熱固復合聚苯乙烯泡沫保溫板的制備及性能研究

任龍芳，王萬金，王浩，宋普濤，王晶，夏京亮，王新民

（中國建筑科學研究院有限公司，國家建筑工程技術研究中心，北京 100013）

0 引言

隨著建筑節(jié)能政策的深入推行，在不斷提高節(jié)能要求的同時，外墻外保溫系統(tǒng)防火安全越來越受到管理部門、業(yè)內人士的重視。GB 50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》對用于外墻外保溫的保溫材料燃燒性能做出了嚴格的規(guī)定，采用A級保溫材料是解決外墻外保溫系統(tǒng)防火問題的主要措施之一。

不燃A級保溫材料是公共和民用高層建筑急需的節(jié)能防火保溫材料，目前市場上能夠選用的A級保溫材料仍以巖棉板（條）為主，雖然巖棉具有密度低、導熱系數(shù)小且不易燃等優(yōu)點。但巖棉生產過程中能耗較高且耐候性差，易變形，被水浸泡后粘結強度和保溫性能均大幅降低[1]。目前，許多省市已出臺政策限制或禁止巖棉材料在外墻外保溫工程中應用。熱固復合聚苯乙烯泡沫保溫板（AEPS保溫板）是以發(fā)泡聚苯乙烯顆粒為保溫基體，與無機材料復合而成的A級保溫板。在受火狀態(tài)下具有一定的形狀保持能力且不產生熔融滴落物的特點[2]。能有效彌補建筑保溫材料領域A級保溫材料不足的局面。

目前，AEPS保溫板生產廠家眾多，但生產工藝不成熟、制備技術粗糙、產品質量參差不齊[3]。AEPS保溫板按密度分為低密度型（D型）和高密度型（G型），D型產品對燃燒性能的要求只需達到B1級或B2級即可，市場上的產品大多可以滿足；G型按導熱系數(shù)分為050級和060級，燃燒性能均需要達到A2級，由于密度、垂直于板面的抗拉強度、導熱系數(shù)和燃燒性能等之間是對立統(tǒng)一的關系，因此只有平衡好關鍵技術指標，才能制備出性能優(yōu)異、滿足相關標準要求的AEPS保溫板。本文通過設計試驗，利用混合成型工藝，研究了G型AEPS保溫板的配合比及不同材料用量對產品密度、垂直于板面方向的抗拉強度、導熱系數(shù)和燃燒性能的影響，為AEPS保溫板的制備及工程應用提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5，初凝165 min，終凝240 min，3、28 d抗壓強度分別為22.6、46.8 MPa，北京金隅平谷水泥有限公司；發(fā)泡聚苯乙烯顆粒（EPS顆粒）：粒徑2~5 mm，堆積密度10~12 kg/m3，北京市雙盛新型建筑材料廠；EVA乳液：黏度3500~5000 mPa·s，固含量55%；聚丙烯纖維：長度為6 mm的短切纖維；纖維素醚：黏度為100 000 mPa·s甲基羥丙基纖維素醚，呈白色固體粉末狀；引氣劑：SY-5型，淡黃色粉末狀；消泡劑：硬脂酸鈣，白色粉末狀。

1.2 試驗方法

（1）EPS顆粒表面改性處理：將EVA乳液加水稀釋，然后加入EPS顆粒中，邊加入邊攪拌，使其混合均勻，表面完全被潤濕后倒出晾干備用。

（2）無機膠凝材料制備：將水泥、偏高嶺土、EVA乳液、聚丙烯纖維、纖維素醚、引氣劑、消泡劑等混合，加水充分攪拌3~5 min，得到無機膠凝材料。

（3）將經過改性的EPS顆粒放入攪拌機中進行攪拌，邊攪拌邊倒入已經制備好的無機膠凝材料中，攪拌完成后注入模具壓制成板狀，然后放置在溫度（23±2）℃，相對濕度（50±5）%的養(yǎng)護室中養(yǎng)護后得到最終制品。

1.3 試驗配合比

為了研究AEPS保溫板的配合比及不同材料用量對產品性能的影響，通過對改性后的EPS顆粒、水泥、EVA乳液、聚丙烯纖維、助劑等進行試驗，得到AEPS保溫板的配合比，并通過試驗研究了關鍵原材料對保溫板性能的影響。AEPS保溫板配合比見表1。

表1 AEPS保溫板配合比 kg/m3

1.4 性能測試

干表觀密度按GB/T 5486—2008《無機硬質絕熱制品試驗方法》進行測試，試樣尺寸為300 mm×300 mm×板厚；垂直于板面方向的抗拉強度按JG/T 536—2017《熱固復合聚苯乙烯泡沫保溫板》進行測試；導熱系數(shù)按GB/T 10295—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關特性的測定 熱流計法》進行測試。

產品的燃燒性能能否達到A2級主要取決于產品熱值，熱值反映了產品的燃燒特性，只與原材料本身有關[4]，熱值按GB/T 14402—2007《建筑材料及制品的燃燒性能 燃燒熱值的測定》進行測試。

2 結果與分析

2.1 EPS顆粒表面改性對AEPS保溫板性能的影響

由于EPS顆粒是憎水性的，與無機膠凝材料的粘結性差，直接將兩者復合制備的保溫板的強度較低，易出現(xiàn)空殼開裂問題[5]。利用稀釋后的EVA乳液改性處理EPS顆粒，利用乳液將顆粒包裹，提高顆粒本身的韌性和抗沖擊性。同時EVA乳液具有良好的粘結性、耐酸堿性且含有親水基團，實現(xiàn)與膠凝材料更好的粘結。其中，EVA乳液和水按2∶3的比例進行稀釋，EPS顆粒和EVA乳液的質量比為1∶4。

經過改性EPS顆粒制備的AEPS保溫板（改性AEPS保溫板）與未處理EPS顆粒制備的AEPS保溫板（未改性AEPS保溫板）的性能如表2所示。

表2 改性與未改性AEPS保溫板的性能對比

由表2可以看出，改性AEPS保溫板相對未改性AEPS保溫板，密度、導熱系數(shù)和熱值變化不明顯，垂直于板面方向的抗拉強度提高20%，說明改性EPS顆粒對保溫板的絕熱性能和保溫性能影響不大，但會影響保溫板的抗拉強度，且未改性AEPS保溫板的破壞面多發(fā)生在EPS顆粒與膠凝材料之間，而改性AEPS保溫板的破壞面多發(fā)生在EPS顆粒內部（見圖1），說明改性可以提高顆粒與膠凝材料之間的粘結力，進而提高保溫板的抗拉強度。

圖1 AEPS保溫板抗拉強度破壞面

2.2 EPS顆粒用量對AEPS保溫板性能的影響

EPS顆粒是AEPS保溫板的主要組成材料，顆粒體積占據(jù)總體積的80%以上，主要依靠膠凝材料相互粘結，構成均勻多孔的復合體系。EPS顆粒是AEPS保溫板最主要的骨架材料，對AEPS保溫板的性能影響較大。因此，研究EPS顆粒的最佳用量對于提高保溫板的各項性能具有顯著意義。保持AEPS保溫板其他材料用量不變，EPS顆粒用量對AEPS保溫板密度、垂直于板面方向的抗拉強度、導熱系數(shù)和熱值的影響如表3所示。

表3 EPS顆粒用量對AEPS保溫板性能的影響

由表3可以看出，隨EPS顆粒用量的增加，保溫板密度、垂直于板面方向的抗拉強度和導熱系數(shù)均降低，熱值增加。當EPS顆粒用量為13 kg/m3時，AEPS保溫板的密度為172 kg/m3、垂直于板面方向的抗拉強度為0.12 MPa，導熱系數(shù)為0.058 W/（m·K），熱值為2.9 MJ/kg，均符合JG/T 536—2017的要求。EPS顆粒用量過少，單位體積內的膠凝材料增加，保溫板的密度和導熱系數(shù)較高，保溫性能較差；EPS顆粒用量過多，保溫板的抗拉強度降低，熱值較高，力學性能和燃燒性能無法滿足標準要求。主要原因：EPS顆粒質量較輕，單位體積內EPS顆粒越多，膠凝材料所占空間降低，EPS顆粒不能被膠凝材料包裹的更加緊密，EPS顆粒之間的堆積空隙變大，導致膠凝材料與EPS顆粒粘結力降低；EPS顆粒的導熱系數(shù)遠低于膠凝材料，因此，隨EPS顆粒用量的增加，保溫板的導熱系數(shù)逐漸降低；對于燃燒性能，隨著EPS用量的增加，保溫板密度降低，單位質量保溫板所含的有機物質增多、無機材料減少，進而導致熱值增加。

2.3 EVA乳液用量對AEPS保溫板性能的影響

EVA乳液具有良好的粘結強度，在膠凝材料中摻加適量的EVA乳液可以提高膠凝材料的粘結性、保水性和內聚性。但用量過多的乳液會提高膠凝材料的粘結性，使膠凝材料工作性變差，造成資源浪費，且不利于保溫板的防火性能。本文在保證其他原材料不變的情況下，固定水料比，研究EVA乳液用量對AEPS保溫板性能的影響，結果如表4所示。

表4 EVA乳液用量對AEPS保溫板性能的影響

由表4可以看出，隨著EVA乳液用量的增加，AEPS保溫板的密度逐漸增加，未摻加EVA乳液的保溫板密度較低，主要因為EVA乳液在保溫板中主要起粘結作用，未摻加EVA乳液的膠凝材料和EPS顆粒之間的粘結力較低，保溫板干燥后容易發(fā)生膠凝材料掉屑現(xiàn)象，導致單位體積內的保溫板質量降低；但EVA乳液用量過多，膠凝材料變的粘稠，難以與EPS顆?；旌暇鶆?，部分顆粒粘結不牢固，導致保溫板的體積變小，密度增加；垂直于板面的抗拉強度隨EVA乳液用量增加呈先提高后降低的趨勢，未摻加乳液時，保溫板的抗拉強度僅為0.06 MPa；當乳液用量為20 kg/m3時，抗拉強度達到最大值0.14 MPa；繼續(xù)增加EVA乳液用量，強度反而降低。主要因為EVA乳液可提高膠凝材料和EPS顆粒之間的粘結強度和抗拉強度，但用量過多，膠凝材料的粘性變大，流動性變差，和顆粒之間的粘結程度降低，導致抗拉強度下降；導熱系數(shù)隨EVA乳液用量增加呈先降低后提高的變化趨勢，EVA乳液用量為15 kg/m3時，導熱系數(shù)達到最小值0.058 W/（m·K）。主要因為，乳液用量過低，膠凝材料和聚苯顆粒粘結力差，干燥后膠凝材料與EPS顆粒之間以及膠凝材料本身之間會產生部分空隙，導致保溫板內部連通孔增加，進而導致導熱系數(shù)較高；乳液用量過高，膠凝材料漿體變的粘稠，易結塊，EPS顆粒在膠凝材料中無法混合均勻，導熱系數(shù)提高；熱值隨EVA乳液用量增加呈先降低后增加的變化趨勢，當EVA乳液用量在5~15 kg/m3時，熱值在3 MJ/kg以內，乳液減少或增加，熱值均高于A2級燃燒性能要求，防火性能較差。主要因為EVA乳液用量較低時，膠凝材料的損失導致單位體積內無機物質的減少，熱值增加；EVA乳液用量較高時則會加大保溫板的有機物含量，導致保溫板燃燒釋放的熱量增加，熱值增加。因此，綜合考慮EVA乳液的用量應在15 kg/m3左右。

2.4 聚丙烯纖維用量對AEPS保溫板性能的影響

聚丙烯纖維在AEPS保溫板中主要起增強增韌的作用，在膠凝材料中加入短切增強纖維，可使其在膠凝材料內部形成增強網(wǎng)絡，提高保溫板的抗拉性能[6]。本研究在保證其他原材料不變的情況下，固定水料比，研究聚丙烯纖維用量對AEPS保溫板性能的影響，結果如表5所示。

表5 聚丙烯纖維用量對AEPS保溫板性能的影響

由表5可以看出，聚丙烯纖維用量對AEPS保溫板的密度影響不大，主要因為纖維本身很輕，試驗中纖維的用量不足以引起密度的大幅變化，但纖維的用量對垂直于板面的抗拉強度、導熱系數(shù)和熱值會有一定的影響。垂直于板面的抗拉強度隨聚丙烯纖維用量的增加呈先提高后降低的變化趨勢，未添加纖維時，保溫板的抗拉強度僅為0.08 MPa；當纖維用量為0.4~0.6 kg/m3時，抗拉強度達到最大值0.13 MPa；繼續(xù)增加纖維用量，抗拉強度反而降低。主要是因為纖維在保溫板中可形成內部增強網(wǎng)絡結構，提高保溫板的抗拉強度，抑制收縮裂縫的產生。但纖維用量過多時，容易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，在保溫板中分散不均勻，導致保溫板的抗拉強度降低。導熱系數(shù)隨纖維用量增加呈先降低后增加的變化趨勢，但變化幅度不大，當纖維用量為0.4 kg/m3時，導熱系數(shù)達到最小值0.057 W/（m·K）。主要是因為，纖維在膠凝材料內部呈現(xiàn)三維無規(guī)則排布，起到增強增韌作用，可避免保溫材料干燥后裂縫的產生，同時對保溫材料內部的氣孔有一定的保護作用，避免連通孔的出現(xiàn)[7]，因此有助于導熱系數(shù)的降低。但纖維用量過多時，纖維之間團聚，膠凝材料流動性變差，保溫板干燥后容易開裂，且固體之間的熱傳導會增加，導致導熱系數(shù)增大。熱值隨纖維用量的增加而增加，當纖維用量在0.6 kg/m3以內時，熱值保持在3 MJ/kg以內，繼續(xù)增加纖維用量，保溫板達不到A2級燃燒性能等級要求。主要是因為纖維為有機物，纖維用量的增加會導致保溫板燃燒釋放的熱量增多，熱值增加。因此，綜合考慮纖維用量為0.4 kg/m3。

3 結論

（1）與未改性EPS顆粒制備的AEPS保溫板相比，改性EPS顆粒制備的保溫板抗拉強度提高了20%，密度、導熱系數(shù)和熱值變化不明顯，表明改性可以提高EPS顆粒與膠凝材料之間的粘結力，且不會影響保溫板的保溫性能和燃燒性能。

（2）EPS顆粒在保溫中起主要骨架作用，隨EPS顆粒用量的增加，保溫板的密度、垂直于板面方向的抗拉強度和導熱系數(shù)均降低，熱值增加。當EPS顆粒用量為13 kg/m3時，AEPS保溫板的密度為172 kg/m3，垂直于板面方向的抗拉強度為0.12 MPa，導熱系數(shù)為0.058 W/（m·K），熱值為2.9 MJ/kg，均符合JG/T 536—2017的要求。

（3）EVA乳液在保溫板中主要起粘結作用，對保溫板性能影響很大，隨EVA乳液用量的增加，保溫板的密度逐漸增大，垂直于板面的抗拉強度先提高后降低，導熱系數(shù)和熱值先降低后增加。當EVA乳液用量為15 kg/m3時，導熱系數(shù)達到最小值0.058 W/（m·K），其他性能也均符合JG/T 536—2017的要求。

（4）聚丙烯纖維在保溫板中起增強增韌作用，隨纖維用量增加，保溫板密度變化幅度不大，垂直于板面的抗拉強度先提高后降低，導熱系數(shù)先降低后增加，熱值逐漸增加，當纖維用量為0.4 kg/m3時，保溫板性能較好。