玻璃棉的制備及其在保溫材料中的應用研究

牛夢瑩，高景岐，高偉民，于朝生

（1東北林業大學化學化工與資源利用學院，黑龍江哈爾濱150040；2神州節能科技集團有限公司，河北廊坊065903）

保溫材料發展很快，在建筑工程領域及其他工業生產領域占有重要的地位[1]，其主要分為[2]有機材料和無機材料，有機材料包括聚氨酯泡沫、聚苯板、酚醛泡沫等，無機材料包括氣凝膠氈、玻璃棉、巖棉、膨脹珍珠巖、發泡水泥等。保溫材料憑借其優異的性能受到研究人員的極大關注，但同時也存在一些缺點和不足，如有機保溫材料存在不耐老化、穩定性差、安全性差、易燃燒等缺點；無機保溫材料存在保溫熱效率稍差的問題。因此，制備阻燃效果好、絕熱性能優良的保溫材料是研究人員一直研究的方向。

玻璃纖維具有不易燃燒、耐熱性強、抗腐蝕性好等優點，是一種性能優異的無機非金屬材料，被廣泛地應用于醫學[3]、建筑[4-5]、混凝土[6-8]等領域。

由于玻璃纖維性能的優異性，本研究采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）、阻燃劑 XF-680、改性丙烯酸酯乳液和玻璃纖維，制備保溫玻璃棉，并研究玻璃棉在保溫材料中的應用。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品

γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550），分析純，上海耀華化工廠；玻璃纖維，神州節能科技集團有限公司；改性丙烯酸酯乳液，實驗室自制；XF-680 型阻燃劑，分析純，上海煦凡化工有限公司。

1.2 實驗儀器

電子分析天平，BT 224 S，德國賽多利斯科學儀器有限公司；電熱鼓風干燥箱，101 A-2 ET，上海實驗儀器廠有限公司；氧指數測定儀，JF-3，南京市江寧區分析儀器廠。

1.3 保溫玻璃棉的制備

以甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸、甲基丙烯酸縮水甘油酯為原料，采用乳液聚合的方式制備改性丙烯酸酯乳液，備用。

將稱量好的乳液放入燒杯中，邊滴加邊攪拌依次加入XF-680、KH-550，混合均勻，放入噴壺中備用。用噴壺將混合物均勻地噴在玻璃纖維上，然后將試樣放在電熱鼓風干燥箱中，130℃2.5h，得到保溫玻璃棉。

1.4 測試與表征

1.4.1 外觀

外觀檢測[9]有顏色、挺度、手感等。將制備的保溫玻璃棉樣品放在干燥潔凈的表面皿上，目測觀察樣品的顏色；將樣品垂直夾在夾子上，觀察樣品的硬挺度；用手摸樣品，感知樣品的手感。

1.4.2 密度

密度是指單位體積的保溫材料所具有的質量。一般來說，同種保溫材料，密度越小，意味著傳熱、傳聲介質少，其隔音效果和保溫越好。計算公式如式（1）所示：

式（1）中：ρ為樣品的密度，kg/m3；m為樣品的質量，kg；V為樣品的體積，m3。

1.4.3 吸水率

材料的吸水率[10]也是保溫材料的一項重要性能指標。由于保溫材料為多孔材料，其吸水之后，會影響保溫性能和隔熱效果，所以保溫材料的吸水率不宜過大。計算公式如式（2）所示：

排種器是大蒜播種機的核心部件，其工作質量將直接影響大蒜播種的效率，因此有必要重點研究一下大蒜播種機的排種裝置。本研究的目的是通過對蒜瓣外形特征參數進行測量并統計分析，研究設計了一種傾斜圓盤轉勺式大蒜播種試驗裝置，并通過試驗確定它的參數和結構形式，確定工作效果達到最優時，轉速和取種盤傾斜角度的最佳組合。

式（2）中：ω為樣品的吸水率，%；M2為樣品浸水后的質量，g；M1為樣品浸水前的質量，g。

1.4.4 導熱系數

導熱系數是保溫材料傳遞熱量能力大小的參數，反映了材料的導熱能力。一般來說，保溫材料的導熱系數越小越好。保溫玻璃棉的導熱系數按照單層圓筒壁的定態熱傳導相關知識來測定。計算公式如式（3）所示：

式（3）中：λ為樣品的導熱系數，W/（m?℃）；為熱流量，W；r1、r2分別為樣品中心線到測溫點的半徑（r1＜r2），m；l為樣品的長度，m；t1、t2分別為r1、r2處的溫度，℃。

1.4.5 阻燃性能

材料阻燃性能的檢測可以用氧指數法來測定。氧指數（OI）是指在規定的條件下，材料在氧氮混合氣流中進行有焰燃燒所需的最低氧濃度。根據 GB/T 8924-2005執行，每組試樣數量為 5 根，采用氧指數測定儀進行測定。

2 結果與討論

2.1 保溫玻璃棉產品質量的影響因素

2.1.1 焙烘溫度

在玻璃纖維與乳液的質量比為 1：1，焙烘時間為 2h時探究了焙烘溫度對保溫玻璃棉產品質量的影響，結果見表1。

表1 焙烘溫度對保溫玻璃棉產品質量的影響Table 1 Effect of baking temperature on the quality of thermal insulation glass wool products

由表1可知：焙烘溫度對保溫玻璃棉產品的質量有一定影響，當溫度過低時，樣品難以烘干，發黏，而且挺度不好；當溫度過高時，樣品發黃變色。這是由于溫度過低時，在固定的時間內，樣品內的乳液沒有完全固化，導致樣品發黏，挺度不好；隨著溫度的升高，樣品內的乳液固化完全，使得樣品干燥，有一定的挺度；但當溫度過高時，會影響樣品的顏色，所以，從產品質量和節約能源的方面考慮，保溫玻璃棉最佳的焙烘溫度為 130 ℃。

2.1.2 焙烘時間

在玻璃纖維與乳液的質量比為 1：1，焙烘溫度為 130℃時探究了焙烘時間對保溫玻璃棉產品質量的影響，結果見表2。

表2 焙烘時間對保溫玻璃棉產品質量的影響Table 2 Effect of baking time on the quality of thermal insulation glass wool products

由表2可知：焙烘溫度對保溫玻璃棉產品的質量也有一定的影響，當時間過短時，樣品難以烘干；當時間過長時，影響樣品的外觀，也造成資源浪費。綜合考慮，保溫玻璃棉最佳的焙烘時間為 2.5 h。

2.2 玻璃纖維與乳液的質量比對保溫玻璃棉性能的影響

2.2.1 密度

通過控制變量法探究了玻璃纖維與乳液的質量比對保溫玻璃棉密度的影響，結果如圖1 所示。由圖1可知：隨著玻璃纖維與乳液質量比的增加，保溫玻璃棉的密度減小。這是因為玻璃纖維具有質量輕的特點，隨著玻璃纖維與乳液質量比的增大，制備的保溫玻璃棉中玻璃纖維的比例也增大，膠粘劑的比例減小，使得樣品的密度隨之減小。

圖1 玻璃纖維與乳液的質量比對保溫玻璃棉密度的影響Fig. 1 Effect of mass ratio of glass fiber to emulsion on density of thermal insulation glass wool

2.2.2 導熱系數

通過控制變量法探究了玻璃纖維與乳液的質量比對保溫玻璃棉導熱系數的影響，結果如圖2所示。由圖2可知：隨著玻璃纖維與乳液質量比的增加，保溫玻璃棉的導熱系數先減小后增大。這是因為隨著玻璃纖維與乳液質量比的增加，樣品中玻璃纖維的比例增大，膠粘劑的比例減少，使得樣品的氣孔率增大，從而導致導熱系數減小；但當玻璃纖維與乳液質量比過大時，導熱系數反而會增大，這是由于氣孔率增大時互相連通的孔隙大大增多，使對流作用得以加強，從而導致導熱系數增大。

圖 2 玻璃纖維與乳液的質量比對保溫玻璃棉導熱系數的影響Fig. 2 Effect of mass ratio of glass fiber to emulsion on thermal conductivity of thermal insulation glass wool

2.3 阻燃劑 XF-680 用量對保溫玻璃棉阻燃性能的影響

圖3 阻燃劑 XF-680 用量對保溫玻璃棉阻燃性能的影響Fig. 3 Effect of the amount of flame retardant XF-680 on oxygen index of thermal insulation glass wool

在玻璃纖維與乳液質量比為2：1時探究了阻燃劑XF-680 用量（對于乳液用量而言）對保溫玻璃棉阻燃性能的影響，結果如圖3所示。由圖3可知：XF-680的加入對保溫玻璃棉的氧指數有一定的影響，隨著XF-680的加入，保溫玻璃棉的氧指數逐漸增大。當不加入XF-680時，保溫玻璃棉有一定的阻燃性能，氧指數為26%；隨著 XF-680用量的增加，氧指數增大至28%左右。這是因為 XF-680是一種磷含量高的無鹵阻燃劑，具有優良的阻燃性能，XF-680的加入，使得保溫玻璃棉的阻燃性能進一步提高。當 XF-680用量超過乳液用量的25% 時，阻燃性能提高得不明顯，所以XF-680的最佳用量為乳液用量的25%。

2.4 乳液中功能單體丙烯酸的用量對保溫玻璃棉吸水率的影響

在玻璃纖維與乳液的質量比為 2：1，XF-680用量為25% 時，探究了丙烯酸用量對保溫玻璃棉吸水率的影響，結果如圖4 所示。由圖4可知：隨著丙烯酸用量的增加，保溫玻璃棉的吸水率先減小后增大。這是由于丙烯酸用量對乳膠膜吸水率有影響，從而影響保溫玻璃棉的吸水率。在高溫反應后，乳液會附著在玻璃纖維上，形成一層乳膠膜。丙烯酸中含有 -COOH 官能團，具有交聯作用，隨著丙烯酸用量的增加，-COOH 含量增加，導致交聯程度也越來越大，形成嚴密的膠膜，使得膠膜親水性下降，從而導致玻璃棉的吸水率減小；當體系中丙烯酸含量過多時，聚合物中的環氧基團含量越來越少，過多的-COOH 不能再與環氧基團發生交聯反應，使得 -COOH剩余，富集在體系中，由于 -COOH 是極性基團，具有親水性，使得膠膜的親水性增加，從而導致玻璃棉的吸水率增大。

圖4 丙烯酸用量對保溫玻璃棉吸水率的影響Fig. 4 Effect of acrylic acid content on water absorption of thermal insulation glass wool

3 結論

在高溫的條件下，以硅烷偶聯劑 KH-550、阻燃劑XF-680、改性丙烯酸酯乳液、玻璃纖維為原料，成功地制備了保溫玻璃棉，并對玻璃棉在保溫材料方面的應用進行了研究。研究發現：當焙烘溫度為 130℃，烘焙時間為 2.5h時，保溫玻璃棉的產品質量較好；當玻璃纖維與乳液的質量比為 2：1，XF-680添加量為 25% 時，產品的導熱系數得到改善、阻燃效果較好。