聚苯乙烯泡沫塑料保溫材料的研究進(jìn)展

湯勁松，曾 楨

（江西科技學(xué)院，江西 南昌 330098）

保溫材料在各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用，尤其是高分子保溫材料的飛速發(fā)展，促進(jìn)了保溫材料行業(yè)及相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境問題日益嚴(yán)重。近年來，國家倡導(dǎo)綠色建筑、健康住宅、建筑節(jié)能，因此，在室內(nèi)設(shè)計時考慮建筑節(jié)能是一種必然趨勢。外墻、屋面等作為建筑的維護(hù)結(jié)構(gòu)，是主要的熱能傳遞路徑，將保溫材料用于室內(nèi)設(shè)計中，可以節(jié)約能量，從而達(dá)到節(jié)能的目的。近年來，我國建筑行業(yè)中保溫材料應(yīng)用比例大幅提升［1］。建筑中常用的保溫材料包括巖棉板、泡沫玻璃板等不可燃的A類保溫材料以及聚苯乙烯泡沫板、擠塑板、酚醛樹脂泡沫板等B類有機保溫材料。高分子保溫材料主要包括硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料［2-7］、聚苯乙烯泡沫塑料［8-10］、酚醛樹脂泡沫塑料［11-13］和相變保溫材料［14-15］。其中，聚苯乙烯泡沫塑料質(zhì)輕、保溫性好、造價低、操作簡便，且具有優(yōu)異的耐老化、耐化學(xué)藥品腐蝕、耐熱和耐寒等優(yōu)異性能，機械強度高，韌性好，極大簡化了建筑施工過程，降低了施工難度，被廣泛應(yīng)用于保溫節(jié)能工程［16-19］。本文結(jié)合保溫材料的研究現(xiàn)狀分析了現(xiàn)階段保溫材料的具體應(yīng)用，并詳細(xì)闡述了其實際應(yīng)用過程中的優(yōu)越性能。

1 常用保溫材料的研究現(xiàn)狀

我國自2001年開始出臺了一系列相關(guān)政策，大力倡導(dǎo)保溫節(jié)能材料的應(yīng)用，保溫材料行業(yè)不斷發(fā)展［1］。保溫材料的保溫性能研究包括耐火性能、導(dǎo)熱性能、吸水性能。

1.1 耐火性能

耐火性能為保溫材料可否使用的標(biāo)準(zhǔn)之一。目前，常用的高分子保溫材料有酚醛樹脂泡沫塑料、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料三種。其中，酚醛樹脂泡沫塑料耐燒蝕性能最好，燃燒時具有較低的發(fā)煙量和化學(xué)毒性，在建筑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料的極限氧指數(shù)均較低，約為17.0%，較易燃燒，因此，在建筑工程中應(yīng)用時需要對其進(jìn)行阻燃改性［20］。

1.2 導(dǎo)熱率

導(dǎo)熱率是衡量保溫材料保溫性能的重要指標(biāo)，材料的導(dǎo)熱率越低，保溫性能越好。導(dǎo)熱率與保溫材料的容重和強度密切相關(guān)，容重、強度、導(dǎo)熱率三者對保溫材料的保溫性能起到相互制約的作用。與無機材料相比，泡沫塑料的導(dǎo)熱率更低。如泡沫陶瓷的導(dǎo)熱率約為0.080 W/（m·K），酚醛樹脂泡沫塑料的導(dǎo)熱率低于0.035 W/（m·K），聚苯乙烯泡沫塑料的導(dǎo)熱率低于0.040 W/（m·K）［21］。

1.3 吸水性能

保溫材料的吸水性能對其保溫性能影響較大，吸水率為吸水性能的指標(biāo)，當(dāng)材料吸水率較大時，水分子填充了材料內(nèi)部的孔隙，導(dǎo)致材料密度增大，進(jìn)而使材料的導(dǎo)熱率增大，導(dǎo)熱性能增強，保溫性能下降［22］。與無機材料相比，泡沫塑料的吸水率較小，如無機保溫砂漿的吸水率高于20.0%，而酚醛樹脂泡沫塑料的吸水率低于1.0%。

2 聚苯乙烯泡沫塑料保溫材料的研究現(xiàn)狀

2.1 聚苯乙烯泡沫塑料的優(yōu)勢

從表1可以看出：大部分無機保溫材料導(dǎo)熱率為0.15～0.20 W/（m·K），礦棉的導(dǎo)熱率稍低，為0.05 W/（m·K）；聚苯乙烯泡沫塑料的導(dǎo)熱率低于0.04 W/（m·K），且蓄熱系數(shù)也較低，為0.40 W/（m·K），說明聚苯乙烯泡沫塑料具有較好的保溫性能。另外，常見的無機保溫材料密度較高，混凝土類保溫材料的密度甚至高達(dá)600.00 g/cm3；而聚苯乙烯泡沫塑料的密度低，為50.00 g/cm3。除此之外，聚苯乙烯泡沫塑料還具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、較低的生產(chǎn)成本等優(yōu)點，是一種綜合性能較為優(yōu)異的保溫材料。在實際使用中，以聚苯乙烯為原料制成的保溫板，憑借其質(zhì)輕、保溫性能好、保濕性好［水蒸氣透過系數(shù)小于4.5 g/（m2·24 h）］的優(yōu)勢，在保溫行業(yè)應(yīng)用廣泛［23-24］。

表1 常用保溫材料的導(dǎo)熱率、蓄熱系數(shù)及密度Tab.1 Coefficient of heat conductivity，heat storage coefficient，and density of commonly used thermal insulation materials

2.2 聚苯乙烯泡沫塑料的耐火性能

聚苯乙烯泡沫塑料屬于高分子保溫材料，其燃燒性能不符合現(xiàn)行保溫材料的要求，故需要對其耐火性能進(jìn)行改性。目前，常用的改性方法為在聚苯乙烯泡沫塑料中添加阻燃劑或者進(jìn)行阻燃處理，以增強聚苯乙烯泡沫塑料的阻燃性能，從而加強其耐火性能。

制備聚苯乙烯泡沫塑料時，加入阻燃劑的研究較為廣泛，研究的重點在于加入阻燃劑勢必會影響原料的熱穩(wěn)定性以及聚合度，所以選擇合適的阻燃劑以及合理的制備方法很重要。Howell等［25］在五苯基阻燃劑中加入二氧雜環(huán)磷制備了熱穩(wěn)定性良好的新型無鹵阻燃劑。這種阻燃劑受熱分解會產(chǎn)生可以使苯乙烯聚合的自由基，從而抑制聚苯乙烯的受熱分解，提高了聚苯乙烯的穩(wěn)定性。李玉玲等［26］制備了阻燃效果較好的磷酸三酯阻燃劑，將其加入到聚苯乙烯基體后發(fā)現(xiàn)，聚苯乙烯的極限氧指數(shù)由18.0%提高到22.6%，且遇火收縮現(xiàn)象明顯改善，燃燒速率降低51.7%，殘?zhí)苛刻岣吡?5.0%。德國BASF公司采用膨脹石墨、紅磷等阻燃劑制備了阻燃等級較高的發(fā)泡阻燃材料。結(jié)果表明，當(dāng)膨脹石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，紅磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，改性聚苯乙烯的燃燒等級可達(dá)到GB 8624—2012中規(guī)定的B1～B2級［27］。高巖［28］制備了一種雙組分的阻燃膠，將其添加到聚苯乙烯基體中。當(dāng)A組分和B組分阻燃膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為65.0%，2.5%時，聚苯乙烯的阻燃性能得到了明顯提升。利用酒精噴燈對其進(jìn)行灼燒實驗時發(fā)現(xiàn)，700～1 000 ℃下灼燒30 s，未發(fā)生明顯燃燒。甄影［29］以膨脹石墨作為阻燃劑對聚苯乙烯進(jìn)行阻燃改性。結(jié)果表明，當(dāng)膨脹石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，所制阻燃型聚苯乙烯在離火5.86 s后發(fā)生自熄。曾尤等［30］利用十溴聯(lián)苯醚/三氧化二銻與膨脹石墨制成協(xié)同阻燃劑，制備了一種阻燃型聚苯乙烯。當(dāng)阻燃劑含量增大時，聚苯乙烯離火自熄時間隨之降低。膨脹石墨具有片層結(jié)構(gòu)，受熱后膨脹，可以將有機阻燃劑十溴聯(lián)苯醚/三氧化二銻燃燒所產(chǎn)生的氣體封閉在基體內(nèi)，利用協(xié)同作用有效提高了阻燃性能。當(dāng)十溴聯(lián)苯醚、三氧化二銻和膨脹石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為11.25%，3.75%，11.00%時，聚苯乙烯離火后1.3 s便發(fā)生自熄。改性聚苯乙烯的離火自熄時間一般為1.0～5.0 s，協(xié)同阻燃劑的改性效果更為優(yōu)異。另外，添加阻燃劑后一般不會對其導(dǎo)熱率造成明顯影響，改性聚苯乙烯的導(dǎo)熱率一般為0.020～0.030 W/（m·K），因此，阻燃改性后的聚苯乙烯是一種理想的建筑用保溫材料。

2.3 聚苯乙烯泡沫塑料的保溫性能

當(dāng)材料的吸水率增大時，其導(dǎo)熱率增大，保溫性能降低。聚苯乙烯泡沫塑料板保濕性良好，吸水率較低，故具有良好的保溫性能［31］。蘇云輝等［32］將聚苯乙烯泡沫塑料應(yīng)用于房屋的保溫層中，與傳統(tǒng)磚結(jié)構(gòu)房屋相比，使用了聚苯乙烯泡沫塑料的屋面、外墻、外窗和外門的節(jié)能限值分別降低了89.2%，72.6%，12.0%，1.2%；采暖季房屋的耗煤量降低了75.11 kg/m2。周瑩［33］將聚苯乙烯泡沫塑料應(yīng)用到日光溫室的墻體中。與傳統(tǒng)土夯墻體相比，在白天，晴天和陰天情況下，采用聚苯乙烯泡沫塑料墻體的溫室溫度分別降低1.6 ，3.2 ℃；雨天和雪天情況下，溫室溫度分別降低0.5，0.6 ℃；夜間，晴天和陰天情況下，采用聚苯乙烯泡沫塑料墻體的溫室溫度分別降低0.6，0.4 ℃；雨天時溫室溫度降低0.1 ℃，雪天時升高0.2 ℃。這說明聚苯乙烯泡沫塑料的保溫效果與土夯墻體差別不大。

3 聚苯乙烯泡沫塑料保溫材料的應(yīng)用研究

在室內(nèi)設(shè)計中，以聚苯乙烯泡沫塑料為原料制成的保溫材料，多被應(yīng)用于墻體內(nèi)保溫系統(tǒng)、墻體外保溫系統(tǒng)以及屋面工程中。

3.1 在墻體內(nèi)保溫中的應(yīng)用

外墻內(nèi)保溫的施工工藝為：首先在室內(nèi)墻體的內(nèi)表面刷界面劑，后進(jìn)行水泥砂漿找平；然后進(jìn)行保溫隔熱層的施工；最后進(jìn)行外墻裝飾層的施工。采用聚苯乙烯泡沫塑料支撐的板材對墻體內(nèi)保溫施工時，以板材為基礎(chǔ)在其內(nèi)表面進(jìn)行保溫隔熱工程施工。在墻體內(nèi)保溫應(yīng)用時具有操作方便、節(jié)省時間的優(yōu)點；但會產(chǎn)生“熱橋”現(xiàn)象，影響保溫材料的使用年限和保溫效果。為了解決這個問題，在砂漿中加入保溫材料顆粒進(jìn)行涂抹式保溫施工，取得了一定效果。張雙喜等［34］將聚苯乙烯泡沫塑料智能門窗用于建筑外墻，通過與真空玻璃門窗對比研究發(fā)現(xiàn)，聚苯乙烯泡沫塑料門窗的導(dǎo)熱率低于1.1 W/（m·K），而真空玻璃門窗的導(dǎo)熱率為2.5～3.5 W/（m·K），說明聚苯乙烯泡沫塑料門窗的保溫性能更好，達(dá)到GB/T 8484—2008中10級保溫效果。孫春榮［35］利用聚苯乙烯泡沫塑料顆粒制備了一種外墻保溫板，該保溫板具有較低的導(dǎo)熱率，抗拉強度可提高到0.3 MPa以上，極限氧指數(shù)超過30.0%。

3.2 在墻體外保溫中的應(yīng)用

墻體的外保溫構(gòu)造解決了“熱橋”問題，對外墻墻體起到一定的保護(hù)作用，應(yīng)用廣泛。采用聚苯乙烯泡沫塑料制成的保溫板在墻體外保溫上的應(yīng)用主要有三種方式，即機械固定式、“夾心墻”式、一次澆筑成型式［36-37］。機械固定式保溫構(gòu)造中，聚苯乙烯泡沫塑料板在混凝土墻體和外墻的裝飾面層中間，采用機械固定的方式將三者連接，常用的連接方式有栓式連接、鐵絲網(wǎng)固定兩種［38］。“夾心墻”式保溫構(gòu)造的特點是在砌筑墻體施工過程中，將聚苯乙烯泡沫塑料保溫板置于墻體內(nèi)部作為墻體的一部分進(jìn)行砌筑，有效發(fā)揮了保溫板的保溫性能且保溫板的損耗較小。一次澆筑成型式，是在混凝土墻體澆筑過程中，將保溫板與混凝土融為一體，作為混凝土墻的一部分，充分發(fā)揮保溫板的保溫性能，節(jié)省施工時間。劉向偉等［39］研究了不同聚苯乙烯保溫材料以及外墻保溫層厚度的保溫效果。結(jié)果表明，聚苯乙烯泡沫塑料的保溫效果好于擠塑聚苯乙烯保溫板；另外，最佳的保溫層厚度為0.08～0.13 m，采暖期耗電量會大幅下降，相應(yīng)的污染物排放也會大幅降低。其中，二氧化碳和二氧化硫的排放量可降低75.8%～78.6%。

3.3 在屋面保溫中的應(yīng)用

常用的屋面保溫材料有水泥珍珠巖、聚苯乙烯泡沫塑料保溫板等。水泥珍珠巖的密度為400 kg/m3，聚苯乙烯泡沫塑料的密度約為水泥珍珠巖密度的1/10，當(dāng)采用質(zhì)輕的聚苯乙烯泡沫塑料保溫板作為屋面保溫材料時，可以降低屋面荷載。水泥珍珠巖的導(dǎo)熱率為0.087 W/（m·K），聚苯乙烯泡沫塑料的導(dǎo)熱率為0.035 W/（m·K），因此聚苯乙烯泡沫塑料保溫板的保溫性能較水泥珍珠巖好。當(dāng)保溫效果相同時，聚苯乙烯泡沫塑料保溫板所需要的厚度較水泥珍珠巖小30 mm，因此，屋面保溫材料中聚苯乙烯泡沫塑料保溫板的優(yōu)勢較大，應(yīng)用廣泛。聚苯乙烯泡沫塑料保溫板在屋面保溫工程中有正置式和倒置式兩種方式［40］。正置式是在施工中，首先在屋面結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)保溫板；然后進(jìn)行找坡、找平、鋪設(shè)保護(hù)層；最后進(jìn)行防水處理，鋪設(shè)面層。王海濤等［41］將聚苯乙烯泡沫塑料和擠塑聚苯乙烯保溫板應(yīng)用到湖北省長沙市低溫糧倉的屋頂中，這兩種保溫材料有效提高了低溫糧倉的保溫效果，降低了糧倉的耗電量。最優(yōu)屋頂厚度為0.106～0.183 m。王海濤等還發(fā)現(xiàn)，由于聚苯乙烯泡沫塑料的導(dǎo)熱率更低，因此其保溫效果優(yōu)于擠塑聚苯乙烯保溫板。

4 結(jié)語

聚苯乙烯具有較低的導(dǎo)熱率，且密度低，是一種綜合性能優(yōu)異的保溫材料；但其阻燃性較差，通過在聚苯乙烯基體中添加無機或有機阻燃劑，能有效提升其阻燃性。聚苯乙烯泡沫塑料保溫材料廣泛應(yīng)用于建筑墻體和屋面中，能夠有效提升建筑保溫效果，降低建筑能耗，減少有害氣體排放。