建筑阻燃保溫材料的制備以及性能研究

馬夢娜

摘 要：建筑行業在我國快速的發展，使得其對建筑節能技術的要求越來越高，而建筑材料的阻燃保溫性能是其節能技術的主要方式，目前的保溫材料存在易燃等問題。通過選取不同的配料制備成復合保溫材料，以壓縮強度以及導熱系數為表征依據，并通過單一變量法對制備的材料進行了保溫阻燃性能的研究，以及正交實驗法確定配料的最佳配比值，研究成果為建筑材料阻燃保溫提供科學依據。

關鍵詞：保溫材料;壓縮強度;保溫系數;阻燃性能

中圖分類號：TU761?????? 文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）01-0074-04

Study on the preparation and performance of building flame-retardant insulation materials

MA Mengna

（Shanxi Polytechnic Institute，Xianyang 71200，Shaanxi China）

Abstract：As the rapid development of construction industry in China，the requirements for building energy saving technology are getting higher than before.The flame-retardant and thermal insulation features of building materials are the main ways of their energy-saving technology.At present，there are some problems such as flammability of thermal insulation materials.This paper analyzed the different ingredients preparation into composite insulation material，to the compression strength and thermal conductivity for characterization，and through the single variable method for the preparation of materials for the flame retarding performance of heat preservation，and the orthogonal experimental method to determine the best matching ratio of ingredients.The research result provided scientific basis for flame retardant insulation building materials.

Key words：insulation materials;compressive strength;heat preservation coefficient;flame retardancy

我國目前處于經濟快速發展的階段，需要較多的能源以支撐;而節能理念的提出，對于其發展更有利。建筑行業的節能勢在必行，其建筑材料的保溫是其節能的主要技術方式和方法。國家也發布了一系列的強制性措施以推薦建筑行業的節能，要使得我國的建筑行業實現節能50%的指標[1-2]。1740年，瑞典科研者通過利用一種鋼絲網對礦棉板進行增強，制備成一種新型的保溫層，其厚度為76.2～101.6 mm時，就可以使得取暖耗材量降低30%[3]。有學者對在夏季時地中海地區的房屋進行了室內溫度的變化研究，采用了不同的保溫技術，研究表明，前外保溫技術的運用，會使得溫度出現的波動情況較小[4];以計算機為考研載體，利用Phoenics等軟件通過對建筑墻體的模擬以及計算在不同的保溫方法條件下的墻體的傳熱特性，實驗結果顯示，墻體外保溫的方式會使得室內的溫度波動出現較小的情況[5-7]。也有學者在制備發泡混凝土的過程中，通過添加硅酸鹽水泥，并將混凝土作為外加劑進行研究，實驗結果顯示，當外加劑的添加量適宜時，發泡混凝土材料的性能最優，導熱系數達到0.007 W/（m·K）[8];將聚醋酸乙烯膠粘劑作為憎水劑，加入到原材料中進行保溫材料的制備，實驗結果顯示，憎水劑在保溫材料內形成了憎水模，從而減小了保溫材料的吸水性[9];以正交實驗為研究方法，研究了聚苯乙烯泡沫（Expanded Polystyrene，簡稱EPS）顆粒、聚丙烯纖維、憎水劑以及引氣劑等4種添加劑，其材料的最佳配比值，制備的保溫材料的壓縮強度達到0.54 MPa，導熱系數達到0.059 6 W/（m·K） [10];研制了一種新型的聚氨酯泡沫板保溫材料，其性能達到了壓縮強度0.17 MPa，導熱系數達到了0.045 W/（m·K）[11]。本文采用單一變量法以及正交實驗兩種方法，研究了不同材料在不同配比的情況下，制備的建筑保溫材料的性能，依據壓縮強度以及導熱系數，研究了水泥配比對保溫材料的影響以及制備的保溫材料的保溫阻燃性能。

1 建筑阻燃保溫材料的制備

1.1 實驗材料及儀器

制備建筑阻燃保溫材料的實驗材料：建筑阻燃顆粒（CP，北京博樂建有限公司）;納米二氧化硅（AR，美國Degussa公司）;硅烷偶聯劑（AR，南京飛翔材料有限公司）;聚乳酸（AR，上海永大科技有限公司）;無水乙醇（AR，浙江騰飛材料有限公司）;快速結塊硅酸鹽（AR，上海路政材料有限公司）;氫氧化鋁（AR，山東永安環保公司）;聚丙纖維（AR，南京風帆實業有限公司）;雙酚環氧樹脂（AR，江蘇三木材料有限公司）;有機硅酸鹽脫水劑（AR，英國瓦萊特公司）。

制備建筑阻燃保溫材料的實驗儀器：精準電子秤（SZCL-2，鞏義予華儀器集團）;超聲波清潔機（KQ3200，杭州匯通有限公司）;雙螺旋干混攪拌機（SHJ-26，武漢瑞杰儀器有限公司）;高速離心機（TBL-16G，北京高科儀器公司）;差量掃描顯示儀（SHJ-26，武漢瑞杰儀器有限公司）;錘擺式力學分析儀（PKJ961，美國Instron公司）;質量密度測試儀（KPLY-320，杭州京華實驗設備有限公司）。

1.2 材料制備流程

稱取一定量的水泥、粉煤灰材料、硅灰和氫氧化鈣，并添加水、聚丙烯纖維、可分散膠粉、羥丙基甲基纖維素醚，并添加有機硅作為憎水劑，將所有材料在攪拌機中進行長達5 min的高速攪拌操作，制備成預混漿體;然后加入輕質骨料，進行長達10 min的低速攪拌操作，將攪拌充分的保溫漿料倒入涂有脫模劑的模型中進行壓模成型操作，最后進行脫模養護，養護28 d。制備保溫建筑材料全程在恒溫23 ℃的條件下進行低速攪拌操作。

2 材料的表征以及相關實驗

2.1 材料表征

2.1.1 導熱系數

導熱系數，是物質導熱能力的量度。其定義指在材料1 m厚、表面兩側的溫度差為1 ℃的情況下，1 m2面積在1 h內所傳遞的能量[12]。此實驗需要把試件制備成300 mm×300 mm×30 mm的長方體，使用DRE-2C儀器測試養護后的試件的導熱系數。該儀器采用瞬態平面熱源法進行測試，該方法具有使用范圍廣、適用各種材料的特點，如對多孔材料同樣適用[13]。

2.1.2 壓縮強度

此實驗需要把試件制備成100 mm×100 mm×30 mm的長方體，并且整個試件表面沒有裂紋、平整。在承壓板上，以10 mm/min的速度進行加壓，直至試件被破壞，記錄此時的壓力值，并計算出壓縮強度。

2.2 相關實驗

2.2.1 錐形量熱儀的測試

我們采用單因素的實驗方法，設計添加的5種材料制備的保溫材料，制備的過程中保持材料的總體積不變;添加的5種材料以及摻量如表1所示。保持此5種材料的總體積不變，研究添加這5種材料的保溫材料的防火性能。

2.2.2 正交實驗

采用正交實驗的方法，通過減少實驗次數，來確定輕質骨料、粉煤灰、硅灰以及聚丙烯纖維的配比對保溫材料的性能影響，實驗所需的材料配比如表2所示。

3 結果分析與討論

3.1 水泥對保溫材料的性能影響

本實驗選取硫鋁酸鹽水泥進行保溫材料的制備，通過對硫鋁酸鹽的質量比的調整，其占物料總比的0%～50%，分別配置不同比例的保溫材料并對其壓縮強度以及導熱系數進行測試，其結果如圖1所示。

由圖1可觀察到，制備保溫材料的壓縮系數和導熱系數隨著水泥用量的不斷增加而增大。此結果說明，保溫材料的力學性能得到了一定的提高，但是保溫性下降了。為了同時保持保溫材料良好的力學特性以及隔熱性能，水泥的用量應該保持在35%左右，此時保溫材料還具有較小的導熱系數。

3.2 保溫阻燃性能結果分析

本實驗在采樣功率為50 kW/m2的條件下，對實驗準備的5組樣品及逆行測量，采用錐形量熱儀進行操作。其測得的樣品的熱釋放速率隨著時間變化的曲線如圖2（a）所示，總熱量的釋放量曲線圖如圖2（b）所示。

由圖2（a）可觀察到，5條曲線圖均呈現先增加后下降的趨勢，且均存在一個峰值。樣品A和B作比較，B的熱釋放曲線較A平緩，二者分別在50、110 s時達到了熱釋放速率峰值;B比A的峰值降低了41.9%，說明表面經過處理的EPS制備成的復合材料，增強了其內部內聚力;B和C相比較，其峰值進一步的減小，相比于A降低了64.4%，此結果說明空心微珠和EPS的相應配比制備的復合材料大大提高了保溫材料的阻燃性。由圖2（b）可觀察到，5條曲線都呈現遞增的趨勢，A、B曲線在剛燃燒時釋放量較大，說明具有一定的火災蔓延風險;而曲線E呈現較緩慢遞增，而且斜率較小，E的抗火險性能較好。說明EPS經過表面處理以后的阻燃性能較好，E已經達到了A1不燃級別。

3.3 正交實驗結果分析

保持保溫材料的其他配比不變的情況下，按照表2的不同配比進行材料的制備，并測得材料的壓縮強度以及導熱系數，如圖3所示。

由圖3可觀察到，第4組的導熱系數值最低，力學性能等也達到復合材料的要求;因此，保溫材料的最佳配比為22%的粉煤灰、10%的輕質骨料、16%的硅灰和0.25%的纖維。配比實驗結果顯示材料的壓縮強度為0.41 MPa，導熱系數為0.049 W/（m·K），達到了A1級別的可燃級。

4 結語

通過選取有機、無機輕質骨料、無機凝膠材料以及外加劑等不同的配料制備成復合保溫材料，以壓縮強度和導熱系數為表征依據，并通過單一變量法，水泥的配比在35%左右時，會使得保溫材料在壓縮強度達到要求的同時，其導熱系數也達到最好;通過正交實驗，得到輕質骨料、粉煤灰、硅灰以及聚丙烯纖維的配比分別為10%、22%、16%和0.25%時，保溫材料達到最佳性能，此時的壓縮強度為0.41 MPa，導熱系數為0.052 W/（m·K），達到了A1級不可燃級別。

【參考文獻】

[1]卓萍，王國輝，杜霞，等.我國建筑外保溫系統發展動態及趨勢[J].消防科學與技術，2011（1）：8-11.

[2] 張繼媛，張聯英，王灃浩.外墻保溫技術的研究現狀與發展趨勢[J].建筑節能，2010（1）：71-73.

[3] 寇秀蓉.膠粉聚苯顆粒保溫材料的研究[D].蘇州：蘇州大學，2008.

[4] KONTOLEON K J，BIKAS D K.The effect of south wall’s outdoor absorption coefficient on time lag decrement factor and temperature variations[J].Energy and Buildings，2007（39）：1 011-1 018.

[5] 賈景福.不同保溫形式下外墻溫度場的數值模擬[J].消費導刊，2007（6）：234-235.

[6] 蔣志剛，龍劍.復合外墻內外保溫的傳熱特性研究[J].制冷，2006（2）：44-47.

[7] 王惟釗，樓世竹.運用FLUENT模擬軟件對墻體非穩態的數值分析[J].墻材革新與建筑節能，2009（3）：52-54.

[8] 秦璜，潘志華，呂欽剛.水泥基不燃性輕質保溫材料制備的研究[J].新型建筑材料，2012（4）：27-30.

[9] 張遵乾，張玉柱，邢宏偉等.高爐渣棉保溫板的制備及性能研究[J].功能材料，2014（4）：4 149-4 152.

[10] CHEN Y P，TAO W H，FU X H，et al.Study on preparation and properties of vitrified beads-polystyrene particles insulation mortar[J].Applied Mechanics and Materials，2014（64）：61-80.

[11] 姜長樂，高振華，趙君.阻燃耐熱型玻化微珠/聚氨酯硬泡復合保溫材料的制備和性能研究[J].新型建筑材料，2013（10）：48-51，86.

[12] 馬最良，姚楊，姜益強.暖通空調熱泵技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2008：68-70.

[13] Al-Ajlan S A.Measurements of thermal properties of insulation materials by using transient plane source technique[J].Appl Therm Eng，2006，26（17）：2 184-2 191.