建筑阻燃復(fù)合保溫材料的制備及性能研究

吉海軍 霍曉琴

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)有機(jī)保溫材料作為主要原材料進(jìn)行房屋構(gòu)建時(shí)存在的導(dǎo)熱系數(shù)高、密度大等缺陷，設(shè)計(jì)出一種建筑阻燃復(fù)合保溫材料，采用煙密度測(cè)試儀在有焰測(cè)試條件下對(duì)不同摻量的EPS保溫材料的光通量進(jìn)行測(cè)試，利用正交試驗(yàn)對(duì)該材料的性能進(jìn)行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，確定阻燃復(fù)合保溫材料的最佳配比。為保證阻燃復(fù)合保溫材料的阻燃性能，對(duì)該材料的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、吸水量以及軟化系數(shù)等性能的數(shù)值進(jìn)行有效控制，這有利于提升建筑阻燃復(fù)合保溫材料的多方面性能。

關(guān)鍵詞：建筑阻燃;保溫材料;性能測(cè)試;煙密度

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ328.4?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2022）01-0127-04

Study on preparation and properties of fire-retardant composite insulation materials for buildings

JI Haijun，HUO Xiaoqin

（Xi′an Vocational and Technical College，Xi′an 710077，China）

Abstract：In view of the defects such as high thermal conductivity and density of traditional organic heat preservation material as the main raw materials for house building，the authors designed a kind of flame retardant composite heat insulation material，using the smoke density tester in flame test under the condition of different dosage of EPS thermal insulation material of luminous flux test，with the orthogonal experiment to optimize the performance of the material.On the basis of this，the best ratio of flame retardant composite insulation material was determined.To ensure the flame retardant performance of flame retardant composite insulation material，the material′s density，thermal conductivity，compressive strength，tensile strength，water absorption and softening coefficient and other properties of the numerical control，was conducive to improve the performance of building flame retardant composite insulation material in various aspects.

Key words：building flame retardant;insulation material;performance test;smoke density

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，建筑領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)模呈上升趨勢(shì)變化，而該領(lǐng)域?qū)ㄖ镞M(jìn)行建造過(guò)程中，將保溫效果作為評(píng)價(jià)該建筑物性能優(yōu)良的主要因素之一。傳統(tǒng)建筑物主要采用有機(jī)保溫材料作為主要原材料進(jìn)行房屋構(gòu)建，但是該材料具有導(dǎo)熱系數(shù)高、容重大等缺陷，使建筑物的易燃性較高，存在不同程度的安全隱患。為此本研究對(duì)建筑阻燃復(fù)合保溫材料的最佳配比進(jìn)行研究，有利于降低建筑物的危險(xiǎn)系數(shù)。

1 建筑阻燃復(fù)合保溫材料的制備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

阻燃復(fù)合保溫材料制備的主要實(shí)驗(yàn)材料包括：ESP顆粒、空心微珠、快硬硫鋁酸鹽水泥、Ⅱ級(jí)粉煤灰、硅灰、氫氧化鈣、可分散膠粉5010N、有機(jī)硅憎水劑Silres BS 1042、聚丙烯纖維以及羥丙基甲基纖維素醚（HPMC），可分散膠粉5010N以及羥丙基甲基纖維素醚的規(guī)格為分析純，其余材料的規(guī)格均為工業(yè)級(jí)。為制備出性能優(yōu)良的建筑阻燃復(fù)合保溫材料，本研究按照各材料作用方面的不同進(jìn)行分類(lèi)，聚苯乙烯泡沫（EPS）顆粒和空心微珠材料具有一定支撐及填充作用，且導(dǎo)熱系數(shù)較低，可稱(chēng)為輕質(zhì)骨料;快硬硫鋁酸鹽水泥、Ⅱ級(jí)粉煤灰、硅灰、氫氧化鈣屬于一種無(wú)機(jī)膠凝材料;剩余材料均為外加劑[1]。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

電子天平（SPS4001）、攪拌機(jī)（QSD）、電熱鼓風(fēng)干燥箱（101-3A）、導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀（DRE-2C）、電腦系統(tǒng)拉力試驗(yàn)機(jī)（GT-TCS-2000）、掃描電子顯微鏡（JSM-6700F）、標(biāo)準(zhǔn)型錐形量熱儀以及煙密度測(cè)試儀（JQMY-2）[2]。

1.3 制備方法

本研究對(duì)阻燃復(fù)合保溫材料進(jìn)行制備時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)空氣溫度設(shè)置為（23+2）℃、相對(duì)濕度設(shè)置為（60±15）%，并對(duì)模具內(nèi)部涂刷一層脫模劑，有利于材料制備完成后脫模更加便捷;脫模劑涂刷完畢后即可將保溫漿料放置于模具中，其中脫模劑主要為機(jī)油。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，將試驗(yàn)樣本于標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，建筑阻燃復(fù)合保溫材料的制備流程如圖1所示[3]。

2 建筑阻燃復(fù)合保溫材料的性能測(cè)試方法

2.1 干表觀密度測(cè)試

對(duì)該材料的干表觀密度進(jìn)行測(cè)試時(shí)，將阻燃復(fù)合保溫材料的制備流程作為主要依據(jù)，其測(cè)試流程：首先在標(biāo)準(zhǔn)條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行制備，將制備成功的材料放入準(zhǔn)備好的模具中，在其上面用聚乙烯薄膜密封養(yǎng)護(hù)5 d后完成脫模程序;脫模后的材料繼續(xù)用聚乙烯薄膜密封養(yǎng)護(hù)2 d后去除聚乙烯薄膜。在養(yǎng)護(hù)21 d即可得到測(cè)試樣本，將樣本置于（65±2）℃的烘箱中完成烘干，直至樣本的質(zhì)量處于恒重狀態(tài)后，對(duì)該樣本的質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)取;成功獲取質(zhì)量數(shù)據(jù)后，測(cè)量該材料的尺寸，并計(jì)算其體積，將二者相除即可得到阻燃復(fù)合保溫材料的干表觀密度。

2.2 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

本研究對(duì)阻燃復(fù)合保溫材料進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試時(shí)，主要利用DRE-2C導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x作為測(cè)試核心儀器，其試驗(yàn)樣本尺寸切割為300 mm×300 mm×30 mm，并通過(guò)瞬態(tài)平面熱源方法完成性能測(cè)試，該方式具有測(cè)試范圍廣、材料種類(lèi)較多等優(yōu)勢(shì)，有利于導(dǎo)熱系數(shù)的精準(zhǔn)性[4]。

2.3 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

對(duì)阻燃復(fù)合保溫材料的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試時(shí)，將該材料的尺寸控制在100 mm×100 mm×30 mm，保證該實(shí)驗(yàn)樣本的表面平整性。實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備完畢后，將該樣本置于承壓板上，以（10±1）mm/min的速度對(duì)樣本進(jìn)行壓力負(fù)荷的增加，直至樣本材料被破壞后停止操作;準(zhǔn)確記錄被破壞的樣本材料的載荷，即可得到抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)。若樣本的形狀較之前變化5%后，說(shuō)明仍未出現(xiàn)被破壞的情況，則5%時(shí)的強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度[5]。

2.4 抗拉強(qiáng)度測(cè)試

對(duì)阻燃復(fù)合保溫材料的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試時(shí)，將該材料的尺寸控制在40 mm×40 mm×40 mm，保證該實(shí)驗(yàn)樣本的表面平整性。利用膠粘劑將試驗(yàn)樣本的上、下受檢面與試驗(yàn)板粘貼在一起，并將其置于拉力試驗(yàn)機(jī)中，拉力試驗(yàn)機(jī)的拉伸速度設(shè)置為（5±1）mm/min，直至試驗(yàn)樣本被破壞后停止實(shí)驗(yàn)，并準(zhǔn)確記錄此時(shí)的破壞載荷，將該數(shù)據(jù)除以樣本截面積即可得到抗拉強(qiáng)度[6]。

2.5 軟化系數(shù)測(cè)試

為驗(yàn)證阻燃復(fù)合保溫材料的軟化系數(shù)，本研究首先對(duì)該材料進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)完成后將該材料切割成若干個(gè)尺寸相同的試驗(yàn)樣本，對(duì)其中一部分試驗(yàn)樣本進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，抗壓強(qiáng)度記作P1;測(cè)試完成后，準(zhǔn)備（20±5）℃的水，將未測(cè)試的試驗(yàn)樣本浸入至水中48 h，保證水面高度超出試驗(yàn)樣本2 cm以上;浸泡完畢后將其取出，擦去試驗(yàn)樣本表面浮水后，對(duì)其抗壓強(qiáng)度P2進(jìn)行測(cè)試，抗壓強(qiáng)度P1除以P2即為軟化系數(shù)[7]。

2.6 吸水量測(cè)試

為驗(yàn)證阻燃復(fù)合保溫材料的吸水量，首先對(duì)該材料進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并將該材料切割成200 mm×200 mm×20 mm的試驗(yàn)樣本，并對(duì)該樣本進(jìn)行全方位密封防水處理，然后對(duì)該樣本的質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)取;準(zhǔn)備工作完成后，將該樣本表面朝下置于水中浸泡1 h，其水面高度應(yīng)超過(guò)樣本10 mm。最后，取出試驗(yàn)樣本擦去浮水稱(chēng)取質(zhì)量，將樣本浸入水后測(cè)得的質(zhì)量與浸入水時(shí)樣本的面積相除，即可得到該樣本的吸水量[8]。

3 建筑阻燃復(fù)合保溫材料性能研究

3.1 阻燃復(fù)合保溫材料煙密度測(cè)試

為驗(yàn)證復(fù)合材料的煙密度，本研究選用添加量分別為9%、10%的EPS材料在有焰的測(cè)試條件下，利用煙密度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)添加量為10%的EPS材料光通量下降趨勢(shì)明顯高于添加量為9%的EPS材料，其光通量在84%后處于穩(wěn)定狀態(tài);而添加量為9%的EPS材料前700 s內(nèi)光通量的下降趨勢(shì)處于平穩(wěn)狀態(tài)下降，此時(shí)光通量數(shù)值為92%，最后500 s內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)。由各項(xiàng)數(shù)據(jù)可知，有機(jī)骨料EPS的添加量可直接決定阻燃復(fù)合保溫材料的性能[9]。

對(duì)煙密度測(cè)試后的保溫材料形態(tài)進(jìn)行分析可知，EPS添加量為10%的保溫材料未出現(xiàn)焰燃燒現(xiàn)象，僅在點(diǎn)火區(qū)域出現(xiàn)變黑情況。但該材料表面出現(xiàn)許多空隙，其空隙的產(chǎn)生源于EPS顆粒在受熱情況下可產(chǎn)生陰燃、熔融等反應(yīng)所致。

3.2 阻燃復(fù)合保溫材料正交試驗(yàn)

為得到阻燃復(fù)合保溫材料的最佳配比，本研究利用正交試驗(yàn)對(duì)該材料進(jìn)行優(yōu)化。正交試驗(yàn)實(shí)際上指的是對(duì)4因素、3水平的確定，其中4因素指的是輕質(zhì)骨料、粉煤灰、硅灰以及聚丙烯（PP）纖維。4因素選擇完畢后，將輕質(zhì)骨料中的EPS顆粒與空心微珠按照7∶3的體積比進(jìn)行復(fù)配，即可得到正交試驗(yàn)表;正交試驗(yàn)表如表1所示[10]。

對(duì)阻燃復(fù)合保溫材料進(jìn)行正交試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)固定原材料的比例，在此基礎(chǔ)上按照不同配比對(duì)試驗(yàn)樣本進(jìn)行制備，并驗(yàn)證該樣本的性能;正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

結(jié)合4因素的極差對(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析可知，4個(gè)因素對(duì)阻燃復(fù)合保溫材料的抗壓強(qiáng)度影響順序由高至低依次為：PP纖維、輕質(zhì)骨料、粉煤灰、硅灰;對(duì)阻燃復(fù)合保溫材料的干密度影響順序由高至低依次分別為：輕質(zhì)骨料、硅灰粉、煤灰、PP纖維;對(duì)阻燃復(fù)合保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)影響順序由高至低依次分別為：輕質(zhì)骨料、PP纖維、硅灰、粉煤灰。最終獲取阻燃復(fù)合保溫材料中粉煤灰、硅灰、輕質(zhì)骨料以及纖維的最佳配比依次分別為：22%、16%、10%、0.25%;為保證阻燃復(fù)合保溫材料的阻燃性能，應(yīng)對(duì)該材料的干表觀密度、導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、吸水量以及軟化系數(shù)等性能的數(shù)值進(jìn)行有效控制，其數(shù)值依次分別為：224 kg/m3、0.052 W/（m· K）、0.41 MPa、0.26 MPa、763 g/m3、0.92。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究為驗(yàn)證建筑阻燃復(fù)合保溫材料的性能，利用煙密度測(cè)試儀在有焰測(cè)試條件下對(duì)不同摻量的EPS保溫材料的光通量進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果表明，有機(jī)骨料EPS的摻加量對(duì)于阻燃復(fù)合保溫材料的性能具有重要影響。為得到阻燃復(fù)合保溫材料的最佳配比，通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)建筑阻燃復(fù)合保溫材料的性能測(cè)試進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的建筑阻燃復(fù)合保溫材料在性能方面存在較大優(yōu)勢(shì)，可將其應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。

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