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建筑保温中阻燃型材料的应用研究

摘要:叙述了阻燃型聚氨酯在建筑保温中的应用。采用一步合成法研究不同配方对材料导热、阻燃的影响。提出了一种改进型聚氨酯保温材料,其导热系数、吸水率、氧指数均有较明显改善,满足建筑用保温材料的需求。

关键词:聚氨酯;保温材料;阻燃性

目前常用的建筑保温材料主要分为有机材料和无机材料两大类,有机材料包括膨胀聚苯板、挤塑聚苯板、酚醛、发泡聚苯乙烯等,无机材料包括发泡陶瓷、发泡水泥、岩棉和玻璃棉等。但是这些传统的保温材料都各自具有各自的不足,比如有机保温材料普遍存在使用寿命短、遇水溶解且容易脱落的缺点;无机保温材料也存在着保温性能差、易吸水且生产能耗大的问题[1-2]。受能源和环境保护的要求,我国政府已强制实施了建筑节能规范和标准,目前要求城市建筑总能耗要降低65%,而实现这一目标,必须采用隔热性能最好的保温材料。

1聚氨酯保温材料

聚氨酯是一种新兴的有机高分子材料,被誉为“第五大塑料”,因其卓越的性能而被广泛应用于国民经济众多领域,涉及轻工、化工、电子、建筑、建材、汽车、国防、航天、航空等[3-5]。聚氨酯作为建筑保温材料具有导热系数低、保温性能好、防潮、防水、耐老化、耐温、不熔化等特性,同时,具有容重轻、可减少制成品的自重量等优点,所以在欧美国家建筑保温材料用聚氨酯硬泡占总消费量的比例达65%以上,而我国用于建筑节能的聚氨酯硬泡比例不足10%,具有极大的发展、应用空间。聚氨酯可作为建筑物的屋顶、墙体、天花板等部位保温材料,经过改性的聚氨酯材料阻燃性能得到很大提高,将是建筑节能首选保温材料。聚氨酯作为高聚物,不可避免的有易燃的缺点。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,致使基体与火焰、空气接触面积充分,容易造成材料本身热降解速度快和质量损失大等结果[9]。聚氨酯的氧指数只有19%左右,而空气中O2的含量为21%,也就是说聚氨酯材料在空气中点燃即可剧烈燃烧。并且聚氨酯材料由于结构中含有的C-H支链较多,极易传播火焰,在燃烧时还会产生大量有毒烟雾,所以研究聚氨酯硬质泡沫的阻燃迫在眉睫[10]。聚氨酯泡沫实现阻燃主要通过两种方式:添加阻燃剂阻燃和结构型阻燃。添加阻燃剂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、锑、铋等的化合物,第Ⅶ族的卤系化合物和第Ⅲ族的硼、铝的化合物[11-12],包括卤系、磷系、氮系和无机阻燃剂,不过大多卤系阻燃剂会降低材料的力学性能、热稳定性差。结构型阻燃技术通过对聚氨酯材料的结构改性,遇火燃烧时材料表面上形成致密碳化层,有效阻止火焰的继续蔓延。本文从建筑用材的适用性出发,合成一种低成本高阻燃性能的聚氨酯保温材料。

2材料的制备

2.1实验原料

多异氰酸酯、聚醚多元醇、含磷聚醚多元醇、苯酚类多元醇、水、物理发泡剂HCFC-141b、叔胺催化剂、二月桂酸二丁基锡、有机硅泡沫稳定剂、硅微粉、BHT类抗氧化剂、含磷阻燃剂(DMMP)、氢氧化铝。

2.2实验仪器

鼓风干燥箱、可变速电动搅拌机、电子秤、常规塑料量杯。

2.3材料制备

实验采用“一步合成”法进行材料的制备,步骤如下:(1)白料制备:材料按照表1所示比例称量加入到塑料量杯中,将搅拌机转速调节至300r/min~800r/min,然后将量杯中的混合液在搅拌机下搅拌均匀。(2)预热:将制备好的白料、黑料(多亚甲基多苯基多异氰酸酯-PAPI)在鼓风干燥中预热0.5h~3h,然后将量杯中的混合液在搅拌机下重复搅拌1min。(3)将搅拌机转速调节至500r/min~1500r/min,然后将预热后的黑白料混合后搅拌,搅拌时间≤1分钟。(4)将混合后的液体倒入模具中常温发泡。

2.4性能测试及要求

导热系数按GB/T3399—1982《塑料导热系数试验方法护热平板法》进行测试;吸水率按GB/T8810—2005《硬质泡沫塑料吸水率的测定》进行测试;密度为样品质量和样品体积的商,测5次,取平均值。氧指数按GB/T2406.2—2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为》进行测试。(1)导热系数是聚氨酯材料在建筑保温材料中应用的重要指标,导热系数越小,材料的绝热性能越好。按照阻燃型聚氨酯保温板物理机械性能指标QB/T3806要求,聚氨酯保温板在30℃下的导热系数应≤0.024W/m•K。(2)吸水率是表示材料在正常大气压下吸水程度的物理量,用百分率来表示。聚氨酯保温材料由于闭孔率高,因此吸水率较低。如果吸水率高,不仅影响保温效果,也会降低材料的使用寿命,从而影响工程质量。(3)聚氨酯的密度也是材料性能的一项重要指标,产品密度相对较大,隔音抗震的效果也相对较大,不过密度也不能过大,这会造成造价、运输方面的成本增加,并且也会增加墙体承重,所以阻燃型聚氨酯保温板的密度一般要求在35kg/m3~55kg/m3之间。(4)极限氧指数(LOI)的测量是指材料在只有N2和O2存在下,材料刚好能够燃烧时O2占总气体的体积分数,LOI可以直观地体现材料的燃烧性能。一般认为LOI<22%的材料属于易燃材料,LOI在22%~27%的材料属于可燃材料,LOI>27%属于难燃材料。传统的聚氨酯的LOI在19%左右,国标GB8624要求建筑类聚氨酯保温板的LOI应达到B级(B1级一般指材料的LOI≥30%;B2级≥26%)。

3结果分析

3.1导热系数

由图1可以看出,在白料中以单组分变量0.2%的份额改变有机硅泡沫稳定剂的用量,使得样品的导热系数逐渐减小,分析主要是由于样品中泡孔的闭孔率增加,使得样品气体含量增大的缘故。但稳定剂含量增加至2.0%后导热系数明显增大,分析是由于样本品内泡孔闭孔收缩造成。

3.2吸水率

作为建筑保温材料一般将材料用于室外,因此监测样品的吸水率是材料性能分析的一大重点。从图2样品吸水率检测中可以看出,材料的吸水率均较好,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时形成密闭泡孔阻止外部水分的侵入。同时实验在材料合成中加入硅微粉作为一种辅助匀泡剂,进一步使得材料泡孔均匀,且增强了样品的尺寸稳定性。

3.3密度

实验是通过有机、无机催化剂双重控制发泡反应的进度,但为提高样品的阻燃能力,材料中逐渐增加的稳定剂、阻燃剂使得样品密度发生了变化图3,但均在要求范围内,实验还可进一步通过改变白料中催化剂的用量调节样品密度。

3.4氧指数

由图4可以看出,实验设计的加入具有阻燃性能含磷聚醚多元醇、苯酚类多元醇作为反应物,同时加入含磷阻燃剂(DMMP)、氢氧化铝,使得样品氧指数均有明显的提升,其中样品3、样品4和样品6达到建筑类聚氨酯保温板的B级要求。

4结论

综上试样结果分析,在较低的导热系数时样品的吸水率较低,但会影响到样品的密度;在样品达到较理想的氧指数时材料的吸水率较高。通过对比不同配方聚氨酯具有阻燃性能的材料,样品4其导热系数、吸水率、氧指数均有较明显改善,满足建筑用保温材料的需求。一步合成法的制备工艺简单、便捷,适合于建筑工程实施。

参考文献

[1]吴凯丽.建筑外墙聚氨酯保温板制备工艺和应用研究[J].工艺与设备,2016,42;33-35.

[3]孔新平.喷涂聚氨酯硬泡在建筑防水保温中的应用[J].化工新型材料,2004,90:40-41.

[4]冯泳检,崔航,胡剑青,等.聚氨酯硬泡在外墙保温体系中的应用研究[J].新型建筑材料,2016,(6):85-87.

[5]朱长春,吕国会.中国聚氨酯产业现状及“十三五”发展规划建议[J].聚氨酯工业,2015,30(3):1-25.

[6]杨瑞卿,杨志,李绩,等.保温工程用聚氨酯硬质泡沫材料的制备研究[J].应用化工,2019,(5):1-5.

[7]华胜兵,关瑞芳.聚氨酯材料阻燃技术研究进展[J].广东化工,2009,(10):114-115.

[8]钟达飞.聚氨酯在建筑外墙保温材料的应用[J].聚氨酯,2007,(67):62-65.

[10]邓桂芳.聚氨酯工业的应用发展趋势[J].乙醛酸化工专家论坛,2008,(6):25-30.

作者:鲁文娟 单位:陕西铁路工程职业技术学院

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