纖維增強建筑復合保溫發泡材料的制備及性能研究*

白翔宇，蔡韓英，張利偉

(1. 新鄉學院 土木工程與建筑學院，河南 新鄉 453003；2. 新鄉職業技術學院 建筑工程系，河南 新鄉 453006)

0 引 言

近年來，隨著我國工業技術和建筑業的不斷發展，能源問題已經逐漸成為了制約我國發展的主要矛盾，開發綠色能源和節能降耗已經成為了首要問題[1-2]。其中，建筑節能在節能降耗中占據著重要一環，目前我國建筑行業中多數工程都屬于高能耗建筑，墻體的能耗又占了很大一部分，開發建筑行業的降耗材料是實現綠色能源和降耗的重要舉措[3]。通常保溫材料多用于建筑內外墻、保溫層裝飾板、保溫砂漿以及保溫水泥等，通過選擇較低導熱系數的保溫發泡材料可以有效實現保溫隔熱的目的。發泡保溫材料因具有良好的力學性能、質量輕、抗震隔音、密度較低和熱導率較低等特點，成為了節能降耗、實現綠色環保理念的重點研究方向[4-5]。

傳統的保溫材料分為有機保溫材料和無機保溫材料兩大類，無機保溫材料主要有膨脹珍珠巖、玻璃棉、中空玻化微珠、巖棉、閉孔珍珠巖等，其導熱系數一般在0.050 W/(m·K)以下[6-8]，有機保溫材料主要有聚氨酯泡沫、聚苯板、酚醛泡沫等，有機保溫材料具有重量輕、可加工性好、致密性高、保溫隔熱效果好等優點[9-10]，也是目前使用較多的保溫材料，但是也具有不耐老化、變形系數大、穩定性差等缺點[11-13]，對于有機保溫材料的改性目前主要是添加改性材料、采用特殊阻燃劑以及調整固化劑、發泡劑、表面活性劑的配比等來提高保溫材料的耐熱性能和韌性等實現的[14-15]。近年來，對于保溫材料的改性研究也越來越多。王塵等利用有機硅憎水劑對珍珠巖進行憎水改性處理，并將改性后的珍珠巖分別與聚乙烯醇(PVA)、脲醛樹脂(UF)以及三聚氰胺脲醛樹脂(MUF)進行填充復配制得3種復合材料，對各項性能進行測試表征，結果表明，改性處理后的珍珠巖復合材料的阻燃性能有效增強，且表現出一定的協同效應，采用PVA的復合材料密度最低為185.8 kg/m3，導熱系數最低為0.046 W/(m·K)，煙密度僅為10%，受熱分解慢，而采用UF和MUF時其復合材料均表現出良好的阻燃特性，MUF復合材料氧指數達到了52.5%[16]。王恩洪等以可發性聚苯乙烯(EPS)為基材，以酚醛樹脂(PF)為膠粘劑，以可膨脹石墨(EG)與聚磷酸銨(APP)為阻燃劑，采用包覆法制備了兼具無鹵阻燃性能好和力學性能優的EPS外墻保溫材料，并探究了制備EPS泡沫保溫板的工藝，制得EPS/PFEPS/EG和EPS/PF/EG/APP復合材料，研究表明，使用PF作膠粘劑制得的EPS泡沫保溫板壓縮強度明顯提高，極限氧指數(LOI)值達到28.0%，阻燃劑EG的加入，使得EPS板的阻燃性能、粘接性能及力學性能進一步提高，當EG為4質量份時，LOI值達到了29.5%，當APP含量為8份時，體系的粘接性能和壓縮強度最好，EPS/PF/EG/APP復合材料的LOI值最高達到了33.0%[17]。

本文以酚醛樹脂為基體，短切玻璃纖維為改性材料，制備出了不同纖維含量(0，3%，6%和9%)(質量分數)的纖維增強復合保溫發泡材料。對復合保溫發泡材料的力學性能、微觀形貌和導熱性能等進行了分析，力求獲得綜合性能最佳的纖維增強復合保溫發泡材料。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

短切玻璃纖維：長度約1～1.2 cm，購買于泰安浩華工程材料有限公司；苯酚：分析純，購買于國藥集團化學試劑有限公司；多聚甲醛：CAS：30525-89-4，分子量為30.03，工業級，購買于國藥集團化學試劑有限公司；二甲基甲酰胺，購買于國藥集團化學試劑有限公司；丙三醇(又名甘油)：分析純，購買于國藥集團化學試劑有限公司；苯酚磺酸：分析純，購買于國藥集團化學試劑有限公司；硅油：粘度為100 cs，購買于北京頂業工貿有限公司；吐溫-80：CAS RN:9005-65-6，購買于國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 樣品制備

酚醛樹脂的合成：選擇苯酚和多聚甲醛為原料，按照摩爾比1∶1.5稱取多聚甲醛、苯酚加入到三口燒瓶，隨后加入與苯酚等質量的N-N 二甲基乙醇胺和質量為苯酚質量5%的甘油，將三口燒瓶在油浴鍋中控制溫度為65 ℃下混合攪拌30 min，然后在98 ℃下保持約2 h。待反應完成后用冷水浴將混合物冷卻至60～70 ℃，加入苯酚質量5%的尿素來去除游離酚和游離甲醛，混合攪拌30 min后冷卻至室溫。

纖維改性：稱取5份正戊烷為發泡劑，12份65%苯酚磺酸溶液作為固化劑，2份硅油為勻泡劑，稱取7份表面活性劑吐溫-80，不同含量的短切玻璃纖維(0，3%、6%和9%)(質量分數)和100份酚醛樹脂，用攪拌器充分攪拌1 h后均勻混合，隨后倒入75 ℃預熱的模具中成型，在75 ℃下固化30 min即得纖維增強復合保溫發泡材料，隨后制備成測試樣品以備測試。

1.3 樣品的測試與表征

抗壓強度的測試按照GB/T8813-1988《硬質泡沫塑料壓縮試驗方法》進行，采用電子萬能試驗機進行測試，試樣尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，加載速率給定為2 mm/min，每組樣品測試10個，取平均值為測試結果；拉伸性能的測試按照GB/T9641-1988《硬質泡沫塑料拉伸性能試驗方法》進行，試樣尺寸為100 mm×100 mm×50 mm，給定加載速率為2 mm/min，每組樣品測試10個，取平均值為測試結果；按照GBT8810-2005《硬質泡沫塑料吸水率的測定》進行制樣，并對纖維增強復合保溫發泡材料的吸水率進行測試，每組測試5個樣品，隨后取平均值作為測試結果；按照GB/T 12812-2006《硬質泡沫塑料易碎性的測定》對纖維增強復合保溫發泡材料的易脆率進行分析，通過對發泡材料進行摩擦作用時計算質量的損失率，每組樣品測試5次，取均值為最終結果；采用日本日立公司SU1510型掃描電鏡(SEM)分析樣品的微觀形貌；導熱系數的大小是評定復合保溫發泡材料的保溫性能的重要指標，導熱系數越低對保溫越好，采用導熱系數測試儀，選擇穩態平板法對復合保溫發泡材料的導熱系數進行測試。

2 結果與討論

2.1 纖維增強復合保溫發泡材料的力學性能分析

圖1為纖維增強復合保溫發泡材料的抗壓強度和拉伸強度曲線。從圖1可以看出，纖維增強復合保溫發泡材料的抗壓強度和拉伸強度均隨著纖維含量的增加呈現出先升高后降低的趨勢。當纖維的含量為6%(質量分數)時，復合保溫發泡材料的抗壓強度和拉伸強度均達到了最大值，分別為0.241和0.115 MPa，相比未摻雜纖維的保溫發泡材料的抗壓強度和拉伸強度分別上升了8.07%和47.4%；當纖維的含量繼續增加，達到9%(質量分數)時，復合保溫發泡材料的抗壓強度和拉伸強度均出現了明顯下降。

圖1 纖維增強復合保溫發泡材料的抗壓強度和拉伸強度曲線Fig 1 Compressive strength and tensile strength curves of fiber reinforced composite thermal insulation foam material

2.2 纖維增強復合保溫發泡材料的吸水率分析

圖2為纖維增強復合保溫發泡材料的吸水率測試曲線。從圖2可以看出，復合保溫發泡材料的吸水率隨著纖維含量的增加呈現出先降低后升高的趨勢，當纖維的含量為6%(質量分數)時，吸水率達到最小值27.9%。由圖2可知，所有復合保溫發泡材料的吸水率均小于35%，纖維增強復合保溫發泡材料的吸水率較低，屬于不易吸水材料。

圖2 纖維增強復合保溫發泡材料的吸水率分析Fig 2 Water absorption analysis of fiber reinforced composite thermal insulation foam material

2.3 纖維增強復合保溫發泡材料的易脆率分析

用易脆率來評價纖維增強復合保溫發泡材料受到摩擦時質量損失的多少，也間接反映了材料的韌性。圖3為纖維增強復合保溫發泡材料的易脆率測試曲線。從圖3可以看出，未摻雜纖維的復合保溫發泡材料的易脆率最大為19.8%，隨著纖維含量的增加，復合保溫發泡材料的易脆率逐漸降低，當纖維的含量為9%(質量分數)時，復合保溫發泡材料的易脆率最低為10.2%，說明摻入纖維后復合保溫發泡材料的易脆率得到了改善，且隨著纖維含量的增加，復合保溫發泡材料的韌性越強，這是因為摻入的纖維可以均勻地分布在復合保溫發泡材料的基體中，對基體產生強大的“連接”效果，并起到支柱作用，從而使基體分子結合更加緊密，降低了氣孔率，也改善了韌性。從圖3曲線可以看出，纖維含量為3%～6%(質量分數)的復合保溫發泡材料的易脆率改善幅度明顯大于纖維含量為6%～9%(質量分數)的復合保溫發泡材料，可知當纖維摻量達到一定值時，復合保溫發泡材料的韌性改善幅度明顯減慢，這是因為纖維含量達到一定程度后，會導致部分的泡孔破裂，雖然整體依舊會改善韌性，降低易脆率，但改善幅度就會減弱。綜合來看，當纖維含量為6%(質量分數)時，易脆率改善的性價比最好。

圖3 纖維增強復合保溫發泡材料的易脆率測試Fig 3 Brittleness test of fiber-reinforced composite thermal insulation foam material

2.4 纖維增強復合保溫發泡材料的SEM分析

圖4為纖維增強復合保溫發泡材料的SEM圖。從圖4(a)可以看出，未摻雜纖維的復合保溫發泡材料的氣孔較多且直徑較大約為500～650 μm。從圖4(b)和(c)可以看出，隨著纖維的摻入，復合保溫發泡材料的氣孔尺寸明顯變小，氣孔均勻地分布在基體中且數量較少，當纖維的含量為6%(質量分數)時，氣孔尺寸最小約300 μm。從圖4(d)可以看出，當纖維的含量增加到9%(質量分數)時，復合保溫發泡材料的氣孔數量有增多的趨勢，且尺寸分布不均勻，有較大氣孔出現。這是因為摻入適量纖維后，對發泡的氣孔增長有阻礙作用，纖維均勻分布在基體中，使復合保溫發泡材料的整體致密性增加，且纖維在復合保溫發泡材料中產生了較強的連接作用，但當纖維含量大于一定值后，過多纖維會導致部分的泡孔破裂，導致支柱效果減弱，使局部的氣泡孔徑增大。綜上可知，纖維的含量為6%(質量分數)時，效果最佳。

圖4 纖維增強復合保溫發泡材料的SEM圖Fig 4 SEM images of fiber reinforced composite thermal insulation foam material

2.5 纖維增強復合保溫發泡材料的導熱性分析

圖5為纖維增強復合保溫發泡材料的導熱系數分析曲線。從圖5可以看出，摻入纖維后，復合保溫發泡材料的導熱系數均出現降低，隨著纖維含量的增加，復合保溫發泡材料的導熱系數呈現出先降低后升高的趨勢。未摻雜纖維的復合保溫發泡材料的導熱系數為0.037 W/(m·K)，當纖維的含量為6%(質量分數)時，復合保溫發泡材料的導熱系數達到了最低值為0.033 W/(m·K)，相比未摻雜的材料，導熱系數降低了10.81%；當纖維的含量達到9%時，復合保溫發泡材料的導熱系數上升至0.036 W/(m·K)，這也與之前的SEM分析相吻合，當纖維的含量達到一定值后，繼續增加纖維會導致復合保溫發泡材料的氣孔破裂，纖維對整體的支柱效果減弱，從而導致復合保溫發泡材料的導熱系數出現上升[18]。綜上來看，當纖維的含量為6%(質量分數)時，纖維增強復合保溫發泡材料的綜合性能最佳。

圖5 纖維增強復合保溫發泡材料的導熱系數分析Fig 5 Thermal conductivity analysis of fiber reinforced composite thermal insulation foam material

3 結 論

(1)隨著纖維含量的增加，纖維增強復合保溫發泡材料的抗壓強度和拉伸強度均呈現出先升高后降低的趨勢，當纖維的含量為6%(質量分數)時，復合保溫發泡材料的抗壓強度和拉伸強度都達到了最大值，分別為0.241和0.115 MPa。

(2)隨著纖維含量的增加，纖維增強復合保溫發泡材料的吸水率呈現出先降低后升高的趨勢，當纖維的含量為6%(質量分數)時，吸水率達到最小值27.9%。

(3)隨著纖維含量的增加，復合保溫發泡材料的易脆率逐漸降低，韌性逐漸增強。當纖維的含量為9%(質量分數)時，復合保溫發泡材料的易脆率最低為10.2%。此外，當纖維摻量達到一定值時，復合保溫發泡材料的韌性改善幅度明顯減慢，綜合來看，當纖維含量為6%(質量分數)時，易脆率改善的性價比最好。

(4)隨著纖維的摻入，復合保溫發泡材料的氣孔尺寸明顯變小，氣孔均勻地分布在基體中且數量較少，當纖維的含量為6%(質量分數)時，氣孔尺寸最小約300 μm；當纖維的含量增加到9%(質量分數)時，復合保溫發泡材料的氣孔數量有增多的趨勢，且尺寸分布不均勻，有較大氣孔出現。

(5)隨著纖維含量的增加，復合保溫發泡材料的導熱系數呈現出先降低后升高的趨勢。當纖維的含量為6%(質量分數)時，復合保溫發泡材料的導熱系數達到了最低值為0.033 W/(m·K)，當纖維的含量達到9%時，復合保溫發泡材料的導熱系數上升至0.036 W/(m·K)。

總結以上分析可知，當纖維的含量為6%(質量分數)時，纖維增強復合保溫發泡材料具有較低的導熱系數、良好的力學性能和施工性能，可以有效用于建筑內外墻保溫材料及保溫板，在建筑節能技術的應用中具有長遠的前景。