阻燃型聚氨酯材料在建筑保溫中的應(yīng)用研究*

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，陜西渭南 714000）

目前常用的建筑保溫材料主要分為有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料兩大類(lèi)，有機(jī)材料包括膨脹聚苯板、擠塑聚苯板、酚醛、發(fā)泡聚苯乙烯等，無(wú)機(jī)材料包括發(fā)泡陶瓷、發(fā)泡水泥、巖棉和玻璃棉等。但是這些傳統(tǒng)的保溫材料都各自具有各自的不足，比如有機(jī)保溫材料普遍存在使用壽命短、遇水溶解且容易脫落的缺點(diǎn)；無(wú)機(jī)保溫材料也存在著保溫性能差、易吸水且生產(chǎn)能耗大的問(wèn)題[1-2]。受能源和環(huán)境保護(hù)的要求，我國(guó)政府已強(qiáng)制實(shí)施了建筑節(jié)能規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，目前要求城市建筑總能耗要降低65%，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須采用隔熱性能最好的保溫材料。

1 聚氨酯保溫材料

聚氨酯是一種新興的有機(jī)高分子材料，被譽(yù)為“第五大塑料”，因其卓越的性能而被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域,涉及輕工、化工、電子、建筑、建材、汽車(chē)、國(guó)防、航天、航空等[3-5]。聚氨酯作為建筑保溫材料具有導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫性能好、防潮、防水、耐老化、耐溫、不熔化等特性 ，同時(shí)，具有容重輕、可減少制成品的自重量等優(yōu)點(diǎn)，所以在歐美國(guó)家建筑保溫材料用聚氨酯硬泡占總消費(fèi)量的比例達(dá)65%以上，而我國(guó)用于建筑節(jié)能的聚氨酯硬泡比例不足10%，具有極大的發(fā)展、應(yīng)用空間。

聚氨酯可作為建筑物的屋頂、墻體、天花板等部位保溫材料，經(jīng)過(guò)改性的聚氨酯材料阻燃性能得到很大提高，將是建筑節(jié)能首選保溫材料。聚氨酯作為高聚物，不可避免的有易燃的缺點(diǎn)。聚氨酯的易燃性主要源于泡沫材料自身的低密度和多孔性，致使基體與火焰、空氣接觸面積充分，容易造成材料本身熱降解速度快和質(zhì)量損失大等結(jié)果[9]。

聚氨酯的氧指數(shù)只有19%左右，而空氣中O2的含量為21%，也就是說(shuō)聚氨酯材料在空氣中點(diǎn)燃即可劇烈燃燒。并且聚氨酯材料由于結(jié)構(gòu)中含有的 C-H 支鏈較多，極易傳播火焰，在燃燒時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量有毒煙霧，所以研究聚氨酯硬質(zhì)泡沫的阻燃迫在眉睫[10]。

聚氨酯泡沫實(shí)現(xiàn)阻燃主要通過(guò)兩種方式：添加阻燃劑阻燃和結(jié)構(gòu)型阻燃。添加阻燃劑阻燃主要是在材料中引入或者加入元素周期表中第 V 族的氧、磷、銻、鉍等的化合物，第Ⅶ族的鹵系化合物和第Ⅲ族的硼、鋁的化合物[11-12],包括鹵系、磷系、氮系和無(wú)機(jī)阻燃劑,不過(guò)大多鹵系阻燃劑會(huì)降低材料的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性差。結(jié)構(gòu)型阻燃技術(shù)通過(guò)對(duì)聚氨酯材料的結(jié)構(gòu)改性，遇火燃燒時(shí)材料表面上形成致密碳化層，有效阻止火焰的繼續(xù)蔓延。本文從建筑用材的適用性出發(fā)，合成一種低成本高阻燃性能的聚氨酯保溫材料。

2 材料的制備

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

多異氰酸酯、聚醚多元醇、含磷聚醚多元醇、苯酚類(lèi)多元醇、水、物理發(fā)泡劑HCFC-141b、叔胺催化劑、二月桂酸二丁基錫、有機(jī)硅泡沫穩(wěn)定劑、硅微粉、BHT類(lèi)抗氧化劑、含磷阻燃劑（DMMP）、氫氧化鋁。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

鼓風(fēng)干燥箱、可變速電動(dòng)攪拌機(jī)、電子秤、常規(guī)塑料量杯。

2.3 材料制備

實(shí)驗(yàn)采用“一步合成”法進(jìn)行材料的制備，步驟如下：

（1）白料制備：材料按照表1所示比例稱(chēng)量加入到塑料量杯中，將攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至300r/min～800r/min，然后將量杯中的混合液在攪拌機(jī)下攪拌均勻。

表1 白料主料配比明細(xì)表%Table 1 White main material ratio list%

（2）預(yù)熱：將制備好的白料、黑料（多亞甲基多苯基多異氰酸酯-PAPI）在鼓風(fēng)干燥中預(yù)熱0.5h～3h，然后將量杯中的混合液在攪拌機(jī)下重復(fù)攪拌1min。

（3）將攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至500r/min～1500r/min，然后將預(yù)熱后的黑白料混合后攪拌，攪拌時(shí)間≤1分鐘。

（4）將混合后的液體倒入模具中常溫發(fā)泡。

2.4 性能測(cè)試及要求

導(dǎo)熱系數(shù)按 GB/T 3399—1982《塑料導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)方法 護(hù)熱平板法》進(jìn)行測(cè)試；吸水率按 GB/T 8810—2005《硬質(zhì)泡沫塑料吸水率的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試；密度為樣品質(zhì)量和樣品體積的商，測(cè)5次，取平均值。氧指數(shù)按GB/T 2406.2—2009《塑料用氧指數(shù)法測(cè)定燃燒行為》進(jìn)行測(cè)試。

（1）導(dǎo)熱系數(shù)是聚氨酯材料在建筑保溫材料中應(yīng)用的重要指標(biāo)，導(dǎo)熱系數(shù)越小，材料的絕熱性能越好。按照阻燃型聚氨酯保溫板物理機(jī)械性能指標(biāo)QB/T 3806 要求，聚氨酯保溫板在 30 ℃下的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)≤0.024 W/m·K。

（2）吸水率是表示材料在正常大氣壓下吸水程度的物理量，用百分率來(lái)表示。聚氨酯保溫材料由于閉孔率高，因此吸水率較低。如果吸水率高，不僅影響保溫效果，也會(huì)降低材料的使用壽命，從而影響工程質(zhì)量。

（3）聚氨酯的密度也是材料性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，產(chǎn)品密度相對(duì)較大，隔音抗震的效果也相對(duì)較大，不過(guò)密度也不能過(guò)大，這會(huì)造成造價(jià)、運(yùn)輸方面的成本增加，并且也會(huì)增加墻體承重，所以阻燃型聚氨酯保溫板的密度一般要求在 35kg/m3～55 kg/m3之間。

（4）極限氧指數(shù)(LOI)的測(cè)量是指材料在只有 N2和 O2存在下，材料剛好能夠燃燒時(shí) O2占總氣體的體積分?jǐn)?shù)，LOI 可以直觀地體現(xiàn)材料的燃燒性能。一般認(rèn)為 LOI＜22%的材料屬于易燃材料，LOI 在 22%～27%的材料屬于可燃材料，LOI＞27%屬于難燃材料。傳統(tǒng)的聚氨酯的 LOI 在 19%左右，國(guó)標(biāo) GB 8624 要求建筑類(lèi)聚氨酯保溫板的 LOI 應(yīng)達(dá)到 B 級(jí)(B1 級(jí)一般指材料的 LOI≥30%；B2 級(jí)≥26%)。

3 結(jié)果分析

3.1 導(dǎo)熱系數(shù)

圖1 樣品導(dǎo)熱系數(shù)Fig. 1 Thermal conductivity of sample

由圖1可以看出，在白料中以單組分變量0.2%的份額改變有機(jī)硅泡沫穩(wěn)定劑的用量，使得樣品的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，分析主要是由于樣品中泡孔的閉孔率增加，使得樣品氣體含量增大的緣故。但穩(wěn)定劑含量增加至2.0%后導(dǎo)熱系數(shù)明顯增大，分析是由于樣本品內(nèi)泡孔閉孔收縮造成。

3.2 吸水率

圖2 樣品吸水率Fig.2 Water absorption rate of samples

作為建筑保溫材料一般將材料用于室外，因此監(jiān)測(cè)樣品的吸水率是材料性能分析的一大重點(diǎn)。從圖2樣品吸水率檢測(cè)中可以看出，材料的吸水率均較好，在千分之一左右。聚氨酯材料具有如此低的吸水率主要是由于在材料合成時(shí)形成密閉泡孔阻止外部水分的侵入。同時(shí)實(shí)驗(yàn)在材料合成中加入硅微粉作為一種輔助勻泡劑，進(jìn)一步使得材料泡孔均勻，且增強(qiáng)了樣品的尺寸穩(wěn)定性。

3.3 密 度

實(shí)驗(yàn)是通過(guò)有機(jī)、無(wú)機(jī)催化劑雙重控制發(fā)泡反應(yīng)的進(jìn)度，但為提高樣品的阻燃能力，材料中逐漸增加的穩(wěn)定劑、阻燃劑使得樣品密度發(fā)生了變化圖3，但均在要求范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)還可進(jìn)一步通過(guò)改變白料中催化劑的用量調(diào)節(jié)樣品密度。

圖3 樣品密度Fig.3 Sample density

3.4 氧指數(shù)

由圖4可以看出，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的加入具有阻燃性能含磷聚醚多元醇、苯酚類(lèi)多元醇作為反應(yīng)物，同時(shí)加入含磷阻燃劑（DMMP）、氫氧化鋁，使得樣品氧指數(shù)均有明顯的提升，其中樣品3、樣品4和樣品6達(dá)到建筑類(lèi)聚氨酯保溫板的B 級(jí)要求。

圖4 樣本氧指數(shù)Fig.4 Sample oxygen index

4 結(jié)論

綜上試樣結(jié)果分析，在較低的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)樣品的吸水率較低，但會(huì)影響到樣品的密度；在樣品達(dá)到較理想的氧指數(shù)時(shí)材料的吸水率較高。通過(guò)對(duì)比不同配方聚氨酯具有阻燃性能的材料，樣品4其導(dǎo)熱系數(shù)、吸水率、氧指數(shù)均有較明顯改善，滿(mǎn)足建筑用保溫材料的需求。一步合成法的制備工藝簡(jiǎn)單、便捷，適合于建筑工程實(shí)施。