纖維增強建筑復(fù)合保溫發(fā)泡材料的制備及性能研究*

白翔宇，蔡韓英，張利偉

(1. 新鄉(xiāng)學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2. 新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，河南 新鄉(xiāng) 453006)

0 引 言

近年來，隨著我國工業(yè)技術(shù)和建筑業(yè)的不斷發(fā)展，能源問題已經(jīng)逐漸成為了制約我國發(fā)展的主要矛盾，開發(fā)綠色能源和節(jié)能降耗已經(jīng)成為了首要問題[1-2]。其中，建筑節(jié)能在節(jié)能降耗中占據(jù)著重要一環(huán)，目前我國建筑行業(yè)中多數(shù)工程都屬于高能耗建筑，墻體的能耗又占了很大一部分，開發(fā)建筑行業(yè)的降耗材料是實現(xiàn)綠色能源和降耗的重要舉措[3]。通常保溫材料多用于建筑內(nèi)外墻、保溫層裝飾板、保溫砂漿以及保溫水泥等，通過選擇較低導(dǎo)熱系數(shù)的保溫發(fā)泡材料可以有效實現(xiàn)保溫隔熱的目的。發(fā)泡保溫材料因具有良好的力學(xué)性能、質(zhì)量輕、抗震隔音、密度較低和熱導(dǎo)率較低等特點，成為了節(jié)能降耗、實現(xiàn)綠色環(huán)保理念的重點研究方向[4-5]。

傳統(tǒng)的保溫材料分為有機保溫材料和無機保溫材料兩大類，無機保溫材料主要有膨脹珍珠巖、玻璃棉、中空玻化微珠、巖棉、閉孔珍珠巖等，其導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.050 W/(m·K)以下[6-8]，有機保溫材料主要有聚氨酯泡沫、聚苯板、酚醛泡沫等，有機保溫材料具有重量輕、可加工性好、致密性高、保溫隔熱效果好等優(yōu)點[9-10]，也是目前使用較多的保溫材料，但是也具有不耐老化、變形系數(shù)大、穩(wěn)定性差等缺點[11-13]，對于有機保溫材料的改性目前主要是添加改性材料、采用特殊阻燃劑以及調(diào)整固化劑、發(fā)泡劑、表面活性劑的配比等來提高保溫材料的耐熱性能和韌性等實現(xiàn)的[14-15]。近年來，對于保溫材料的改性研究也越來越多。王塵等利用有機硅憎水劑對珍珠巖進行憎水改性處理，并將改性后的珍珠巖分別與聚乙烯醇(PVA)、脲醛樹脂(UF)以及三聚氰胺脲醛樹脂(MUF)進行填充復(fù)配制得3種復(fù)合材料，對各項性能進行測試表征，結(jié)果表明，改性處理后的珍珠巖復(fù)合材料的阻燃性能有效增強，且表現(xiàn)出一定的協(xié)同效應(yīng)，采用PVA的復(fù)合材料密度最低為185.8 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)最低為0.046 W/(m·K)，煙密度僅為10%，受熱分解慢，而采用UF和MUF時其復(fù)合材料均表現(xiàn)出良好的阻燃特性，MUF復(fù)合材料氧指數(shù)達到了52.5%[16]。王恩洪等以可發(fā)性聚苯乙烯(EPS)為基材，以酚醛樹脂(PF)為膠粘劑，以可膨脹石墨(EG)與聚磷酸銨(APP)為阻燃劑，采用包覆法制備了兼具無鹵阻燃性能好和力學(xué)性能優(yōu)的EPS外墻保溫材料，并探究了制備EPS泡沫保溫板的工藝，制得EPS/PFEPS/EG和EPS/PF/EG/APP復(fù)合材料，研究表明，使用PF作膠粘劑制得的EPS泡沫保溫板壓縮強度明顯提高，極限氧指數(shù)(LOI)值達到28.0%，阻燃劑EG的加入，使得EPS板的阻燃性能、粘接性能及力學(xué)性能進一步提高，當(dāng)EG為4質(zhì)量份時，LOI值達到了29.5%，當(dāng)APP含量為8份時，體系的粘接性能和壓縮強度最好，EPS/PF/EG/APP復(fù)合材料的LOI值最高達到了33.0%[17]。

本文以酚醛樹脂為基體，短切玻璃纖維為改性材料，制備出了不同纖維含量(0，3%，6%和9%)(質(zhì)量分數(shù))的纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料。對復(fù)合保溫發(fā)泡材料的力學(xué)性能、微觀形貌和導(dǎo)熱性能等進行了分析，力求獲得綜合性能最佳的纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

短切玻璃纖維：長度約1～1.2 cm，購買于泰安浩華工程材料有限公司；苯酚：分析純，購買于國藥集團化學(xué)試劑有限公司；多聚甲醛：CAS：30525-89-4，分子量為30.03，工業(yè)級，購買于國藥集團化學(xué)試劑有限公司；二甲基甲酰胺，購買于國藥集團化學(xué)試劑有限公司；丙三醇(又名甘油)：分析純，購買于國藥集團化學(xué)試劑有限公司；苯酚磺酸：分析純，購買于國藥集團化學(xué)試劑有限公司；硅油：粘度為100 cs，購買于北京頂業(yè)工貿(mào)有限公司；吐溫-80：CAS RN:9005-65-6，購買于國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 樣品制備

酚醛樹脂的合成：選擇苯酚和多聚甲醛為原料，按照摩爾比1∶1.5稱取多聚甲醛、苯酚加入到三口燒瓶，隨后加入與苯酚等質(zhì)量的N-N 二甲基乙醇胺和質(zhì)量為苯酚質(zhì)量5%的甘油，將三口燒瓶在油浴鍋中控制溫度為65 ℃下混合攪拌30 min，然后在98 ℃下保持約2 h。待反應(yīng)完成后用冷水浴將混合物冷卻至60～70 ℃，加入苯酚質(zhì)量5%的尿素來去除游離酚和游離甲醛，混合攪拌30 min后冷卻至室溫。

纖維改性：稱取5份正戊烷為發(fā)泡劑，12份65%苯酚磺酸溶液作為固化劑，2份硅油為勻泡劑，稱取7份表面活性劑吐溫-80，不同含量的短切玻璃纖維(0，3%、6%和9%)(質(zhì)量分數(shù))和100份酚醛樹脂，用攪拌器充分攪拌1 h后均勻混合，隨后倒入75 ℃預(yù)熱的模具中成型，在75 ℃下固化30 min即得纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料，隨后制備成測試樣品以備測試。

1.3 樣品的測試與表征

抗壓強度的測試按照GB/T8813-1988《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮試驗方法》進行，采用電子萬能試驗機進行測試，試樣尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，加載速率給定為2 mm/min，每組樣品測試10個，取平均值為測試結(jié)果；拉伸性能的測試按照GB/T9641-1988《硬質(zhì)泡沫塑料拉伸性能試驗方法》進行，試樣尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，給定加載速率為2 mm/min，每組樣品測試10個，取平均值為測試結(jié)果；按照GBT8810-2005《硬質(zhì)泡沫塑料吸水率的測定》進行制樣，并對纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的吸水率進行測試，每組測試5個樣品，隨后取平均值作為測試結(jié)果；按照GB/T 12812-2006《硬質(zhì)泡沫塑料易碎性的測定》對纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的易脆率進行分析，通過對發(fā)泡材料進行摩擦作用時計算質(zhì)量的損失率，每組樣品測試5次，取均值為最終結(jié)果；采用日本日立公司SU1510型掃描電鏡(SEM)分析樣品的微觀形貌；導(dǎo)熱系數(shù)的大小是評定復(fù)合保溫發(fā)泡材料的保溫性能的重要指標(biāo)，導(dǎo)熱系數(shù)越低對保溫越好，采用導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，選擇穩(wěn)態(tài)平板法對復(fù)合保溫發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的力學(xué)性能分析

圖1為纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的抗壓強度和拉伸強度曲線。從圖1可以看出，纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的抗壓強度和拉伸強度均隨著纖維含量的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。當(dāng)纖維的含量為6%(質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的抗壓強度和拉伸強度均達到了最大值，分別為0.241和0.115 MPa，相比未摻雜纖維的保溫發(fā)泡材料的抗壓強度和拉伸強度分別上升了8.07%和47.4%；當(dāng)纖維的含量繼續(xù)增加，達到9%(質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的抗壓強度和拉伸強度均出現(xiàn)了明顯下降。

圖1 纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的抗壓強度和拉伸強度曲線Fig 1 Compressive strength and tensile strength curves of fiber reinforced composite thermal insulation foam material

2.2 纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的吸水率分析

圖2為纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的吸水率測試曲線。從圖2可以看出，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的吸水率隨著纖維含量的增加呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，當(dāng)纖維的含量為6%(質(zhì)量分數(shù))時，吸水率達到最小值27.9%。由圖2可知，所有復(fù)合保溫發(fā)泡材料的吸水率均小于35%，纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的吸水率較低，屬于不易吸水材料。

圖2 纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的吸水率分析Fig 2 Water absorption analysis of fiber reinforced composite thermal insulation foam material

2.3 纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的易脆率分析

用易脆率來評價纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料受到摩擦?xí)r質(zhì)量損失的多少，也間接反映了材料的韌性。圖3為纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的易脆率測試曲線。從圖3可以看出，未摻雜纖維的復(fù)合保溫發(fā)泡材料的易脆率最大為19.8%，隨著纖維含量的增加，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的易脆率逐漸降低，當(dāng)纖維的含量為9%(質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的易脆率最低為10.2%，說明摻入纖維后復(fù)合保溫發(fā)泡材料的易脆率得到了改善，且隨著纖維含量的增加，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的韌性越強，這是因為摻入的纖維可以均勻地分布在復(fù)合保溫發(fā)泡材料的基體中，對基體產(chǎn)生強大的“連接”效果，并起到支柱作用，從而使基體分子結(jié)合更加緊密，降低了氣孔率，也改善了韌性。從圖3曲線可以看出，纖維含量為3%～6%(質(zhì)量分數(shù))的復(fù)合保溫發(fā)泡材料的易脆率改善幅度明顯大于纖維含量為6%～9%(質(zhì)量分數(shù))的復(fù)合保溫發(fā)泡材料，可知當(dāng)纖維摻量達到一定值時，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的韌性改善幅度明顯減慢，這是因為纖維含量達到一定程度后，會導(dǎo)致部分的泡孔破裂，雖然整體依舊會改善韌性，降低易脆率，但改善幅度就會減弱。綜合來看，當(dāng)纖維含量為6%(質(zhì)量分數(shù))時，易脆率改善的性價比最好。

圖3 纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的易脆率測試Fig 3 Brittleness test of fiber-reinforced composite thermal insulation foam material

2.4 纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的SEM分析

圖4為纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的SEM圖。從圖4(a)可以看出，未摻雜纖維的復(fù)合保溫發(fā)泡材料的氣孔較多且直徑較大約為500～650 μm。從圖4(b)和(c)可以看出，隨著纖維的摻入，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的氣孔尺寸明顯變小，氣孔均勻地分布在基體中且數(shù)量較少，當(dāng)纖維的含量為6%(質(zhì)量分數(shù))時，氣孔尺寸最小約300 μm。從圖4(d)可以看出，當(dāng)纖維的含量增加到9%(質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的氣孔數(shù)量有增多的趨勢，且尺寸分布不均勻，有較大氣孔出現(xiàn)。這是因為摻入適量纖維后，對發(fā)泡的氣孔增長有阻礙作用，纖維均勻分布在基體中，使復(fù)合保溫發(fā)泡材料的整體致密性增加，且纖維在復(fù)合保溫發(fā)泡材料中產(chǎn)生了較強的連接作用，但當(dāng)纖維含量大于一定值后，過多纖維會導(dǎo)致部分的泡孔破裂，導(dǎo)致支柱效果減弱，使局部的氣泡孔徑增大。綜上可知，纖維的含量為6%(質(zhì)量分數(shù))時，效果最佳。

圖4 纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的SEM圖Fig 4 SEM images of fiber reinforced composite thermal insulation foam material

2.5 纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的導(dǎo)熱性分析

圖5為纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)分析曲線。從圖5可以看出，摻入纖維后，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)均出現(xiàn)降低，隨著纖維含量的增加，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。未摻雜纖維的復(fù)合保溫發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.037 W/(m·K)，當(dāng)纖維的含量為6%(質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)達到了最低值為0.033 W/(m·K)，相比未摻雜的材料，導(dǎo)熱系數(shù)降低了10.81%；當(dāng)纖維的含量達到9%時，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)上升至0.036 W/(m·K)，這也與之前的SEM分析相吻合，當(dāng)纖維的含量達到一定值后，繼續(xù)增加纖維會導(dǎo)致復(fù)合保溫發(fā)泡材料的氣孔破裂，纖維對整體的支柱效果減弱，從而導(dǎo)致復(fù)合保溫發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)出現(xiàn)上升[18]。綜上來看，當(dāng)纖維的含量為6%(質(zhì)量分數(shù))時，纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的綜合性能最佳。

圖5 纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)分析Fig 5 Thermal conductivity analysis of fiber reinforced composite thermal insulation foam material

3 結(jié) 論

(1)隨著纖維含量的增加，纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的抗壓強度和拉伸強度均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，當(dāng)纖維的含量為6%(質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的抗壓強度和拉伸強度都達到了最大值，分別為0.241和0.115 MPa。

(2)隨著纖維含量的增加，纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料的吸水率呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢，當(dāng)纖維的含量為6%(質(zhì)量分數(shù))時，吸水率達到最小值27.9%。

(3)隨著纖維含量的增加，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的易脆率逐漸降低，韌性逐漸增強。當(dāng)纖維的含量為9%(質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的易脆率最低為10.2%。此外，當(dāng)纖維摻量達到一定值時，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的韌性改善幅度明顯減慢，綜合來看，當(dāng)纖維含量為6%(質(zhì)量分數(shù))時，易脆率改善的性價比最好。

(4)隨著纖維的摻入，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的氣孔尺寸明顯變小，氣孔均勻地分布在基體中且數(shù)量較少，當(dāng)纖維的含量為6%(質(zhì)量分數(shù))時，氣孔尺寸最小約300 μm；當(dāng)纖維的含量增加到9%(質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的氣孔數(shù)量有增多的趨勢，且尺寸分布不均勻，有較大氣孔出現(xiàn)。

(5)隨著纖維含量的增加，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。當(dāng)纖維的含量為6%(質(zhì)量分數(shù))時，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)達到了最低值為0.033 W/(m·K)，當(dāng)纖維的含量達到9%時，復(fù)合保溫發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)上升至0.036 W/(m·K)。

總結(jié)以上分析可知，當(dāng)纖維的含量為6%(質(zhì)量分數(shù))時，纖維增強復(fù)合保溫發(fā)泡材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)、良好的力學(xué)性能和施工性能，可以有效用于建筑內(nèi)外墻保溫材料及保溫板，在建筑節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用中具有長遠的前景。