有機(jī)泡沫保溫材料的研究現(xiàn)狀

熊煦　袁青青　葛雪峰　張秀

【摘 要】有機(jī)泡沫保溫材料由于其獨(dú)特的性能，因而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本文主要概述了有機(jī)保溫材料的基本情況，重點(diǎn)介紹了聚氨酯泡沫材料、聚苯乙烯泡沫材料、酚醛泡沫材料的研究現(xiàn)狀。

【關(guān)鍵詞】有機(jī)；泡沫；保溫材料；研究現(xiàn)狀

有機(jī)泡沫材料自20世紀(jì)40年代問(wèn)世以來(lái)，由于其具有諸多優(yōu)異性能，如能量吸收性能好、密度低、吸聲性能好等，在金屬電極、吸附材料、結(jié)構(gòu)材料、能量吸收材料、化工生產(chǎn)、房屋建筑等領(lǐng)域均獲得廣泛的應(yīng)用。[1-2]。我國(guó)的建筑業(yè)是一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，在這個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)中，節(jié)能就顯得相當(dāng)重要了，使用有機(jī)泡沫保溫材料就是一種直接有效的節(jié)能方法。目前應(yīng)用比較多的有機(jī)泡沫保溫材料主要有聚氨酯、聚苯乙烯、酚醛泡沫塑料等，隨著保溫材料使用的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)有機(jī)泡沫保溫產(chǎn)品已不能滿足社會(huì)和工業(yè)需求。近年來(lái)保溫材料不斷升級(jí)，新型有機(jī)泡沫保溫材料應(yīng)運(yùn)而生，有機(jī)泡沫保溫材料的組成體系日益完善，性能更加優(yōu)異。

1 聚氨酯泡沫保溫材料

聚氨酯泡沫材料可分為硬質(zhì)泡沫塑料、軟質(zhì)泡沫塑料、半硬質(zhì)泡沫塑料等，其中聚氨酯硬泡材料以其卓越的保溫隔熱性能[3]，自20世紀(jì)90年代以來(lái)大量用于冰箱、管道、冷庫(kù)、建筑屋面等保溫材料，在提高人民生活水平、節(jié)能保溫等方面發(fā)揮著重要作用。

近年來(lái)我國(guó)逐步推廣應(yīng)用于房屋建設(shè)中，以其輕質(zhì)、絕熱、防水等優(yōu)異性能，代替了傳統(tǒng)的隔熱、保溫、防水方法，特別適合于現(xiàn)澆混凝土坡屋面，為現(xiàn)澆混凝土坡屋面保溫、防水、節(jié)能提供了一條可靠的施工方法[4]。目前我國(guó)現(xiàn)大力提倡節(jié)能環(huán)保，研究開發(fā)阻燃、耐熱、環(huán)保型聚氨酯泡沫塑料保溫材料將是亟待解決的課題。

糜婧等[5]采用手工一步發(fā)泡法，比較了4 種不同液體含磷阻燃劑甲基膦酸二甲酯、磷酸三（β-氯異丙基）酯、二甲基膦酸丙酯及膦酸二甲酯1201對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的阻燃效果和抑煙效果的影響。研究表明，膦酸二甲酯1201的阻燃，抑煙效果最好，添加膦酸二甲酯1201的試樣其氧指數(shù)從純硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的19.5%提高到了25.7%，單位質(zhì)量的煙密度等級(jí)也較純硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料降低了12.3%，有效地提高了硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料的阻燃性能。

梁克瑞[6]以聚磷酸銨/氫氧化鋁復(fù)配阻燃劑制備了聚氨酯泡沫塑料，研究了阻燃劑用量及復(fù)配方式對(duì)聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料阻燃性能和力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示，聚磷酸銨/氫氧化鋁復(fù)配阻燃劑阻燃效果優(yōu)于單一阻燃劑，阻燃劑添加量達(dá)30份時(shí)，其壓縮強(qiáng)度為0.12MPa，泡沫氧指數(shù)為34%，煙密度為67，材料的阻燃性能達(dá)國(guó)標(biāo)B2級(jí)。

劉鳳嬌等[7]以多元醇、異氰酸酯、發(fā)泡劑等添加劑為原料，并加入含鹵結(jié)構(gòu)型阻燃聚醚多元醇，制備出阻燃硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，考察了配方中阻燃多元醇及發(fā)泡劑水的用量對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的阻燃等性能的影響。研究結(jié)果表明，阻燃聚醚多元醇能顯著提高硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能，氧指數(shù)隨著其用量的增加而增大，水發(fā)泡劑的用量直接影響硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的密度、力學(xué)性能和阻燃性能。

何金迎等[8]采用一步法合成聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料，考察了延遲性三乙烯二胺型催化劑對(duì)聚氨酯塑料發(fā)泡體系的發(fā)泡時(shí)間、表觀密度、熱穩(wěn)定性能、力學(xué)性能等的影響。隨著延遲性三乙烯二胺型催化劑用量的增加，發(fā)泡時(shí)間縮短，表觀密度先下降后提高。壓縮性能、彎曲性能隨著延遲性三乙烯二胺型催化劑含量增加逐漸降低，制品熱穩(wěn)定性提高。

張志敏等[9]以珍珠巖為填料制備了聚醚型硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料，研究了珍珠巖的填充量，珍珠巖粒徑對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫板材的機(jī)械性能及導(dǎo)熱性能的影響。研究結(jié)果顯示珍珠巖的最佳填充量可達(dá)40%。通過(guò)加入阻燃劑TCPP 和DMMP 等，提高了珍珠巖填充硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫板的阻燃性能，材料的最佳氧指數(shù)可達(dá)到34.1%。

2 聚苯乙烯泡沫保溫材料

聚苯乙烯泡沫是目前使用最普遍的保溫隔熱材料之一。它具有質(zhì)輕、吸水性小、保溫隔熱性能良好、吸聲良好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，可制成建筑和冷庫(kù)用保溫隔熱泡沫塑料板和泡沫塑料夾心復(fù)合板。由于聚苯乙烯泡沫板及其復(fù)合材料價(jià)格低廉、絕熱性能好而成為外墻絕熱及飾面系統(tǒng)的首選絕熱材料。聚苯乙烯泡沫材料與聚氨酯泡沫塑料相似，使用溫度低、易燃性及燃燒時(shí)釋放大量煙霧等缺點(diǎn)限制了其作為保溫材料的應(yīng)用范圍。賦予聚苯乙烯泡沫材料一定的阻燃性，是解決此問(wèn)題的關(guān)鍵。

趙子強(qiáng)等[10]研究了不同可膨脹石墨對(duì)模塑聚苯乙烯泡沫板材阻燃效果的影響，并通過(guò)宏觀及微觀測(cè)試對(duì)阻燃機(jī)理進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)水玻璃可有效彌補(bǔ)阻燃劑對(duì)板材強(qiáng)度損失，可膨脹石墨阻燃效果與膨脹倍率呈正比關(guān)系，當(dāng)其加入量為30%時(shí)可提高板材氧指數(shù)至27%；石墨“蠕蟲”蜷曲覆蓋于試樣表面，可有效提高聚苯乙烯板材耐火性能。

曾尤等[11]研究了十溴聯(lián)苯醚/三氧化二銻和可膨脹石墨對(duì)發(fā)泡聚苯乙烯復(fù)合保溫材料的協(xié)同阻燃效應(yīng)、保溫性能和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加十溴聯(lián)苯醚/三氧化二銻/可膨脹石墨的聚苯乙烯復(fù)合板材具有優(yōu)異的阻燃性能（離火自熄時(shí)間僅為1.3s），同時(shí)，聚苯乙烯復(fù)合板材具有較優(yōu)的保溫性能和力學(xué)性能，為開發(fā)建筑節(jié)能保溫材料提供參考。

黃健等[12]研究了聚磷酸銨、三聚氰胺和季戊四醇組成的三元氮-磷膨脹型阻燃劑對(duì)聚苯乙烯泡沫的阻燃改性。研究結(jié)果表明，三元阻燃組分在苯乙烯泡沫的燃燒中相互協(xié)同，形成膨脹炭層進(jìn)行阻燃，苯乙烯泡沫的氧指數(shù)可達(dá)到27.76%，垂直燃燒等級(jí)達(dá)到V-0級(jí)，自熄滅時(shí)間達(dá)到3.65s，起到較好的阻燃效果。

孫嬌等[13]采用CO2和乙醇作為復(fù)合發(fā)泡劑，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究了發(fā)泡溫度和發(fā)泡壓力對(duì)聚苯乙烯發(fā)泡制品表觀密度、泡孔直徑和泡孔密度的影響。發(fā)現(xiàn)溫度的升高可以提高CO2/乙醇復(fù)合發(fā)泡劑在聚苯乙烯中的吸附量，降低制品的表觀密度，增大泡孔直徑并降低泡孔密度；壓力的升高可以提高發(fā)泡劑在聚苯乙烯中的吸附量，降低制品的表觀密度，減小泡孔直徑并增大泡孔密度。

羅祎瑋等[14]利用超臨界二氧化碳擠出發(fā)泡法制備了聚苯乙烯擠塑板，研究了新型復(fù)合阻燃劑（FR）的添加量對(duì)聚苯乙烯體系流變特性和阻燃性能的影響。結(jié)果表明，F(xiàn)R的添加會(huì)降低樹脂的黏度，當(dāng)在FR質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%時(shí)，發(fā)泡制品的表觀密度和平均泡孔直徑最小，泡孔密度最大，開孔率較低，同時(shí)制品的阻燃性能較好。

3 酚醛泡沫保溫材料

酚醛泡沫的分子鍵熱穩(wěn)定性較高，不需加入任何阻燃劑，氧指數(shù)就已達(dá)到40%，添加無(wú)機(jī)填料的高密度酚醛泡沫塑料氧指數(shù)甚至高達(dá)60%。酚醛泡沫的結(jié)構(gòu)為獨(dú)立的閉孔微小發(fā)泡體，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.01222～0.01845W/m·K，導(dǎo)熱能力極低。鑒于其良好的耐火性和優(yōu)異的耐溫性及優(yōu)異的隔熱性能，酚醛泡沫作為外墻保溫材料具有廣闊的發(fā)展前景。

酚醛泡沫的適用溫度范圍可達(dá)-200～200℃，這使得酚醛泡沫具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。固化成型的酚醛泡沫材料即使長(zhǎng)期暴露在陽(yáng)光下，其使用壽命也明顯長(zhǎng)于其它有機(jī)和無(wú)機(jī)泡沫材料。但由于酚醛樹脂中存在大量的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，尤其是苯環(huán)上的酚羥基和亞甲基較易氧化，致使酚醛泡沫韌性差，質(zhì)脆、易掉渣，這些缺點(diǎn)也制約著其在現(xiàn)實(shí)工程中的應(yīng)用。因此，人們一直在積極尋找酚醛樹脂泡沫改性的方法。

周春華等[15]用聚氨酯預(yù)聚體與單體苯酚、甲醛在特定條件下進(jìn)行縮聚制得改性酚醛泡沫。結(jié)果表明，以8%的聚氨酯預(yù)聚體改性后酚醛樹脂泡沫的表觀密度由0.693g/cm3下降為0.598g/cm3，沖擊強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度均大幅提高，吸水率降至1.38%，但阻燃性有所下降。這是因?yàn)樵诜尤﹦傂苑肿咏Y(jié)構(gòu)中引入柔性較好的氨基甲酸酯鏈段，從根本上改變了酚醛樹脂交聯(lián)的剛性結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高泡沫制品的韌性。

宋镕光等[16]在酚醛樹脂配方中加入液體丁腈橡膠，經(jīng)催化反應(yīng)制得改性酚醛樹脂，再經(jīng)發(fā)泡成型制得酚醛泡沫。結(jié)果表明，加入丁腈橡膠后，酚醛泡沫材料的壓縮強(qiáng)度可提高2倍左右，且液體丁腈橡膠改性酚醛泡沫第一次發(fā)生降解的溫度在289 ℃，同時(shí)，生成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，主要降解溫度在612℃，在802 ℃時(shí)失重44%，增韌后的泡沫體具有良好的耐熱性能。

石振海等[17]用改性劑對(duì)酚醛樹脂進(jìn)行改性后，以正戊烷發(fā)泡劑，Tween-80為均泡劑，硫酸為固化劑，室溫發(fā)泡制得了性能優(yōu)良的酚醛泡沫，這種泡沫熱導(dǎo)率低，尺寸穩(wěn)定，阻燃隔熱性能好，是優(yōu)良的隔熱保溫材料。

鐘遠(yuǎn)等[18]在酚醛樹脂中加入氨基聚醚，在酚醛樹脂中接入柔性長(zhǎng)鏈，有效地減少酚醛泡沫的掉渣率，提高了泡沫的壓縮強(qiáng)度。結(jié)果表明，當(dāng)氨基聚醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，泡沫掉渣率、吸水率較未改性泡沫大幅降低，泡沫壓縮強(qiáng)度比未改性泡沫大幅提高，改性的酚醛泡沫的泡孔直徑較小，孔與孔分布緊密、均勻，且閉孔率較高。

呂佩娟等[19]將聚苯乙烯與酚醛樹脂進(jìn)行混合，制得一種輕質(zhì)保溫材料。實(shí)驗(yàn)表明，隨著酚醛樹脂含量的增加，保溫材料的壓縮強(qiáng)度隨之增加，阻燃性能也得到加強(qiáng)，但是其熱導(dǎo)率卻呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

鄭超等[20]采用木質(zhì)素替代苯酚制得木改性酚醛泡沫，結(jié)果表明，木質(zhì)素的加入量不能超過(guò)50%，當(dāng)添加30%的木質(zhì)素時(shí)，制得的酚醛泡沫的壓縮強(qiáng)度最高，且不同密度的泡沫的性能指標(biāo)均可達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4 其他有機(jī)泡沫保溫材料

4.1 不飽和聚酯泡沫保溫材料

不飽和聚酯樹脂具有優(yōu)良的力學(xué)性能、電性能和耐化學(xué)腐蝕性能，加工工藝簡(jiǎn)便，是熱固性樹脂中發(fā)展較快的品種之一。將不飽和聚酯樹脂作為基體制成泡沫塑料，其韌性、強(qiáng)度比發(fā)泡聚苯乙烯好，加工比泡沫聚氯乙烯容易，添加阻燃劑等也可使其阻燃和耐老化，成本比聚氨酯泡沫和酚醛泡沫低。

朱紅飛等[21]依據(jù)熱平衡發(fā)泡原理，選擇NaHCO3、偶氮二異丁腈、偶氮二甲酰胺和4，4-氧代雙苯磺酰肼組成不同熱平衡復(fù)合發(fā)泡劑，用以不飽和聚酯樹脂的發(fā)泡，并對(duì)其發(fā)泡機(jī)制進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，利用先吸熱后放熱的熱平衡復(fù)合發(fā)泡劑制得的發(fā)泡材料泡孔孔徑小且均勻。

郭亮志等[22]以偶氮二異丁腈為發(fā)泡劑兼引發(fā)劑、CaCO3為成核劑制備了低密度不飽和聚酯樹脂制品。結(jié)果表明：偶氮二異丁腈作為發(fā)泡劑適用于不飽和聚酯樹脂體系，制備條件為成型溫度80℃、偶氮二異丁腈用量為樹脂質(zhì)量的2%、CaCO3用量為樹脂質(zhì)量的3%，此時(shí)制得的樣品與硬質(zhì)聚氨酯泡沫相近。

4.2 聚乙烯泡沫保溫材料

聚乙烯泡沫塑料具有吸濕和透濕性小、熱導(dǎo)率低、吸收沖擊性好等優(yōu)異特點(diǎn)，可用于冷藏汽車、建筑物、冷藏火車等的保溫隔熱材料。它成型方式主要有模壓發(fā)泡和擠出發(fā)泡，又分非交聯(lián)和交聯(lián)兩種。聚乙烯泡沫保溫材料的最高使用溫度為80℃左右，經(jīng)交聯(lián)的聚乙烯泡沫材料其使用溫度可提升至100℃左右。但由于聚乙烯泡沫材料阻燃性能較差，因此需添加大量的阻燃劑，會(huì)使其物理性能大幅下降，而且使用溫度較低，原料較貴，使其應(yīng)用領(lǐng)域受到了一定限制。

4.3 橡膠類泡沫保溫材料

以丁腈橡膠和三元乙丙橡膠材料為代表的橡膠類泡沫保溫材料具有優(yōu)異的柔韌性和斷裂伸長(zhǎng)率，且現(xiàn)場(chǎng)施工比較方便，與傳統(tǒng)的隔熱材料相比，該材料具有獨(dú)特的高保溫節(jié)能效果。但其抗壓強(qiáng)度較差，表面容易老化龜裂及燃燒產(chǎn)煙量大、毒性高、氣味濃等限制了其廣泛使用。

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