改性納米石墨對納塑保溫板導熱系數影響的研究

馬道貞 王延明 喬 林

（1.中國建筑科學研究院防火所，北京 100000；

2.山東創偉外墻保溫材料集團有限公司，山東 濟南 250000）

我國外墻保溫材料行業的發展歷程就是行業產品的技術發展方向變化史。上世紀末，主流產品是珍珠巖、巖棉、玻璃棉等保溫材料；到本世紀前10 年，主流產品變為擠塑板、聚氨酯等有機保溫材料。但隨著75%節能標準及GB 50016-2014《建筑設計防火規范》的頒布實施，國家對于建筑節能及防火的要求雙重提高。在此背景下，傳統外墻保溫材料系統面臨諸多問題，已經正式進入淘汰期。隔離式納塑保溫系列產品的出現有效解決了傳統保溫材料防火和節能兩者不能兼顧的問題，同時基于工廠化預制和自身產品性能優勢也解決了傳統外墻保溫系統結構安全性差的問題。如何通過改性手段獲得更低導熱的納塑保溫板對于產品保溫性能的提升具有重要意義。

1 改性納米石墨對納塑保溫板導熱系數的影響

納米石墨粒子由于具有獨特的表面效應、體積效應、量子尺寸效應等特性，有利于提高共混體系的熱流動性和組分間的分散程度。特別在有二氧化碳發泡劑參與發泡過程中，可使相結構轉變為海-島結構。根據經典成核理論，二氧化碳趨向于在能壘較低的相界面區域聚集，發泡泄壓時連續相結構體系中連續的相界面區為聚集二氧化碳提供了一個擴散逃逸的通道，將導致沒有足夠的二氧化碳來實現泡孔長大。海-島結構相界面區域為相互孤立，可以存留更多空間的實現二氧化碳泡孔生長。因此，納米石墨的添加可顯著改善了二氧化碳流體的發泡能力，對二氧化碳流體發泡技術起到促進和改善的作用。另一方面，納米石墨粒子作為“遮光劑”，可降低低輻射傳熱，從而也是降低保溫板導熱系數的重要手段。但是，納米石墨表面只有少量的羥基，因此與有機聚合物的相容性較差，對于改善保溫板導熱系數的作用并不明顯，如圖1 所示。

圖1 中，試驗將納米石墨按照納塑母料重量的4%、8%、12%、16%和20%摻入，以氟利昂/二氧化碳混合發泡劑發泡，其中二氧化碳重量占比75%，其余工藝不變，研究納米石墨對納塑保溫板導熱系數的影響。試驗結果表明，在不同摻量下，納米石墨對保溫板導熱系數影響較小，上下波動幅度小于0.001 W/(m·K)。

選擇鈦酸酯偶聯劑對納米石墨表面進行改性處理，鈦酸酯的長碳鍵烷烴基比較柔軟，能在納米石墨表面進行彎曲纏結。而鈦酸酯分子末端的羥基、氨基、環氧基和含雙鍵的基團可以與有機物進行化學反應而結合在一起，從而提高了納米石墨與聚合物的相容性。

將鈦酸酯偶聯劑按一定比例溶解于異丙醇，再與納米石墨混合并充分攪拌。將改性后的納米石墨于85℃常壓干燥5h，而后升溫至120℃真空干燥5h，即獲得改性的納米石墨。將改性的納米石墨按照圖3.6 相同的試驗方法進行，研究改性納米石墨對保溫板導熱系數的影響，如圖2 所示。

由圖2 可以看出，摻入經過鈦酸酯偶聯劑表面改性的納米石墨對保溫板導熱系數影響較大，保溫板導熱系數隨著改性納米石墨的摻入量增加呈現先降低后升高的趨勢，當改性納米石墨的摻入量為12%時，保溫板的導熱系數最低，達到0.017W/(m·K)。

2 結語

未經改性的納米石墨對保溫板對納塑保溫板導熱系數影響較小，上下波動幅度小于0.001 W/(m·K)；經過鈦酸酯偶聯劑表面改性的納米石墨對納塑保溫板導熱系數影響較大，其導熱系數隨著改性納米石墨的摻入量增加呈現先降低后升高的趨勢，當改性納米石墨的摻入量為12%時，保溫板的導熱系數最低，達到0.017W/(m·K)。