)泡制成。通過發(fā)泡后，會(huì)形成蜂窩狀的密閉孔。該課題具有導(dǎo)熱系數(shù)低、吸收率低、防潮、防滲透等優(yōu)點(diǎn)，從而被廣泛的應(yīng)用在保溫材料中。具體性能見表4所示。

表4 EPS 顆粒性能

1.4 硅灰

研究表明，在混凝土中摻入硅灰，可填充水泥中存在的孔隙，從而達(dá)到保水的目的，可顯著提高混凝土的耐凍融性、力學(xué)性能等。具體成分見表5所示。

表5 硅灰主要成分及含量

1.5 化學(xué)外加劑

本試驗(yàn)所使用的外加劑主要包括可再分散乳膠粉、聚丙烯纖維、HPMC、憎水劑等。

1.6 性能測(cè)試

對(duì)制備材料性能的測(cè)試，本文主要根據(jù) JG/T 158-2013對(duì)保溫材料的相關(guān)要求進(jìn)行測(cè)試[6]，測(cè)試內(nèi)容包括導(dǎo)熱系數(shù)、抗拉強(qiáng)度、燃燒性能等級(jí)等。

1.6.1 導(dǎo)熱系數(shù)

（導(dǎo)熱系數(shù)是指當(dāng)1 m厚的材料兩測(cè)溫度相差1 K的情況下，其單位時(shí)間和單位面積下所傳遞的總能量。對(duì)此，本試驗(yàn)采用 DRE-2C型號(hào)的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x對(duì)試件導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試[7]。

1.6.2 抗壓測(cè)試

將試件放在承壓板上，然后以一定的速度加載負(fù)荷，直到試件被破壞為止，然后記錄試件被破壞的載荷，從而求出抗壓強(qiáng)度。

1.6.3 容重

將試件的漿料放入到模具中，在密封一段時(shí)間后，對(duì)試件烘干，然后稱其質(zhì)量和測(cè)量烘干后的體積，最后求解出容重。

2 實(shí)驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

2.1 單因素變化下的阻燃性能影響

2.1.1 EPS摻量對(duì)阻燃材料保溫性能影響

在不同摻量下，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)也在不斷變化，從而間接影響到材料的保溫性能。對(duì)此，本文選擇2~5 mm的EPS顆粒配級(jí)，并在摻量下得到如圖1所示的結(jié)果。

圖1 不同EPS摻量下的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)

通過圖1可以看出，隨著EPS摻量的不斷增多，材料的導(dǎo)熱系數(shù)先減小后逐步增加的變化趨勢(shì)。造成上述變化趨勢(shì)的主要原因在于EPS的導(dǎo)熱系數(shù)本身比較小，隨著EPS摻量的增加，其導(dǎo)熱系數(shù)自然減少，而在得到一定的量之后，EPS顆粒量增加，其中的無機(jī)凝膠不能將顆粒包住，從而使得材料中出現(xiàn)了太多的空氣和孔隙，以此大大增加的其導(dǎo)熱系數(shù)。因此，通過圖1的結(jié)果看出，當(dāng)EPS摻量保持在9%~10.5%的量的情況下，可以得到比較理想的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.1.2 空氣微珠對(duì)阻燃材料保溫性能影響

在輕骨料中，其不僅包括EPS顆粒，還包括空氣微珠。探討空氣微珠對(duì)阻燃材料保溫性能的影響具有重要的作用和價(jià)值。本文在維持輕質(zhì)骨料體積不變的情況下，適當(dāng)增加空氣微珠體積。通過上述的方法可以得到以下的結(jié)果。

圖2 空心微珠體積摻量對(duì)保溫材料力學(xué)性能影響

通過上述的力學(xué)性能分析看出，隨著空心微珠體積的不斷增加，其力學(xué)性能也在不斷的提高。而其力學(xué)性能之所以增加，其原因在于在加入空心微珠之后，其粘結(jié)力也逐步增加，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能增加。而通過上述的分析也可以看出，當(dāng)空心微珠在輕質(zhì)骨料中的體積保持在30%的量最為合適。

2.1.3 粉煤灰對(duì)阻燃材料保溫性能影響

在保證其他成分不變的情況下，分別加入不同量的粉煤灰，從而可以得到保溫材料的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)。具體變化趨勢(shì)見圖3所示。

圖3 粉煤灰摻量對(duì)保溫材料性能的影響

通過上述的變化可以看出，隨著摻量的增加，可以看出其抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增加開始逐步增加，然后逐步減小。同時(shí)其導(dǎo)熱系數(shù)卻不斷減少。造成該現(xiàn)象的原因粉煤灰的導(dǎo)熱系數(shù)與水泥相比要小，同時(shí)其流動(dòng)性加強(qiáng)，導(dǎo)致粉煤灰中的OH-增加，降低了強(qiáng)度。而通過上述的分析看出，當(dāng)粉煤灰的比例在22%的時(shí)候，其抗壓強(qiáng)度最高，此時(shí)摻量比較合適。

2.1.4 硅灰對(duì)阻燃材料保溫性能影響

同樣在保證其他成分量不變的情況下，加入一定量的硅灰，從而可以得到如圖4所示的結(jié)果。

圖4 硅灰摻量對(duì)保溫材料性能的影響

通過上述的分析可以看出，隨著硅灰的摻入，保溫材料的干密度也在不斷的減少，同時(shí)其導(dǎo)熱系數(shù)先降低后增加。由此看出，當(dāng)其量在16%的情況下，摻量最佳。

2.2 復(fù)合摻量配方比設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)的研究和正交試驗(yàn)法原理，選擇輕質(zhì)骨料、粉煤灰、硅灰、PP纖維作為正交試驗(yàn)的影響因素。其中EPS顆粒和空心微珠的體積比=7:3[8]。因此，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)法，設(shè)計(jì)如表6所示的正交實(shí)驗(yàn)表。

表6 正交實(shí)驗(yàn)表

3 結(jié)果與分析

3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

表7所示為正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由此，根據(jù)上述的正交實(shí)驗(yàn)可以看出，在第五組試驗(yàn)中，其熱導(dǎo)系數(shù)最低，同時(shí)其抗壓強(qiáng)度和容重滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.2 干濕循環(huán)測(cè)試

將上述得到的最佳配合比得到的材料進(jìn)行將干濕循環(huán)測(cè)試，然后對(duì)得到的材料進(jìn)行微觀觀察，從而可以得到如圖1的前后對(duì)比結(jié)果。

表7 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（a）干濕循環(huán)試驗(yàn)前????（b)干濕循環(huán)試驗(yàn)后

通過上述的微觀結(jié)構(gòu)看出，通過干濕循環(huán)試驗(yàn)后，其無機(jī)基體部分沒有任何的損壞，從而說明經(jīng)過干濕交替后沒有出現(xiàn)任何的變化和影響，仍保持高強(qiáng)度。

4 結(jié)論

通過上述的試驗(yàn)看出，其強(qiáng)高度之所以保持不變，是因?yàn)樵诓牧现屑尤肓怂?，從而大大提高了材料的?qiáng)度。而在水泥中，包含氫氧化鈣等物質(zhì)，從而在材料中形成水泡，并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高了材料的強(qiáng)度。同時(shí)，在保溫材料中還加入PP纖維，以此形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高保溫板的力學(xué)性能。另外，由于在材料中形成了密閉的氣泡，從而阻礙了熱氣體的交換，以此阻斷了熱交換，提高了保溫效果。由此可以看出，通過本文的試驗(yàn)設(shè)計(jì)的保溫材料可行。

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［4］潘鑫波. 建筑外墻保溫技術(shù)及保溫材料發(fā)展綜述[J]. 江西建材, 2015, 08:15+18.

［5］陳朝俊. 建筑外墻保溫材料阻燃劑現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2015,12:52-54.

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Research on Preparation of a New Flame Retardant Exterior Insulation Material

（Shaanxi College of Communication Technology , Shaanxi Xi’an 710018, China）

Aiming at the flammability defect of traditional organic exterior insulation materials, combined with the advantages of thermal insulation and bulk density of inorganic thermal insulation materials, a novel flame retardant exterior insulation material was prepared. Taking JG/T 158-2013 as the standard, orthogonal test method was adopted to determine the best ratio of the materials including light aggregate, chemical admixture and fly ash, vitrified microspheres. Thermal conductivity test, compressive strength test, dry density test and other methods were used to test the properties of prepared insulation materials. The results showed that the thermal conductivity, compressive strength and bulk density of the thermal insulation material prepared with10.5% light aggregate, 22% fly ash, 16% silica fume and 0.25% fibre were 0.053 W/(m?K), 0.052 MPa and 216 kg/m3, which were in line with the test standards. Through the wet-dry cycle test, the microstructure of the material was observed, and the cracks were found in the material before and after the test, which indicated that high strength could be maintained under the wet-dry alternation. Thus, the above tests show that the preparation method of outer wall insulation material is feasible.

Exterior wall thermal insulation; Flame retardant material; Thermal conductivity; Wet and dry cycle; Orthogonal test

TU 111.4

A

1671-0460（2017）08-1517-04

2017-01-09

丑洋（1980-），男，陜西丹鳳人，高級(jí)工程師，碩士，2002年畢業(yè)于西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)，研究方向：從事基建工程，造價(jià)、招投標(biāo)管理工程。E-mail：chouyang456@126.com。