擠塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）的主要性能及應用領域分析

王 勇，王向東，李 瑩

（1.環境保護部環境保護對外合作中心，北京100035；2.輕工業塑料加工應用研究所，北京100048）

擠塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）的主要性能及應用領域分析

王 勇1，王向東2，李 瑩2

（1.環境保護部環境保護對外合作中心，北京100035；2.輕工業塑料加工應用研究所，北京100048）

詳細介紹了擠塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）的熱導率、壓縮強度、長期熱阻、防潮性能等主要性能指標。闡述了XPS板材的主要應用領域，包括在建筑外墻外保溫、屋面保溫、地面保溫、冷庫保溫、公路、鐵路、渠道工程等領域的應用。詳細分析了提高XPS板材阻燃性能的必要性和緊迫性，并提出了在含氫氯氟烴替換過程中XPS泡沫行業的發展趨勢。

擠塑聚苯乙烯泡沫塑料；保溫材料；熱導率；阻燃性能；應用領域

0 前言

XPS是20世紀60年代研制成功的一種新型絕熱材料，其制備過程是將聚苯乙烯（PS）樹脂、發泡劑和相關助劑通過擠出機進行連續擠出發泡成型，由于具有閉孔的泡體結構，因此其綜合性能十分優異，如絕熱性能優異、持久、吸水率較低、尺寸穩定性好、抗蒸汽滲透性優良、壓縮強度高等，在諸多領域得到了廣泛應用［1］。

中國的XPS泡沫行業起步較晚，1999年美國歐文斯科寧公司在南京投資建立了中國境內的第一條XPS生產線，投產后產品迅速打開了市場，XPS逐漸獲得市場的廣泛認可［1］。此后，伴隨中國經濟的快速發展以及國家實施的建筑物節能改造工作的深入開展，XPS得到迅速發展，市場需求迅速增大。大量民營企業看準了迅速擴大的國內市場需求紛紛投入XPS的生產，XPS產量迅速增長，為實現國家建筑節能目標作出了巨大貢獻。

經過多年發展，中國XPS泡沫行業已經實現了生產設備的完全國產化。XPS在中國建筑保溫材料市場的份額呈逐年上升勢頭，其在鐵路、公路、冷庫等領域的應用也在逐年增加。據不完全統計，中國2010年XPS總產量超過1.5×107m3，約450kt；行業生產線保有量約900條，企業數量約500家。XPS生產的重點地區為華東、華北和東北地區［1］。

1 XPS板材的主要性能

XPS板材的閉孔蜂窩狀結構決定了其在吸水率、熱導率以及水蒸氣滲透系數等方面均低于傳統保溫材料，因此XPS具有高抗壓、輕質、不透氣、耐腐蝕等優點。XPS板材最主要的性能指標是熱導率，決定著XPS板材的保溫性能，其他一些主要的物理、力學性能包括尺寸穩定性、阻燃性能、彎曲強度和壓縮強度等［2］。

（1）熱導率

XPS板材具有優異的隔熱保溫性能，其熱導率遠遠低于模塑聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）。根據GB/T 10801.2—2002的要求，XPS板材的熱導率通常應低于0.030W/m·K（25℃），而EPS的熱導率一般要求低于0.040W/m·K。

總體來說，XPS板材的熱導率主要由4個因素決定，分別是泡孔壁（PS）的熱導率（λs）、氣泡內氣體（主要指發泡劑）的熱導率（λg）、泡孔壁和氣泡的輻射熱導率（λr）以及氣泡內氣體的對流熱導率（λc）。因此，XPS板材的熱導率應當是上述4種熱導率的加和［3］，如式（1）所示。

每一種熱導率都受XPS板材自身性能的影響，λs受XPS板材密度和泡孔壁厚度的影響；λg受發泡劑種類和含量的影響；λr受泡孔結構和泡孔壁厚度的影響；由于XPS的泡孔直徑很小，因此λc的大小可以忽略不計。其中，λg對XPS的熱導率貢獻最大，約為60%。由于空氣在PS中的擴散系數很大，當XPS板材生產出來之后，空氣會立即向XPS板材內部的泡孔擴散，很快泡孔內空氣的分壓就會與大氣壓相同。同時，如果發泡劑在PS中的擴散系數很大的話，那么發泡劑也會逐漸向氣泡外部擴散；相反，如果發泡劑在PS中的擴散系數很小，就會貯存在氣泡內部，那么氣泡內的氣體就是空氣與發泡劑氣體的混合物。由于λg對XPS板材的熱導率貢獻很大，那么選擇一種能夠在氣泡內停留較長時間的發泡劑就顯得尤其重要，如果發泡劑氣體的λg足夠低，就可以得到熱導率較低的XPS板材［3］。

采用含氫氯氟烴（HCFCs）作為發泡劑生產的XPS板材，泡孔內是HCFCs與空氣的混合氣體。HCFC－22和HCFC－142b的熱導率約為0.010W/m·K，遠遠低于空氣的熱導率（0.026W/m·K），且λg與各種氣體所占的比例有關，因此，混合氣體的λg要遠低于空氣的熱導率。故采用HCFCs生產的XPS板材的熱導率較低，保溫性能很好。各種常用發泡劑的熱導率如表1所示［3］。

表1 XPS板材常用發泡劑的熱導率Tab.1 Thermal conductivity of blowing agents commonly used in XPS boards

（2）長期熱阻（R 值）

泡孔中發泡劑和空氣發生交換的過程可能持續幾個小時到若干年，這取決于外部條件，最終泡孔中完全是空氣，由于不同發泡劑的特性差別較大，發泡劑擴散系數會影響制品的性能。XPS板材一旦生產完畢，泡孔內即是發泡劑和空氣的混合物，其比例隨時間發生變化。因此，XPS板材的長期熱阻也會隨時間發生變化，這種現象通常被稱為“熟化”。研究表明，HCFCs發泡劑在XPS板材泡孔內的停留時間很長，其在長期高濕度和浸水條件下，仍能保持優良的保溫隔熱性能，在70%的濕度下保持2年，熱阻保留率超過80%，密度較大的EPS卻不到60%，密度較低的EPS差距更大。

（3）防潮性能

XPS板材具有優越的抗水、防潮性能，其內部具有緊密的閉孔結構，PS分子本身不吸水，板材的正反面又都沒有縫隙，因此，吸水率極低，防潮和防滲透性能極佳。根據GB/T 10801.2—2002的要求，XPS板材的吸水率最低可降到1%，而EPS的吸水率最低為2%，絕熱用硬質聚氨酯泡沫塑料的吸水率最低為3%。

（4）壓縮強度

由于泡孔結構緊密相連且壁間無縫隙，XPS板材的壓縮強度極高，即使長時間浸在水中其壓縮強度仍維持不變。據悉，XPS板材的壓縮強度范圍在150～1000kPa之間，EPS的壓縮強度一般不超過400kPa，絕熱用硬質聚氨酯泡沫塑料的壓縮強度一般不超過180kPa。

（5）耐腐蝕性能

XPS板材因具有優異的耐腐蝕、耐老化性及保溫性能，其使用壽命可達30～50年。

2 XPS板材的主要應用領域

2.1 建筑保溫領域

目前，我國城鎮民用建筑運行耗電為我國總發電量的22%～24%，北方地區城鎮采暖消耗的燃煤為中國非發電用煤的15%～18%。據介紹，在2020年前，我國每年城鎮新建建筑的總量將持續保持在2×109m2左右，到2020年，新增城鎮民用建筑面積將為1.5×1010m2左右［4］。

由于人們生活水平提高，采暖需求線不斷南移，新建建筑中將有7×109m2以上需要采暖，以目前的建筑能耗水平，則每年需要增加1.4×108t標煤用于采暖，增加用電量4000～4500億度，這對中國能源供應將產生巨大壓力。根據近30年來能源界的研究，目前普遍認為建筑節能是各種節能途徑中潛力最大、最為直接有效的方式，是緩解能源緊張、解決經濟發展與能源供應不足的矛盾的最有效措施之一［4］。

2.1.1 墻體保溫

建筑物的能源損耗一般發生在屋頂、門窗、墻壁、通風口、地板等部位，其中能源損失較大部分來源于墻體。為了有效減少墻體能源損失，達到保溫效果，采用墻體保溫措施是非常必要且有效的。

外墻外保溫系統是建筑節能的重要組成部分，該技術于20世紀70年代初期在歐洲開始發展。70年代初期第一次石油危機發生時，歐洲國家開始重視建筑節能技術的研究，如德國政府對私有房主給予經濟上的補償，鼓勵其在建房時采用外墻外保溫系統，這項措施對外墻外保溫技術的發展起到了極大的促進作用。從1973年到1993年，德國約有3×108m2的新建建筑采用了外墻外保溫系統，從而大量節約了冬季的供暖用油［5］。

20世紀80年代中期，我國開始進行外墻外保溫技術的推廣，20世紀90年代初期，建設部和各省市加大了外墻外保溫的推進力度，國內一些科研單位和企業也開發了各種外墻外保溫技術。1996年，全國第一次建筑節能工作會議召開，對外保溫技術起到了進一步的推進作用。目前，中國的外墻外保溫市場正在日益繁榮［4］。

外墻外保溫系統既可用于新建工程，又適用于舊房改造，從而備受推崇；與此同時，外墻外保溫系統還能保護建筑物結構，基本消除熱橋影響，改善墻體的防水和透氣性，延長建筑物壽命，在達到相同保溫效果的前提下，可相對減少保溫材料用量或增加房屋的使用面積。外墻保溫技術已經成為我國建筑節能的生力軍。

外墻外保溫系統的優勢在于使室內的溫度和濕度在氣候條件轉換時更加穩定，顯著提高了居住的舒適度。該系統通過保溫材料的應用，可以明顯地節約能源，同時通過減少建筑外墻的溫度變化和濕氣冷凝，減小了建筑物老化損壞的可能性。

外墻外保溫系統主要由聚合物膠黏劑、XPS毛面保溫板、界面處理劑、聚合物抹面砂漿、耐堿玻璃纖維網格布和機械固定件組成，如圖1所示［4］。

圖1 外墻外保溫系統Fig.1 External thermal insulation system

市場上主要有2種XPS板材，一種是帶表皮的，另外一種是不帶表皮的（即毛面板）。在外墻外保溫應用上，毛面的XPS板材可以提供更好的表面平整度，提高其與墻體基層、面層砂漿的黏結能力，而且毛面的XPS板材對界面處理劑的依賴性較低，可以大大降低施工現場界面劑漏涂帶來的風險。有些XPS板材的品質較差，導致尺寸穩定性差，在環境中存放一段時間或經過環境溫度變化后，容易產生大的翹曲變形，有可能引起抹面砂漿開裂。因此，應用于外墻外保溫系統的XPS板材的尺寸穩定性必須嚴格控制在1.5%以下。

目前，應用于外墻外保溫系統的XPS板材的型號主要為 W200和 W300，其相關性能指標嚴格按照GB/T 10801.2—2002來執行。

2.1.2 屋面保溫

屋面保溫系統主要有2種形式，即鋼結構屋面和倒置式屋面。倒置式屋面是將防水層置于保溫層之下，讓防水層獲得充分的保護，使防水層免受溫差、紫外線和外力的破壞，使防水層表面溫度變化幅度明顯減小，避免防水層由于溫度變化造成的破壞，同時使防水層免受紫外線照射、外界或人為撞擊的破壞，給建筑物提供良好的防水保溫功能，如圖2所示。倒置式屋面不需要增設排氣孔使施工變得簡單，且不受氣候的影響，是一種當前最理想的屋面保溫系統，特別適合鋼筋混凝土結構多功能屋面。

圖2 倒置式屋面保溫系統Fig.2 Thermal insulation system for inversion type roof

在鋼結構屋面中使用XPS板材不僅會使鋼結構屋面持久耐用，而且可以避免冷橋發生，切實保證建筑物內部不結露、不滴水，并可以增強結構的牢固性和隔音減噪功能，鋼結構屋面保溫系統如圖3所示。

圖3 鋼結構屋面保溫系統Fig.3 Thermal insulation system for steel structure roof

2.1.3 地面保溫

通常在建筑物中約有15%～20%的熱量是從建筑物地面散發的，對地面進行有效的保溫隔熱處理，從而避免冷凝結霜，給建筑物使用者一個舒適的環境就顯得尤為重要。同時，從樓體結構安全的角度考慮，防止水蒸氣從樓地面的滲透、侵蝕也十分重要。

XPS板材用作建筑物地面保溫隔熱材料有著其他材料無法比擬的優越性。XPS板材的高抗壓性能使其適用于各種建筑物地面的長期荷載要求，高抗水性使其能適應混凝土澆鑄等潮濕施工環境的要求，并在建筑物體長期使用過程中保持保溫隔熱性能恒定不變，廣泛用于強化復合地板、實木多層地板、實木免漆刨地板的鋪裝，地面保溫系統如圖4所示。

圖4 地面保溫系統Fig.4 Thermal insulation system for ground

2.2 冷鏈物流領域

冷庫建筑內外環境溫差大，水蒸氣滲透壓力嚴重，使應用于冷庫建筑的保溫材料面臨極為嚴峻的考驗。XPS板材具有卓越的抗水蒸氣滲透和抗壓性能，使其在冷庫建筑及冷藏車應用中更具有優勢，可應用于地面、內外墻、屋頂或吊頂等，使冷庫及冷藏車性能恒久不變，防止冷凝結露［6］。冷庫保溫系統如圖5所示。

圖5 冷庫保溫系統Fig.5 Thermal insulation system for cold store

冷庫用XPS板材的厚度一般要求為100、150、200mm，由于生產工藝的限制，目前多采用幾塊XPS板材疊加的方法以滿足厚度的要求。同時，XPS板材應用于冷庫時，要求其－20℃下的熱導率應該達到0.022W/（m·K），尺寸穩定性達到1.5%左右。冷庫地面用XPS板材的壓縮強度應大于350kPa，屋面用XPS板材的壓縮強度應大于250kPa。

2.3 土工領域

2.3.1 公路工程

在高寒地區，由于天氣的寒冷、水汽、冰霜等對地面的侵蝕使許多公路出現高低不平的問題，使得安全出現了一系列的隱患。因此必須控制地面的凍脹。XPS板材可以阻止水蒸氣、冰霜等的滲透，使路基結冰情況降至最低，有效地控制地面凍脹，延長其使用壽命。

交通部于2004年出臺了公路工程用XPS板材的行業標準JT/T 538—2004，對其各項性能指標進行了嚴格的規定，其中增加了－30℃下的熱導率和尺寸穩定性的要求，同時還提出了低溫耐久性的要求，即凍融循環25次后XPS板材的壓縮強度損失率不超過8%，尺寸變形不超過2%。

2.3.2 鐵路工程

我國已制定高速鐵路發展宏偉目標，至2020年將建成約20000km的高速鐵路，屆時中國高鐵總長度將占全世界一半以上。高強度XPS板材作為軌道板下有效的承重和彈性緩沖層可以減弱震動和噪音。目前，高強度XPS板材已成功應用于京滬線、石武線、京石線和滬杭線等高速鐵路，其施工過程如圖6所示。

鐵道部于2009年出臺了客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道高強度擠塑板暫行技術條件，對其各項性能指標進行了嚴格的規定，其中壓縮強度必須大于700kPa，還增加了密度、閉孔率、剪切強度、彈性模量、斷裂彎曲負荷、壓縮蠕變、凍融循環300次后的吸水率等要求。

圖6 高強度XPS板材在鐵路中的應用Fig.6Application of high strength XPS board in railway field

2.3.3 渠道工程

南水北調工程中的輸水渠道主要采用現澆混凝土襯砌防滲。然而，對于冬季氣溫較低、負溫持續時間較長的地區，混凝土輸水渠道存在著嚴重的凍害問題，凍害將導致混凝土襯砌板出現凍脹開裂，直接影響了渠道的正常使用，嚴重制約了工程效益的發揮。因此，在寒冷地區應對渠道采取防凍脹措施。在南水北調東線南干渠工程中首次采用XPS板材作為渠道防凍脹材料，其結構如圖7所示。

圖7 XPS板材在渠道工程中的應用Fig.7 Application of XPS board in channel

3 XPS板材的阻燃性能分析

XPS板材的成型溫度較高，在此高溫下，絕大多數阻燃劑均會分解，失去應有的阻燃性。所以阻燃XPS板材的生產難度遠遠大于EPS，目前國內最常用的XPS阻燃劑是六溴環十二烷。

阻燃級XPS板材的生產有一定的技術難度，國內絕大多數廠家無技術能力生產阻燃級XPS板材。阻燃級XPS板材的生產要求盡量降低螺桿溫度，溫度過高，會導致阻燃劑分解；溫度過低，會導致螺桿抱死。因而，必須選擇分解溫度較高的阻燃劑，且阻燃劑的分散性要好。加入大量阻燃劑后，XPS板材表面易變形、開裂，必須調整工藝參數［7］。

按照原標準GB 8624—1997，建筑材料燃燒性能等級應分為4級：A級為不燃性建筑材料，B1級為難燃性建筑材料，B2級為可燃性建筑材料，B3級為易燃性建筑材料。XPS板材執行B2級，即屬于可燃性建筑材料。目前市場上通常將B2級的XPS板材稱為阻燃級XPS。而GB/T 10801.2—2002和 GB 8624—2006中均沒有給出阻燃級XPS板材的定義，所謂的阻燃級XPS板是通俗的叫法。阻燃級XPS板材含有阻燃劑，可以阻止因小火而引起的意外起火，由于產品本身屬于可燃材料，如直接暴露在強火源中就會迅速燃燒，阻燃劑的作用也十分有限。

為確保新舊標準體系的平穩過渡，公安部消防局于2007年5月21日發文《關于實施國家標準GB 8624—2006建筑材料及制品燃燒性能分級若干問題的通知》，其中規定：在有些規范尚未完成相關修訂的情況下，為保證現行規范和GB 8624—2006的順利實施，各地可暫參照以下分級對比關系，規范修訂后，按規范的相關規定執行：按GB 8624—2006檢驗判斷為A1級和A2級的，對應于相關規范和GB 8624—1997的A級；按GB 8624—2006檢驗判斷為B級和C級的，對應于相關規范和GB 8624—1997的B1級；按GB 8624—2006檢驗判斷為D級和E級的，對應于相關規范和GB 8624—1997的B2級。值得一提的是，實驗室的檢驗只是對小的XPS板材試塊進行阻燃試驗，因此并不一定能反應出材料在實際火災情況中出現的反應。

2011年3月以前，中國對于XPS阻燃等級的要求為B2級別（通常氧指數達到26%即可），但由于2009年的中央電視臺大火和2010年上海的11.15特大火災，中國公安部消防局于2011年3月14日頒布了公消［2011］65號文件，暫時規定民用建筑外保溫材料需要采用燃燒性能為A級的材料。由此，中國XPS泡沫行業當前正面著極為嚴峻的消防法規要求，對XPS泡沫制品的阻燃等級要求也更加嚴格，目前，中國XPS擠塑發泡板材制品的阻燃要求一般需要達到B1級（通常氧指數要達到30%以上）才能滿足基本要求。

4 結語

從2013年開始，中國將凍結HCFCs的生產和消費，2015年，削減基準消費量的10%，2020年削減基準消費量的35%，2025年削減基準消費量的67.5%，2030年全面停止使用HCFCs。因此在相當長的一段時間內，選擇合適的HCFCs替代技術事關XPS企業的生存和發展。很多XPS泡沫企業目前出于降低成本考慮，而并非從環保角度考慮使用非HCFCs發泡劑，品種繁多，可以部分替代HCFCs，但對產品品質和生產安全的負面影響較大。只有選擇和使用更加高效、更加環保和更加經濟的新型發泡體系才能使企業在未來的市場競爭中立于不敗之地。

最近國內火災事故頻發，這對XPS板材的阻燃性能提出了更加嚴格的要求，消防管理部門決定提高建材的阻燃要求，以減少火災事故的發生，如果繼續發生因XPS板材造成的火災事故，將會對全行業造成重大的負面影響。因此，更加環保、經濟、阻燃，更高品質是XPS板材未來發展的必然趨勢。

［1］ 王 勇.中國擠塑聚苯乙烯（XPS）泡沫塑料行業現狀與發展趨勢［J］.中國塑料，2010，24（4）：12－16.

［2］ Barbara A F，Susan H，Alisa H.The Environmental and Societal Value of Extruded Polystyrene Foam Insulation［EB/OL］.2004［2011－05－20］.http：//www.xpsa.com/enviro/PDFs/Fabian＿Hoffee＿Herrenbruck＿Earthtech＿2004.pdf.

［3］ Youichi Ohara，Kenkichi Tanaka，Takahiro Hayashi.The Development of a Non－fluorocarbon－based Extruded Polystyrene Foam Which Contains a Halogen－free Blowing Agent［J］.The Chemical Society of Japan，2004，77：599－605.

［4］ 陶氏化學公司.陶氏化學XPS外墻外保溫系統［Z］.上海：陶氏化學公司，2009.

［5］ 汪曉明，林海華，吳梅群.適合于外墻外保溫的XPS保溫板［J］.建設科技，2009，（6）：88－91.

［6］ Zhu Zhenjin.Effect of Loss of Blowing Agents on Thermal Insulation Properties of Polystyrene Foams［J］.Journal of Heat Transfer，2009，131：1－8.

［7］ 沈 嬌，李德英，介鵬飛.XPS板的性能分析及應用研究［J］.節能，2009，（8）：13－16.

Research on Properties and Applications of XPS Boards

WANG Yong1，WANG Xiangdong2，LI Ying2
（1.Foreign Economic Cooperation Office，Ministry of Environmental Protection of the People′s Republic of China，Beijing 100035，China；2.Institute of Plastics Processing ＆Application of Light Industry，Beijing 100048，China）

Main properties of extruded polystyrene foam （XPS）were reviewed including thermal conductivity，compression strength，long－term thermal resistance，moisture－proofing etc.XPS boards could be applied in thermal insulation for building and cold store，as well as geofoam for road，railway and channel.The necessity of improving flame retardancy of XPS boards was discussed.Developing trend of XPS foam sector was put forward in the background of phase－out of HCFCs.

extruded polystyrene foam；thermal insulating material；thermal conductivity；flame retardancy；application filed

TQ325.2

A

1001－9278（2011）08－0075－06

2011－05－30

聯系人，wang.yong＠mepfeco.org.cn