建筑墻體的纖維增強聚氨酯保溫材料制備及性能研究

林飛燕

（泉州市建設工程質量安全站，福建 泉州 362000）

隨著我國2022年《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》的出臺，要求2025年基本形成綠色、低碳、循環(huán)的建設發(fā)展方式，對我國建筑質量和建筑節(jié)能水平提出了更高的要求。建筑墻體保溫作為提高建筑節(jié)能效果的主要手段之一，保溫材料的物理性能、力學性能、經濟性和適用性直接影響了建筑節(jié)能水平。因此，研制一種保溫性能好、安全穩(wěn)定、經濟適用的建筑墻體保溫材料具有重要工程意義和實用價值。

建筑墻體保溫材料主要分為無機保溫材料和有機保溫材料，目前應用和研究重點是保溫性能更好的有機保溫材料[1]。但是，傳統(tǒng)的有機保溫材料存在易燃、耐久性低、價格昂貴和力學性能差等問題，為此各國學者針對有機保溫材料在建筑墻體中的應用開展了大量的理論研究和實驗[2]。在有機保溫材料中，發(fā)泡材料具有良好的物理力學性能，優(yōu)點主要表現(xiàn)在質輕、熱導率低、耐久性能好等方面，成為建筑節(jié)能和綠色建筑重點研究方向。其中，又以聚氨酯發(fā)泡材料為主，因其質量輕、使用壽命長、導熱系數(shù)在現(xiàn)有材料中最低等優(yōu)點，目前在建筑墻體保溫市場中占據很大的份額[3-4]。然而，聚氨酯泡沫的生產成本通常較高，同樣存在易燃、力學性能無法滿足外墻保溫的應用要求等不足。這些不足使聚氨酯泡沫在建筑墻體保溫節(jié)能的應用，特別是外墻保溫中受到較大的限制。目前有學者對聚氨酯發(fā)泡材料的性能進行了改進，并提出了配置方法，例如，王大壯等[5]應用秸稈纖維增強聚氨酯保溫材料；崔峻[6]提出采用短切碳纖維對聚氨酯泡沫進行改進；魏建國[7]等提出采用長玻璃對硬質聚氨酯泡沫材料進行增強，獲得了材料的力學指標及影響材料性能的主要因素。但是，由于原材料的不同和在實際工程中的應用推廣較少，目前仍未根本解決聚氨酯材料在建筑墻體保溫中的應用問題，纖維增強聚氨酯材料在建筑墻體中的應用尚未形成統(tǒng)一的標準。

因此，本文通過采用玻璃纖維材料對聚氨酯發(fā)泡材料進行增強，在保障其保溫性能的基礎上，優(yōu)化力學性能。最終，提出纖維增強聚氨酯發(fā)泡材料的研制方法，并對其物理力學性能進行了測試，可為類似材料的制備和應用提供參考。

1 實驗研究

1.1 主要原材料及儀器

制備聚氨酯發(fā)泡材料的主要原材料為：多亞甲基多苯基多異氰酸酯（煙臺萬華），聚醚多元醇，泡沫穩(wěn)定劑為硅油，發(fā)泡劑為五氟丁烷（HFC-365MFC）、高活性催化劑為五甲基二乙烯三胺和二甲基環(huán)己胺。另外，還需要準備實驗用的脫模劑和水。

材料增強用的纖維為短切玻璃纖維，實驗用的玻璃纖維長度一般控制在0.8cm～1.2cm范圍內，纖維直徑為10μm～12μm。

制備玻璃纖維增強的聚氨酯發(fā)泡材料還需要以下設備，見表1。

表1 制備材料的主要設備

1.2 材料制備

玻璃纖維增強聚氨酯發(fā)泡材料的制備與傳統(tǒng)聚氨酯發(fā)泡材料制備的區(qū)別在于摻入玻璃纖維。其中，增強材料最基本的原則是要保證不影響聚氨酯發(fā)泡材料的保溫性能，因此，玻璃纖維的含量不能隨意添加，需要根據配置后增強材料的導熱系數(shù)測試結果來調整玻璃纖維的摻量。通過多次實驗結果和相關文獻發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維在2%～10%范圍內可滿足導熱系數(shù)的需求。因此，實驗設計采用質量分數(shù)為2%、4%、6%、8%、10%的玻璃纖維配置增強材料，然后再對摻入玻璃纖維前后的材料性能進行分析。

玻璃纖維增強聚氨酯發(fā)泡材料的制備流程如下：

（1）按照聚氨酯發(fā)泡材料的制作原則，首先，將一定質量的聚醚多元醇、發(fā)泡劑HFC-365MFC、催化劑和硅油放置在塑料杯中，配置若干份；然后，分別向上述原料中摻入質量分數(shù)為2%、4%、6%、8%、10%的玻璃纖維和水，將其在電動攪拌器作用下充分混合均勻。

（2）按照配方取步驟（1）中相同份數(shù)的多亞甲基多苯基多異氰酸酯，然后將其迅速倒入（1）中的混合物中，同樣也放入電動攪拌器中充分攪拌1min，直至出現(xiàn)乳白現(xiàn)象。

（3）將攪拌均勻并出現(xiàn)乳白現(xiàn)象的混合物倒入模具中，需要注意的是，用于壓縮強度測試的倒入100mm×100mm×50mm的模具，導熱系數(shù)測試的倒入300mm×300mm×30mm的模具。等待混合物在模具中進行發(fā)泡、固化等一系列的反應完成后，并達到一定的硬化程度后拆除模具，最后將試樣放入電熱鼓風干燥箱，保持溫度在80℃進行熟化后取出，試樣制備完成。

1.3 性能測試方法

為了獲得玻璃纖維增強聚氨酯發(fā)泡材料的力學性能和導熱性能，本文主要對其壓縮強度和導熱系數(shù)進行測試。其中，壓縮性能測試主要依據《硬質泡沫塑料壓縮性能的測定》（GB/T8813-2020）中的規(guī)定[8]，設計不同玻璃纖維含量的聚氨酯發(fā)泡材料試樣各5個，試樣規(guī)格為100mm×100mm×30mm的正四棱柱，最后再將試樣放置在微機控制電子萬能試驗機中進行實驗。根據實驗所得數(shù)據，采用下式計算試樣的壓縮強度值，取5個試樣壓縮強度的平均值作為最終壓縮強度值。

式中σ為壓縮強度，MPa；F為相對形變小于15%的最大壓縮力，N；A為試樣的橫截面積，mm2。

目前，導熱系數(shù)的測試方法較多，本文采用的導熱系數(shù)實驗方法主要是基于雙向平板法測試原理，然后采用專用的導熱系數(shù)測定儀進行測試。試樣尺寸為300mm×300mm×15mm的長方體，根據實驗所得數(shù)據和傳熱學基本原理，導熱系數(shù)可通過下式進行計算。每組試塊測試3次后，取算數(shù)平均值作為最終導熱系數(shù)。

式中λ為導熱系數(shù)，W/m·K；Q為熱流，J；L為試樣厚度，mm；A為試樣底面積，mm2；ΔT為試樣冷熱面的溫差，℃。

2 結果分析

對5種含不同玻璃纖維和不含玻璃纖維的普通聚氨酯發(fā)泡材料進行了壓縮強度和導熱系數(shù)實驗，并對其結果進行了對比分析。

2.1 壓縮強度

實驗得到不同材料壓縮強度隨玻璃纖維質量變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 壓縮強度與玻璃纖維質量分數(shù)的關系

由圖1可知，隨著玻璃纖維的摻入，聚氨酯發(fā)泡材料的壓縮強度呈現(xiàn)先升高后降低的變化規(guī)律。其中，當玻璃纖維的質量分數(shù)為6%時，壓縮強度達到最高值為0.174MPa。相比未添加玻璃纖維的條件，壓縮強度值僅為0.147MPa，摻入玻璃纖維后的材料壓縮強度增加了18.4%，說明玻璃纖維對材料起到了增強的作用。然而，當玻璃纖維含量繼續(xù)增加時，壓縮強度出現(xiàn)了明顯的下降趨勢，這也說明玻璃纖維對材料的增強有一定的影響范圍。

根據上述結果可知，雖然玻璃纖維的加入改善了材料內部的組成結構，增加了材料的韌性。但是，當玻璃纖維增加到一定程度后，纖維與材料的整體性會降低，改善程度就會減弱。綜合壓縮強度實驗結果可得出，當玻璃纖維質量分數(shù)在6%時，對聚氨酯發(fā)泡材料的力學性能改善效果最好。

2.2 導熱性能

實驗得到不同材料導熱系數(shù)隨玻璃纖維質量變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 導熱系數(shù)與玻璃纖維質量分數(shù)的關系

由圖2可知，隨著玻璃纖維在聚氨酯發(fā)泡材料中質量分數(shù)的增加，導熱系數(shù)呈先降低后增加的趨勢，但均滿足聚氨酯發(fā)泡材料對導熱系數(shù)的基本要求。當玻璃纖維的質量分數(shù)為6%時的導熱系數(shù)最低，值為0.02W/m·K。未摻入玻璃纖維導熱系數(shù)為0.023W/m·K，導熱系數(shù)降低了13.0%，說明玻璃纖維的加入可以降低聚氨酯發(fā)泡材料的導熱系數(shù)，提高保溫性能。當玻璃纖維大于6%時，導熱系數(shù)隨之升高；當玻璃纖維質量分數(shù)達到10%時，試樣比未摻入玻璃纖維的導熱系數(shù)顯著增加，達到0.026W/m·K，表明玻璃纖維加入到一定的范圍時，玻璃纖維使得聚氨酯發(fā)泡材料內部的泡孔破裂，然后玻璃纖維填充了泡孔部位，使得導熱系數(shù)增加。

因此，綜合考慮壓縮強度、導熱系數(shù)實驗結果，玻璃纖維的質量分數(shù)為6%時的性能最佳。

3 結語

在我國“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃的背景下，聚氨酯發(fā)泡材料在建筑節(jié)能方面具有巨大的開發(fā)前景。本文介紹了聚氨酯發(fā)泡材料的制備工藝，同時采用室內實驗的方法對聚氨酯發(fā)泡材料性能進行了玻璃纖維增強，主要得到以下結論：

（1）玻璃纖維對聚氨酯發(fā)泡材料的力學性能和保溫性能均有顯著的提高。聚氨酯發(fā)泡材料的壓縮強度隨著玻璃纖維含量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，導熱系數(shù)則隨著玻璃纖維含量的增加呈現(xiàn)先降低后增加的變化規(guī)律。

（2）當玻璃纖維的質量分數(shù)為6%時，纖維增強聚氨酯發(fā)泡材料的性能最佳，最大壓縮強度為0.174MPa，增加了18.4%；增強后的材料導熱系數(shù)可達0.02W/m·K。

（3）本文提出的玻璃纖維增強聚氨酯發(fā)泡材料的制備方法及性能參數(shù)，可為聚氨酯發(fā)泡材料的優(yōu)化和建筑墻體中的應用提供參考。