有機泡沫保溫材料的研究現狀

熊煦　袁青青　葛雪峰　張秀

【摘 要】有機泡沫保溫材料由于其獨特的性能，因而被廣泛應用于各個領域。本文主要概述了有機保溫材料的基本情況，重點介紹了聚氨酯泡沫材料、聚苯乙烯泡沫材料、酚醛泡沫材料的研究現狀。

【關鍵詞】有機；泡沫；保溫材料；研究現狀

有機泡沫材料自20世紀40年代問世以來，由于其具有諸多優異性能，如能量吸收性能好、密度低、吸聲性能好等，在金屬電極、吸附材料、結構材料、能量吸收材料、化工生產、房屋建筑等領域均獲得廣泛的應用。[1-2]。我國的建筑業是一個巨大的產業，在這個巨大的產業中，節能就顯得相當重要了，使用有機泡沫保溫材料就是一種直接有效的節能方法。目前應用比較多的有機泡沫保溫材料主要有聚氨酯、聚苯乙烯、酚醛泡沫塑料等，隨著保溫材料使用的迅速發展，傳統有機泡沫保溫產品已不能滿足社會和工業需求。近年來保溫材料不斷升級，新型有機泡沫保溫材料應運而生，有機泡沫保溫材料的組成體系日益完善，性能更加優異。

1 聚氨酯泡沫保溫材料

聚氨酯泡沫材料可分為硬質泡沫塑料、軟質泡沫塑料、半硬質泡沫塑料等，其中聚氨酯硬泡材料以其卓越的保溫隔熱性能[3]，自20世紀90年代以來大量用于冰箱、管道、冷庫、建筑屋面等保溫材料，在提高人民生活水平、節能保溫等方面發揮著重要作用。

近年來我國逐步推廣應用于房屋建設中，以其輕質、絕熱、防水等優異性能，代替了傳統的隔熱、保溫、防水方法，特別適合于現澆混凝土坡屋面，為現澆混凝土坡屋面保溫、防水、節能提供了一條可靠的施工方法[4]。目前我國現大力提倡節能環保，研究開發阻燃、耐熱、環保型聚氨酯泡沫塑料保溫材料將是亟待解決的課題。

糜婧等[5]采用手工一步發泡法，比較了4 種不同液體含磷阻燃劑甲基膦酸二甲酯、磷酸三（β-氯異丙基）酯、二甲基膦酸丙酯及膦酸二甲酯1201對硬質聚氨酯泡沫塑料的阻燃效果和抑煙效果的影響。研究表明，膦酸二甲酯1201的阻燃，抑煙效果最好，添加膦酸二甲酯1201的試樣其氧指數從純硬質聚氨酯泡沫塑料的19.5%提高到了25.7%，單位質量的煙密度等級也較純硬質聚氨酯泡沫塑料降低了12.3%，有效地提高了硬質聚氨酯泡沫材料的阻燃性能。

梁克瑞[6]以聚磷酸銨/氫氧化鋁復配阻燃劑制備了聚氨酯泡沫塑料，研究了阻燃劑用量及復配方式對聚氨酯硬質泡沫塑料阻燃性能和力學性能的影響。結果顯示，聚磷酸銨/氫氧化鋁復配阻燃劑阻燃效果優于單一阻燃劑，阻燃劑添加量達30份時，其壓縮強度為0.12MPa，泡沫氧指數為34%，煙密度為67，材料的阻燃性能達國標B2級。

劉鳳嬌等[7]以多元醇、異氰酸酯、發泡劑等添加劑為原料，并加入含鹵結構型阻燃聚醚多元醇，制備出阻燃硬質聚氨酯泡沫塑料，考察了配方中阻燃多元醇及發泡劑水的用量對硬質聚氨酯泡沫塑料的阻燃等性能的影響。研究結果表明，阻燃聚醚多元醇能顯著提高硬質聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能，氧指數隨著其用量的增加而增大，水發泡劑的用量直接影響硬質聚氨酯泡沫塑料的密度、力學性能和阻燃性能。

何金迎等[8]采用一步法合成聚氨酯硬質泡沫塑料，考察了延遲性三乙烯二胺型催化劑對聚氨酯塑料發泡體系的發泡時間、表觀密度、熱穩定性能、力學性能等的影響。隨著延遲性三乙烯二胺型催化劑用量的增加，發泡時間縮短，表觀密度先下降后提高。壓縮性能、彎曲性能隨著延遲性三乙烯二胺型催化劑含量增加逐漸降低，制品熱穩定性提高。

張志敏等[9]以珍珠巖為填料制備了聚醚型硬質聚氨酯泡沫材料，研究了珍珠巖的填充量，珍珠巖粒徑對硬質聚氨酯泡沫板材的機械性能及導熱性能的影響。研究結果顯示珍珠巖的最佳填充量可達40%。通過加入阻燃劑TCPP 和DMMP 等，提高了珍珠巖填充硬質聚氨酯泡沫保溫板的阻燃性能，材料的最佳氧指數可達到34.1%。

2 聚苯乙烯泡沫保溫材料

聚苯乙烯泡沫是目前使用最普遍的保溫隔熱材料之一。它具有質輕、吸水性小、保溫隔熱性能良好、吸聲良好、價格低廉等優點，可制成建筑和冷庫用保溫隔熱泡沫塑料板和泡沫塑料夾心復合板。由于聚苯乙烯泡沫板及其復合材料價格低廉、絕熱性能好而成為外墻絕熱及飾面系統的首選絕熱材料。聚苯乙烯泡沫材料與聚氨酯泡沫塑料相似，使用溫度低、易燃性及燃燒時釋放大量煙霧等缺點限制了其作為保溫材料的應用范圍。賦予聚苯乙烯泡沫材料一定的阻燃性，是解決此問題的關鍵。

趙子強等[10]研究了不同可膨脹石墨對模塑聚苯乙烯泡沫板材阻燃效果的影響，并通過宏觀及微觀測試對阻燃機理進行分析。發現水玻璃可有效彌補阻燃劑對板材強度損失，可膨脹石墨阻燃效果與膨脹倍率呈正比關系，當其加入量為30%時可提高板材氧指數至27%；石墨“蠕蟲”蜷曲覆蓋于試樣表面，可有效提高聚苯乙烯板材耐火性能。

曾尤等[11]研究了十溴聯苯醚/三氧化二銻和可膨脹石墨對發泡聚苯乙烯復合保溫材料的協同阻燃效應、保溫性能和力學性能的影響，發現添加十溴聯苯醚/三氧化二銻/可膨脹石墨的聚苯乙烯復合板材具有優異的阻燃性能（離火自熄時間僅為1.3s），同時，聚苯乙烯復合板材具有較優的保溫性能和力學性能，為開發建筑節能保溫材料提供參考。

黃健等[12]研究了聚磷酸銨、三聚氰胺和季戊四醇組成的三元氮-磷膨脹型阻燃劑對聚苯乙烯泡沫的阻燃改性。研究結果表明，三元阻燃組分在苯乙烯泡沫的燃燒中相互協同，形成膨脹炭層進行阻燃，苯乙烯泡沫的氧指數可達到27.76%，垂直燃燒等級達到V-0級，自熄滅時間達到3.65s，起到較好的阻燃效果。

孫嬌等[13]采用CO2和乙醇作為復合發泡劑，運用實驗設計方法研究了發泡溫度和發泡壓力對聚苯乙烯發泡制品表觀密度、泡孔直徑和泡孔密度的影響。發現溫度的升高可以提高CO2/乙醇復合發泡劑在聚苯乙烯中的吸附量，降低制品的表觀密度，增大泡孔直徑并降低泡孔密度；壓力的升高可以提高發泡劑在聚苯乙烯中的吸附量，降低制品的表觀密度，減小泡孔直徑并增大泡孔密度。

羅祎瑋等[14]利用超臨界二氧化碳擠出發泡法制備了聚苯乙烯擠塑板，研究了新型復合阻燃劑（FR）的添加量對聚苯乙烯體系流變特性和阻燃性能的影響。結果表明，FR的添加會降低樹脂的黏度，當在FR質量分數為3.5%時，發泡制品的表觀密度和平均泡孔直徑最小，泡孔密度最大，開孔率較低，同時制品的阻燃性能較好。

3 酚醛泡沫保溫材料

酚醛泡沫的分子鍵熱穩定性較高，不需加入任何阻燃劑，氧指數就已達到40%，添加無機填料的高密度酚醛泡沫塑料氧指數甚至高達60%。酚醛泡沫的結構為獨立的閉孔微小發泡體，其導熱系數僅為0.01222～0.01845W/m·K，導熱能力極低。鑒于其良好的耐火性和優異的耐溫性及優異的隔熱性能，酚醛泡沫作為外墻保溫材料具有廣闊的發展前景。

酚醛泡沫的適用溫度范圍可達-200～200℃，這使得酚醛泡沫具有優異的熱穩定性。固化成型的酚醛泡沫材料即使長期暴露在陽光下，其使用壽命也明顯長于其它有機和無機泡沫材料。但由于酚醛樹脂中存在大量的苯環結構，尤其是苯環上的酚羥基和亞甲基較易氧化，致使酚醛泡沫韌性差，質脆、易掉渣，這些缺點也制約著其在現實工程中的應用。因此，人們一直在積極尋找酚醛樹脂泡沫改性的方法。

周春華等[15]用聚氨酯預聚體與單體苯酚、甲醛在特定條件下進行縮聚制得改性酚醛泡沫。結果表明，以8%的聚氨酯預聚體改性后酚醛樹脂泡沫的表觀密度由0.693g/cm3下降為0.598g/cm3，沖擊強度和壓縮強度均大幅提高，吸水率降至1.38%，但阻燃性有所下降。這是因為在酚醛剛性分子結構中引入柔性較好的氨基甲酸酯鏈段，從根本上改變了酚醛樹脂交聯的剛性結構，進而提高泡沫制品的韌性。

宋镕光等[16]在酚醛樹脂配方中加入液體丁腈橡膠，經催化反應制得改性酚醛樹脂，再經發泡成型制得酚醛泡沫。結果表明，加入丁腈橡膠后，酚醛泡沫材料的壓縮強度可提高2倍左右，且液體丁腈橡膠改性酚醛泡沫第一次發生降解的溫度在289 ℃，同時，生成更穩定的結構，主要降解溫度在612℃，在802 ℃時失重44%，增韌后的泡沫體具有良好的耐熱性能。

石振海等[17]用改性劑對酚醛樹脂進行改性后，以正戊烷發泡劑，Tween-80為均泡劑，硫酸為固化劑，室溫發泡制得了性能優良的酚醛泡沫，這種泡沫熱導率低，尺寸穩定，阻燃隔熱性能好，是優良的隔熱保溫材料。

鐘遠等[18]在酚醛樹脂中加入氨基聚醚，在酚醛樹脂中接入柔性長鏈，有效地減少酚醛泡沫的掉渣率，提高了泡沫的壓縮強度。結果表明，當氨基聚醚質量分數為8%時，泡沫掉渣率、吸水率較未改性泡沫大幅降低，泡沫壓縮強度比未改性泡沫大幅提高，改性的酚醛泡沫的泡孔直徑較小，孔與孔分布緊密、均勻，且閉孔率較高。

呂佩娟等[19]將聚苯乙烯與酚醛樹脂進行混合，制得一種輕質保溫材料。實驗表明，隨著酚醛樹脂含量的增加，保溫材料的壓縮強度隨之增加，阻燃性能也得到加強，但是其熱導率卻呈現上升趨勢。

鄭超等[20]采用木質素替代苯酚制得木改性酚醛泡沫，結果表明，木質素的加入量不能超過50%，當添加30%的木質素時，制得的酚醛泡沫的壓縮強度最高，且不同密度的泡沫的性能指標均可達到國家標準。

4 其他有機泡沫保溫材料

4.1 不飽和聚酯泡沫保溫材料

不飽和聚酯樹脂具有優良的力學性能、電性能和耐化學腐蝕性能，加工工藝簡便，是熱固性樹脂中發展較快的品種之一。將不飽和聚酯樹脂作為基體制成泡沫塑料，其韌性、強度比發泡聚苯乙烯好，加工比泡沫聚氯乙烯容易，添加阻燃劑等也可使其阻燃和耐老化，成本比聚氨酯泡沫和酚醛泡沫低。

朱紅飛等[21]依據熱平衡發泡原理，選擇NaHCO3、偶氮二異丁腈、偶氮二甲酰胺和4，4-氧代雙苯磺酰肼組成不同熱平衡復合發泡劑，用以不飽和聚酯樹脂的發泡，并對其發泡機制進行了研究。結果表明，利用先吸熱后放熱的熱平衡復合發泡劑制得的發泡材料泡孔孔徑小且均勻。

郭亮志等[22]以偶氮二異丁腈為發泡劑兼引發劑、CaCO3為成核劑制備了低密度不飽和聚酯樹脂制品。結果表明：偶氮二異丁腈作為發泡劑適用于不飽和聚酯樹脂體系，制備條件為成型溫度80℃、偶氮二異丁腈用量為樹脂質量的2%、CaCO3用量為樹脂質量的3%，此時制得的樣品與硬質聚氨酯泡沫相近。

4.2 聚乙烯泡沫保溫材料

聚乙烯泡沫塑料具有吸濕和透濕性小、熱導率低、吸收沖擊性好等優異特點，可用于冷藏汽車、建筑物、冷藏火車等的保溫隔熱材料。它成型方式主要有模壓發泡和擠出發泡，又分非交聯和交聯兩種。聚乙烯泡沫保溫材料的最高使用溫度為80℃左右，經交聯的聚乙烯泡沫材料其使用溫度可提升至100℃左右。但由于聚乙烯泡沫材料阻燃性能較差，因此需添加大量的阻燃劑，會使其物理性能大幅下降，而且使用溫度較低，原料較貴，使其應用領域受到了一定限制。

4.3 橡膠類泡沫保溫材料

以丁腈橡膠和三元乙丙橡膠材料為代表的橡膠類泡沫保溫材料具有優異的柔韌性和斷裂伸長率，且現場施工比較方便，與傳統的隔熱材料相比，該材料具有獨特的高保溫節能效果。但其抗壓強度較差，表面容易老化龜裂及燃燒產煙量大、毒性高、氣味濃等限制了其廣泛使用。

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[責任編輯：楊玉潔]