EPS阻燃研究進(jìn)展

彭月飛，朱行坤

（1.四川恒增裝配式建筑科技有限公司，四川 綿陽(yáng) 621704；2.大連理工大學(xué)精細(xì)化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗與日俱增，據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)單位面積建筑能耗是相近氣候發(fā)達(dá)國(guó)家的3~5倍[1]，建筑節(jié)能技術(shù)應(yīng)用發(fā)展滯后。為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)，國(guó)家大力鼓勵(lì)發(fā)展建筑節(jié)能技術(shù)，助力國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。目前國(guó)內(nèi)建筑保溫材料主要有兩大類[2]：第一類是有機(jī)聚合物發(fā)泡材料，第二類是無(wú)機(jī)保溫材料。其中有機(jī)聚合物發(fā)泡材料以高分子聚合物為基材，輔以發(fā)泡劑、阻燃劑等助劑。有機(jī)類中的EPS兼具耐候性好和價(jià)廉等優(yōu)勢(shì)，因而得到廣泛應(yīng)用。

聚苯乙烯的極限氧指數(shù)只有18%左右，而EPS多孔結(jié)構(gòu)也會(huì)加速其燃燒，且EPS燃燒過(guò)程會(huì)生成大量的熱和煙，嚴(yán)重危害人們生命財(cái)產(chǎn)安全。為了降低EPS的燃燒性能，提高其安全性，需要對(duì)其進(jìn)行阻燃改性，提高其不燃等級(jí)。EPS的阻燃改性需要考慮改性工藝和阻燃劑的添加種類，在提升不燃等級(jí)的同時(shí)保證保溫性能。

1 阻燃改性工藝

EPS的阻燃改性工藝主要分為分子聚合、聚合共混、包覆、浸漬和涂層，其中分子聚合和聚合共混是在苯乙烯聚合階段進(jìn)行阻燃改性，包覆改性是指對(duì)發(fā)泡后的聚苯乙烯顆粒進(jìn)行包覆阻燃改性，而浸漬改性和涂層改性均針對(duì)于已經(jīng)成型的EPS板。

1.1 分子聚合改性

分子聚合改性是在苯乙烯聚合階段加入具有可參與聚合反應(yīng)基團(tuán)的反應(yīng)型阻燃劑，通過(guò)聚合反應(yīng)將阻燃元素引入聚苯乙烯的主鏈或支鏈，達(dá)到本體阻燃的目的。常用的反應(yīng)型阻燃有乙烯基含磷單體、丙烯酸五溴芐酯、五溴氯環(huán)己烷（FR-5）和雙（2，3-二溴丙基）反丁烯二酸酯（FR-2）等。吳健夫等[3]將FR-5和FR-2分別作為聚苯乙烯的反應(yīng)型阻燃劑，對(duì)比了兩種阻燃劑的阻燃效果，結(jié)果表明FR-5的阻燃性能優(yōu)于FR-2，但FR-2比FR-5更易獲得。

分子聚合改性阻燃在分子水平上將阻燃元素引入，阻燃劑分布均勻、阻燃效率高且阻燃體系穩(wěn)定，但可選擇的阻燃劑范圍小，成本高，不易推廣。

1.2 聚合共混改性

聚合共混改性是在苯乙烯聚合階段加入阻燃劑，阻燃劑可以均勻分布在聚苯乙烯內(nèi)部，提高阻燃劑的利用率，從而提升其阻燃效率。常用的聚合共混改性阻燃劑主要是機(jī)磷酸酯阻燃劑，BASF公司[4]將膨脹石墨與磷酸酯等磷系阻燃劑復(fù)配代替HBCD，提升阻燃等級(jí)的同時(shí)改善聚苯乙烯的保溫性能。

聚合共混改性阻燃阻燃劑分布均勻，阻燃效率高，是目前EPS阻燃改性的主流。但阻燃劑選擇范圍小，添加量較低，否則會(huì)影響苯乙烯的聚合和發(fā)泡，因此對(duì)阻燃性能的提升有限。

1.3 包覆改性

包覆改性是針對(duì)發(fā)泡后的EPS顆粒，通過(guò)膠結(jié)材料的粘連將阻燃劑包覆在EPS顆粒的表面，從而提升其阻燃性能。常用膠結(jié)材料有酚醛樹(shù)脂、聚氨酯、水泥和硅溶膠等，ZHANG S等[5]以乙二醇改性的三聚氰胺—甲醛（EMF）樹(shù)脂為膠結(jié)材料，將該膠結(jié)材料微膠囊化改性聚磷酸銨（MCAPP），以其為阻燃劑對(duì)EPS顆粒進(jìn)行包覆改性。當(dāng)MCAPP為43%時(shí)，EPS的極限氧指數(shù)提升至31.4%，燃燒過(guò)程的熱釋放和煙釋放顯著降低，安全性能明顯提升，同時(shí)材料的耐水性和抗沖擊強(qiáng)度得到提升。

相比于在聚合階段進(jìn)行阻燃改性，對(duì)發(fā)泡后的阻燃劑選擇范圍廣，添加量可調(diào)范圍大，有望達(dá)到更高的阻燃級(jí)別。但阻燃劑只在EPS顆粒的表面，阻燃劑分布不均勻，阻燃效率低，為了達(dá)到預(yù)期的阻燃級(jí)別，往往需要較大的添加量。

1.4 浸漬改性

浸漬改性是指通過(guò)加壓或者真空等方式將防火漿液滲入EPS板的孔隙中，從而提升EPS阻燃性能。S.Hamdani-Devarennes等[6]將勃姆石和聚乙烯醇組成的阻燃浸漬液通過(guò)常壓滲透的方式進(jìn)入EPS板，納米勃姆石可以提高炭層強(qiáng)度，從而提升材料的燃燒等級(jí)。

與包覆改性相比，浸漬改性不會(huì)影響EPS顆粒之間的粘連，因此降低對(duì)材料的力學(xué)性能影響。但由于滲透需求，阻燃劑顆粒的粒度要求要更小，且浸漬改性的浸漬量不易控制。

1.5 涂層改性

與浸漬改性類似，涂層改性同樣是針對(duì)EPS板。通過(guò)在成型后的EPS板表面涂敷防火層，提升材料的阻燃性能。WANG Y C等[7]通過(guò)溶膠—凝膠法成功在EPS板表面涂敷硅粉基薄膜，材料的引燃時(shí)間得到顯著延長(zhǎng)，極限氧指數(shù)由21.2%提升至38.5%，阻燃性能明顯提升。

涂層改性只作用于EPS板表面，對(duì)EPS板的力學(xué)性能幾乎無(wú)影響，涂層脫落或者受到破壞即會(huì)失去對(duì)EPS板的保護(hù)作用，易失效。

2 阻燃劑

阻燃EPS常用的阻燃劑主要由鹵系阻燃劑、磷系阻燃劑、膨脹阻燃劑和金屬氫氧化物阻燃劑等。其中鹵系阻燃劑因阻燃效率高，跟EPS相容性好等優(yōu)勢(shì)曾被廣泛應(yīng)用，然而因在其生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量有機(jī)污染物，對(duì)環(huán)境尤其是水資源污染嚴(yán)重，并且其燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)致癌物二噁英等有害物質(zhì)，因而遭到禁用[8]。

2.1 磷系阻燃劑

磷系阻燃劑主要包含有機(jī)磷、無(wú)機(jī)磷酸鹽和紅磷等。ZHU Z M等[9]通過(guò)溶膠—凝膠法對(duì)硅烷（NTMS）進(jìn)行磷酸化改性，得到全新的有機(jī)磷類阻燃劑P（NTMS-PA），并將其通過(guò)包覆改性工藝引入EPS中，結(jié)果表明，57wt%的P（NTMS-PA）添加量可以將EPS的極限氧指數(shù)提升至31%，顯著提升其阻燃性能。磷系阻燃劑以凝聚相阻燃機(jī)理為主，通過(guò)分解產(chǎn)生磷酸，磷酸與-OH可以發(fā)生酯化作用形成保護(hù)炭層，由于PS本身不含有-OH，因此磷系阻燃劑單獨(dú)使用時(shí)對(duì)PS阻燃并不高效。

2.2 膨脹阻燃劑

為了提升磷系阻燃劑的阻燃效率，往往將其與炭源（多-OH有機(jī)物）復(fù)配使用，提升體系的成炭作用，并加入三聚氰胺等氣源作為炭層的發(fā)泡劑，使炭層膨脹從而提升其隔離作用，由此構(gòu)成化學(xué)膨脹阻燃劑（IFR）。CAO B等[10]將三聚氰胺改性的脲醛樹(shù)脂（MUF）作為IFR的膠結(jié)材料和阻燃協(xié)效劑對(duì)EPS進(jìn)行包覆改性，當(dāng)MUF和IFR的添加比例為3:4，且總的添加量為58wt%時(shí)，EPS的極限氧指數(shù)由18%提升至36%，且燃燒過(guò)程的熱釋放和生煙量顯著降低，材料安全性能大幅提升。燃燒過(guò)程中，IFR與MUF協(xié)效可形成完整的中空炭層，隔離保護(hù)基體。孫銘等[11]以聚氨酯為膠結(jié)材料，膨脹石墨為阻燃劑對(duì)EPS進(jìn)行包覆改性，可以將材料的阻燃等級(jí)提升至B1級(jí)，同時(shí)可滿足建筑節(jié)能65%的要求。

2.3 金屬氫氧化物阻燃劑

金屬氫氧化物阻燃劑主要包括氫氧化鋁和氫氧化鎂等，其主要通過(guò)分解吸熱來(lái)延緩聚合物的降解和產(chǎn)生水蒸汽稀釋氣相可燃物濃度，同時(shí)生成的氧化物可以作為隔離層保護(hù)基體，從而降低聚合物的燃燒性能?；蒿w等[12]以水泥作為膠結(jié)材料，氫氧化鎂作為阻燃劑對(duì)EPS進(jìn)行包覆改性，氫氧化鎂的吸熱作用可以顯著降低材料的熱值，從而成功制備A2級(jí)EPS板。由于金屬氫氧化物阻燃劑的阻燃效率較低，需要較大的添加量才能達(dá)到預(yù)期的阻燃等級(jí)，這往往會(huì)增加EPS板的密度同時(shí)降低材料的保溫性能。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著EPS板阻燃等級(jí)要求的提升，單一的阻燃改性工藝和阻燃劑已很難滿足要求。不同改性工藝的結(jié)合、新改性工藝的開(kāi)發(fā)以及更加高效環(huán)保的阻燃體系的研究日益關(guān)鍵。同時(shí)，隨著國(guó)家對(duì)建筑節(jié)能效率要求的提高，引入氣凝膠等新材料與阻燃劑復(fù)配，在提升阻燃性能的同時(shí)兼顧保溫性能的提升，助力經(jīng)濟(jì)健康可持續(xù)發(fā)展。