有機(jī)樹脂增韌磷酸鹽復(fù)合發(fā)泡外墻保溫材料的工藝研究

＊周楠 賈近 張東興

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 黑龍江 150006）

在建房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系中，外圍墻體為主體，這是建筑房屋熱能消耗的主要來源。因此，開拓高效建筑房屋的外圍墻體節(jié)能技術(shù)是十分關(guān)鍵的[1]。復(fù)合墻體保溫體系可分為外墻外保溫體系、外墻內(nèi)保溫體系和夾芯復(fù)合保溫體系[2]。其中，最有效的方法是外墻外保溫體系,可以隔斷冷、熱橋，延長結(jié)構(gòu)墻體的使用年限[3]。

本文基于防火保溫材料的現(xiàn)狀，擬研制一種不燃性保溫材料，并研究有機(jī)物含量對復(fù)合發(fā)泡板的力學(xué)性能、表觀密度、粉化率、燃燒性和導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

1.實驗部分

(1)實驗材料

磷酸（85%），天津市永大化學(xué)試劑有限公司；司班60為化學(xué)純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；脲醛樹脂為E2級，長春脲醛膠廠；玻璃纖維為工業(yè)用級別，哈爾濱三元玻璃纖維公司；氫氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、碳酸鈣和堿式碳酸鎂均為分析純。

(2)實驗儀器及設(shè)備

電動攪拌器（JJ-1A，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司）；電熱鼓風(fēng)干燥箱（101型，北京市永光明醫(yī)療儀器廠）；微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)（WDW-10，威海市試驗機(jī)制造有限公司）；氧指數(shù)測定儀（HC-2，南京江寧分析儀器廠）。

(3)有機(jī)/無機(jī)復(fù)合發(fā)泡板的制備

磷酸二氫鋁、金屬氧化物和碳酸鈣（發(fā)泡劑）反應(yīng)形成泡沫板的基本骨架。添加脲醛樹脂可以適當(dāng)提高體系黏度，保護(hù)氣泡在固化前不會溢出，并且脲醛樹脂遇酸可在常溫固化，故在酸性磷酸鹽的作用下，混合復(fù)合板在常溫即可完成固化定型。復(fù)合發(fā)泡過程選用司班60為穩(wěn)泡劑。

①磷酸鹽/脲醛樹脂復(fù)合發(fā)泡板的制備工藝

將磷酸與氫氧化鋁以4.44:1的比例進(jìn)行反應(yīng)，得到透明澄清的磷酸二氫鋁溶液。取適量樹脂加入金屬氧化物（MgO和ZnO），碳酸鹽（CaCO3）和表面活性劑（司班60），然后將制備的磷酸二氫鋁溶液快速倒入含有脲醛樹脂的混合粘液中，快速攪拌3s后倒入模具中，常溫靜置固化后脫模；脲醛樹脂黏度為44.682mm2/s。

②纖維增強(qiáng)磷酸鹽/脲醛樹脂復(fù)合發(fā)泡板的制備

選用玻璃纖維對復(fù)合發(fā)泡板進(jìn)行力學(xué)增強(qiáng)，研究玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.05%，0.10%，0.15%，0.20%時對發(fā)泡板的性能影響。

將玻璃纖維和金屬氧化物、碳酸鈣和表面活性劑共同分散在樹脂溶液中，再將制備好的磷酸鹽溶液倒入之前混勻的樹脂里，快速攪拌3s后（攪拌速度1000rad/min），靜置固化得到復(fù)合發(fā)泡板。

2.結(jié)果與討論

(1)磷酸鹽/脲醛樹脂復(fù)合發(fā)泡板的制備工藝的確定

①正交試驗

影響發(fā)泡板質(zhì)量的主要因素有磷酸鹽的含量，金屬氧化物的含量，發(fā)泡劑的含量等，故設(shè)計正交試驗，用100g的磷酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%）為對比項，依次改變氧化鋅、氧化鎂、碳酸鈣、脲醛和司班60的用量，設(shè)計一個5水平5因素的正交試驗，表1為5個影響因素各自對應(yīng)的5個工藝水平（其中脲醛的含量是占所有無機(jī)物發(fā)泡體基體的百分比，司班60的用量是占加入脲醛量的百分比）。

表1 各影響因子的對應(yīng)水平

②正交試驗的壓縮性能結(jié)果分析

表2為正交實驗的壓縮性能分析結(jié)果，K1行的值分別是因素A，B，C，D，E第一水平對應(yīng)發(fā)泡板的壓縮強(qiáng)度總和，以此類推，K2，K3，K4，K5行中各自對應(yīng)的5個數(shù)值，分別是因素A，B，C，D，E的第2，3，4，5五水平所對應(yīng)的壓縮強(qiáng)度總和。k1，k2，k3，k4，k5各行中的數(shù)值，分別是5個影響因素各水平所對應(yīng)壓縮強(qiáng)度的平均值。平均值的最大與最小值之差為極差，極差不同則代表5個影響因素對發(fā)泡體的壓縮強(qiáng)度影響程度不同。極差越大，該影響因素對壓縮強(qiáng)度的影響越大。5個因素對壓縮強(qiáng)度的影響程度比較為：C＞A＞B＞D＞E。

表2 復(fù)合發(fā)泡板壓縮強(qiáng)度正交試驗結(jié)果（單位：MPa）

正交實驗結(jié)果如圖1。由圖可得，C因素用量越少越好；A因素最佳用量在A2～A4范圍內(nèi)；B因素最佳用量在B1，B4，B5中選取；D因素最佳用量在D2，D3，D4，D5之中選取；E因素最佳用量在E3，E4，E5中選取。

圖1 壓縮強(qiáng)度隨各影響因素變化的趨勢

③正交試驗的表觀密度結(jié)果分析

表3為正交實驗的表觀密度g/cm3分析結(jié)果，5個因素對表觀密度的影響程度為：B＞A＞C＞D＞E。根據(jù)正交實驗結(jié)果如圖2，由圖2可知，B因素的用量越小越好；A因素的用量控制在少量為好；C因素的用量越多越好；D因素的用量在D2，D3，D4，D5中選擇；E因素的用量在E3，E4，E5中選取。

表3 復(fù)合發(fā)泡板表觀密度正交試驗結(jié)果

圖2 表觀密度隨各影響因素變化的趨勢

④正交試驗的粉化率結(jié)果分析

表4為正交實驗的粉化率分析結(jié)果，5個因素對粉化率的影響程度為：D＞B＞A＞E＞C。根據(jù)正交實驗結(jié)果如圖3。D因素的用量越多越好，B因素的用量越多越好，粉化率隨A因素（MgO）的用量出現(xiàn)了非線性變化，這主要是因為MgO的用量主要影響無機(jī)膠黏劑的固化時間，當(dāng)MgO的用量超過一定值時，固化時間太快，使整個體系來不及充分反應(yīng)，最終影響到泡體的強(qiáng)度；E因素（司班60）的用量應(yīng)該在樹脂用量的0.4%～0.8%。

表4 復(fù)合發(fā)泡板粉化率正交試驗結(jié)果（單位：%）

續(xù)表

圖3 粉化率隨各影響因素變化的趨勢

復(fù)合發(fā)泡板的工藝配方為：磷酸（85%）10g，氫氧化鋁2.25g，氧化鎂1.10g，氧化鋅2.40g，碳酸鈣0.90g，脲醛樹脂12g，司班60用量0.12g。制得的復(fù)合發(fā)泡板與全無機(jī)發(fā)泡板相比，表觀密度減小近一半，為0.223g/cm3，粉化率減小到6.35%，壓縮強(qiáng)度增大到0.151MPa。

(2)纖維增強(qiáng)復(fù)合發(fā)泡板的彎曲性能研究

玻璃纖維的添加量對復(fù)合發(fā)泡體彎曲斷裂力的影響如圖4所示。復(fù)合發(fā)泡體的彎曲斷裂力隨玻璃纖維用量的增加而增加，在用量超過0.10%時，其彎曲斷裂力增加速度加大，用量0.20%時，增大到21N。

圖4 玻纖用量對彎曲斷裂力的影響

(3)纖維增強(qiáng)復(fù)合發(fā)泡板的壓縮強(qiáng)度的研究

對壓縮強(qiáng)度隨玻纖用量的變化進(jìn)行研究可得，復(fù)合發(fā)泡體的壓縮強(qiáng)度隨纖維添加量增加而增加，不添加玻璃纖維時，復(fù)合發(fā)泡體的壓縮強(qiáng)度為0.154MPa；玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%時，其壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大值0.237MPa。

(4)纖維增強(qiáng)復(fù)合發(fā)泡板的粉化率研究

對玻璃纖維添加量對縫合發(fā)泡體粉化率的影響進(jìn)行研究。粉化率隨玻璃纖維添加量的增加而減小，從不添加纖維時的7.85%迅速降至玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.20%時的4.96%。

(5)纖維增強(qiáng)復(fù)合發(fā)泡板的導(dǎo)熱性能

常見保溫材料如EPS、酚醛泡沫和硅酸鈣保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.041、0.033和0.055～0.064W/(m·K)之間。本文制備的復(fù)合發(fā)泡板導(dǎo)熱系數(shù)為0.034W/(m·K)，比目前常用的無機(jī)保溫材料低。

(6)復(fù)合發(fā)泡板的氧指數(shù)性能

測試復(fù)合發(fā)泡板的氧指數(shù)來表征發(fā)泡板的阻燃性能，在燃燒桶氧濃度高達(dá)50%時復(fù)合發(fā)泡板不能被點燃，從而不能得到其燃燒時間。50%氧濃度測試前后試樣幾乎沒有任何變化。與常用有機(jī)保溫板（氧指數(shù)≤35[4]）相比，復(fù)合發(fā)泡板有優(yōu)異的不燃性能。

3.結(jié)論

（1）磷酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)43.43%，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.03%，ZnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.80%，CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.30%，脲醛樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)40.00%，司班60質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.44%為復(fù)合發(fā)泡板最佳配方，發(fā)泡體表觀密度為0.223g/cm3，粉化率為7.85%，壓縮強(qiáng)度為0.151MPa，抗彎曲斷裂力為11.33N。

（2）玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%的磷酸鹽/脲醛復(fù)合發(fā)泡板，壓縮強(qiáng)度達(dá)到0.237MPa，抗彎曲斷裂力21N，粉化率為4.96%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.034W/(m·K)，低于常用無機(jī)發(fā)泡板；氧指數(shù)實驗顯示在燃燒桶內(nèi)氧濃度高達(dá)50%時，其不燃性是純有機(jī)泡沫塑料不可企及的。