酚醛泡沫在現(xiàn)代建筑保溫工程中的應(yīng)用及改性研究進展

盧秀梅

（河北城鄉(xiāng)建設(shè)學校，河北省石家莊市 050031）

酚醛泡沫在現(xiàn)代建筑保溫工程中的應(yīng)用及改性研究進展

盧秀梅

（河北城鄉(xiāng)建設(shè)學校，河北省石家莊市 050031）

綜述了作為保溫材料的酚醛泡沫在國內(nèi)外的發(fā)展及應(yīng)用情況。酚醛泡沫具有良好的阻燃性能，被發(fā)達國家作為優(yōu)先選用的保溫材料，同時在國內(nèi)知名建筑上得到了很好的應(yīng)用。采用納米蒙脫土、聚氨酯預(yù)聚體、液體丁腈橡膠、硼酸等改性酚醛泡沫，能不同程度地改變酚醛泡沫的孔結(jié)構(gòu)、力學性能，從而達到提高其韌性的作用。因此，酚醛泡沫在外墻保溫市場將具有良好的發(fā)展前景。

酚醛泡沫 阻燃 改性 保溫 孔結(jié)構(gòu)

酚醛泡沫是一種性能優(yōu)異的防火、保溫、防噪、輕質(zhì)節(jié)能的建筑材料，由酚醛樹脂、發(fā)泡劑、表面活性劑、固化劑、不燃填料組成。酚醛泡沫的燃燒等級為B1，極限氧指數(shù)一般為35%～40%（極限氧指數(shù)＞27%屬難燃材料），燃燒時無明火，離火自熄，遇火無滴落物，形狀穩(wěn)定性良好，防火安全性好，10 cm厚酚醛泡沫的抗火焰能力可達1 h以上，只是表面發(fā)生炭化而不被穿透。對其進行改性后，極限氧指數(shù)可達60%以上，按GB/T 8625—1988規(guī)定，阻燃等級達到A1，而傳統(tǒng)酚醛泡沫的極限氧指數(shù)一般為25%～28%。

1 國內(nèi)外酚醛泡沫的發(fā)展及應(yīng)用概況

20世紀40年代，德國首先使用酚醛泡沫作保溫材料，主要將其應(yīng)用在飛機上起保溫隔熱的作用。20世紀40—70年代，酚醛泡沫用于建筑的進展緩慢，主要原因是生產(chǎn)成本高，同時受經(jīng)濟發(fā)展的影響，建筑行業(yè)需求不旺盛，而且酚醛泡沫的耐溫性、難燃性、低發(fā)煙性和耐火焰穿透性等優(yōu)勢沒有很好地體現(xiàn)出來。進入20世紀90年代，國外多數(shù)發(fā)達國家已將酚醛泡沫作為優(yōu)先選用的建筑材料。英國普瑪洛克制品公司生產(chǎn)的建筑用酚醛泡沫保溫材料的導熱系數(shù)為0.018 W/（m·K），英國可耐福干墻公司生產(chǎn)的一種厚度為9.5 mm的石膏板貼面酚醛泡沫保溫板，主要用作外墻內(nèi)保溫。英國金斯潘保溫材料公司生產(chǎn)了商品名為Kooltherm的酚醛泡沫，根據(jù)用途可分為10個牌號，其中，K7用于屋面保溫，K8用于傳統(tǒng)墻體保溫。美國西碧化學公司致力開發(fā)酚醛泡沫保溫板，主要應(yīng)用于美國的沃爾瑪超市、萬豪大酒店以及被毀的“911”事件中的雙子大廈。近年來，該公司又開發(fā)了一種通過噴槍噴注到空心磚的專利技術(shù)，使用的發(fā)泡漿料是改性酚醛樹脂與固化劑的雙組分預(yù)聚體[1]。

我國從20世紀90年代初開始研究酚醛泡沫技術(shù)，但早期生產(chǎn)的酚醛泡沫存在酸性大、脆性大、殘存甲醛含量多、味大、閉孔率低等缺點，應(yīng)用受限。目前，酚醛泡沫的生產(chǎn)工藝有了明顯進步，其性能有了較大改善，在近些年房地產(chǎn)市場的帶動下，已工業(yè)化大量生產(chǎn)，產(chǎn)品的各項技術(shù)指標達到或接近國際先進水平。近幾年，我國建筑業(yè)的節(jié)能率和建筑保溫防火等級逐漸提高后，酚醛泡沫被廣泛應(yīng)用在國內(nèi)大型建筑上。2009年，中央電視臺辦公樓大火的過火面積達到10萬m2以上，2009年4月1日，濟南全運會運動員村公寓大火，都是因外墻保溫是易燃物引起的。因此，目前大型建筑均要求采用防火型外保溫材料。

除了應(yīng)用于外墻保溫，酚醛泡沫也被應(yīng)用在、大型空調(diào)的保冷、熱冷水系統(tǒng)的保溫和化工管道的保冷和保溫。1996年，上海錦江大廈最先大面積使用酚醛泡沫作為中央空調(diào)的保溫材料，取得了較好的保溫效果。應(yīng)用于大型空調(diào)管道的主要是雙面鋁箔夾芯酚醛泡沫板；家庭、賓館等用的熱水器保溫材料多數(shù)是酚醛泡沫，可以防止保溫層燒焦；建筑復合天花板則使用硬面復合酚醛泡沫，不僅輕質(zhì)美觀而且防火；彩鋼復合夾芯保溫板的生產(chǎn)成本較高，但防火效果更好，其夾芯泡沫主要是聚氨酯泡沫和酚醛泡沫[2]。

2 酚醛泡沫的特性

酚醛泡沫具有良好的阻燃性能。一方面，建筑材料著火后火焰不發(fā)生漂移，當建筑材料產(chǎn)生小面積燃燒時，酚醛泡沫本身沒有火焰，火焰無法擴散蔓延；另一方面，酚醛泡沫具有優(yōu)良的隔熱性能，當建筑材料的一面著火時，另一面的溫度不會升高，利用其當隔熱板可有效防止火災(zāi)范圍進一步擴大[3-4]。這是因為酚醛泡沫中存在苯酚環(huán)，容易吸附泡沫燃燒后生成的亞甲基自由基，形成高碳含量泡沫結(jié)構(gòu)，減少了物質(zhì)揮發(fā)，從而產(chǎn)生良好的絕熱作用，阻止泡沫燃燒。另外，酚醛泡沫燃燒時產(chǎn)生的煙密度較低，著火時發(fā)煙濃度和發(fā)煙量明顯低于聚氨酯泡沫和聚苯乙烯（PS）泡沫。酚醛泡沫毒性低，可將對人體的危害降低到最低。

我國國家標準規(guī)定，形成炭化層使內(nèi)部材料得到保護，導熱系數(shù)不大于0.120 W/（m·K）的材料稱為保溫材料，而把導熱系數(shù)在0.050 W/（m·K）以下的材料稱為高效保溫材料。酚醛泡沫的導熱系數(shù)為0.022～0.030 W/（m·K），保溫性能與聚氨酯泡沫相當，好于PS泡沫的0.040 W/（m·K）。酚醛泡沫的使用溫度范圍寬。在-160～150 ℃長期使用均可保持其良好性能；高溫環(huán)境中的使用溫度比聚氨酯硬泡沫高40～60 ℃，比PS泡沫高70～110℃；在180 ℃時可以短時間工作，亦可在溫度極低的環(huán)境（如南極和北極）使用[5]。酚醛泡沫還具有耐腐蝕和耐老化性能，一經(jīng)固化成型便可長期保持固有性能及尺寸，應(yīng)用于建筑外部，長期暴露在空氣中和光照條件下，使用壽命明顯長于其他泡沫材料。酚醛泡沫的難燃程度是目前廣泛使用的PS泡沫和聚氨酯泡沫遠不能及的。實驗表明：厚度僅為35 mm的酚醛泡沫經(jīng)受1 750 ℃火焰噴射12 min后，只有板材表面略有炭化卻燒不穿，也不散發(fā)濃煙和毒氣，板材另一面溫度不超過55 ℃，即使人的臉部緊貼板面也不會受到傷害。酚醛泡沫主要技術(shù)指標見表1。

表1 酚醛泡沫主要技術(shù)指標Tab.1 Main technical indexes of the phenolic foam

3 酚醛泡沫的改性研究進展

路國忠等[3]添加納米蒙脫土和聚乙二醇，采用層間聚合對酚醛樹脂改性，以提高酚醛泡沫的耐熱性能和韌性等，分析了改性酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:聚乙二醇與酚醛樹脂間發(fā)生強相互作用形成了復合物，使酚醛泡沫的韌性提高；納米蒙脫土增加了酚醛樹脂的層間距，提高了耐熱性能，熱分解溫度達到361 ℃；酚醛配比越大，樹脂酸固化反應(yīng)活性越低，形成的泡沫孔徑越小。王立艷等[6]采用戊烷系復合發(fā)泡劑、有機無機酸復合固化劑、表面活性劑吐溫80和自制可發(fā)性酚醛樹脂制備酚醛泡沫，研究了固化溫度、固化劑、發(fā)泡劑對酚醛泡沫表觀密度的影響規(guī)律，找到較理想的原料配比。研究表明：發(fā)泡劑用量為8 phr，固化劑用量為14 phr，固化溫度為60 ℃時，泡沫的表觀密度最適宜，為70 kg/m3，達到建筑外墻外保溫用防火隔離帶的技術(shù)標準。黃劍清等[7]將聚氨酯預(yù)聚體與多聚甲醛和苯酚反應(yīng)合成了聚氨酯預(yù)聚體改性酚醛樹脂，用其制備了改性酚醛泡沫。結(jié)果表明：聚氨酯預(yù)聚體能有效提高酚醛泡沫的韌性，改善酚醛泡沫的耐高溫性能和泡孔分布；隨著聚氨酯預(yù)聚體用量的增加，體系的交聯(lián)密度不斷提高，增加了酚醛泡沫的剛性，解決了酚醛泡沫容易掉渣的問題。宋镕光等[8]研究了液體丁腈橡膠（LNBR）對酚醛泡沫的增韌效果。結(jié)果表明：改性酚醛泡沫中存在LNBR與酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)單元；當改性劑用量為0.6 phr（占樹脂總質(zhì)量）時，泡沫的壓縮強度由原來的0.105 MPa提高到0.336 MPa，說明LNBR對酚醛樹脂泡沫具有顯著的增韌作用；改性酚醛泡沫在802 ℃時的質(zhì)量損失為44%，說明其具有更好的孔結(jié)構(gòu)，泡孔分布更加均勻，耐熱性能良好且對熱穩(wěn)定性無影響。劉端杰等[9]研究了腰果酚對酚醛泡沫的增韌效果，并研究了改性酚醛泡沫的力學性能、熱穩(wěn)定性及阻燃性能。結(jié)果表明：加入腰果酚可明顯改善酚醛泡沫的力學性能，當腰果酚含量為10%（以100 g苯酚質(zhì)量為基準）時，改性酚醛泡沫的彎曲強度達最高，為0.25 MPa，但酚醛泡沫的阻燃性和熱穩(wěn)定性都有所下降。常懷春等[10]考察了催化劑、反應(yīng)時間等對聚丙烯酸正丁酯改性酚醛樹脂的影響并用動態(tài)力學方法研究了改性酚醛樹脂的固化行為。結(jié)果表明：加入聚丙烯酸正丁酯可加快酚醛樹脂的固化；采用正交實驗法，得到室溫條件下制備改性酚醛泡沫的配方，在保證酚醛泡沫絕熱性能不受影響前提下，聚丙烯酸正丁酯可有效改善酚醛泡沫的脆性，其質(zhì)量分數(shù)小于20%為宜。黃劍清等針對酚醛泡沫造價高的問題，采用添加硼酸的方法，通過控制生產(chǎn)過程中的pH值，合成了可發(fā)泡硼改性酚醛樹脂，并制備了硼改性酚醛泡沫。結(jié)果表明：80 ℃條件下發(fā)泡固化60 min左右，硼改性酚醛泡沫的分解溫度為450 ℃，800 ℃時的質(zhì)量損失為60%，使用時環(huán)境溫度最高為200 ℃。

4 結(jié)語

酚醛泡沫耐熱性好，其難燃程度是目前在國內(nèi)外建筑業(yè)廣泛使用的PS、聚氨酯等泡沫遠不能及的，一旦建筑其他部位著火接觸到酚醛泡沫，其表面僅略有炭化而不會被燒穿，不具備火焰?zhèn)鞑バ?，可有效防止火?zāi)發(fā)生和火勢蔓延，且其燃燒時無滴落物。使用納米蒙脫土、聚氨酯預(yù)聚體、LNBR、硼酸等對酚醛泡沫改性，可以有效改善泡沫的孔結(jié)構(gòu)、提高其力學性能，達到增韌目的。因此，酚醛泡沫在未來外墻保溫市場具有良好的發(fā)展趨勢。

[1] 于寧.酚醛泡沫在建筑保溫防火中的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景[J].山西建筑， 2013， 39（7）：115-116.

[2] 余維明. 論酚醛泡沫在建筑外墻應(yīng)用的保溫防火問題[J].建筑砌塊與砌塊建筑，2011（2）:49-50.

[3] 路國忠，陳曉農(nóng)，周麗娟，等.建筑外墻保溫用酚醛泡沫樹脂材料的改性[J].合成樹脂及塑料，2014，31（2）:44-46.

[4] 余維明. 酚醛泡沫在外墻保溫防火中的應(yīng)用[J]. 涂裝與電鍍， 2011（3）: 18-21．

[5] 路國忠.酚醛泡沫的性能及其在建筑外墻保溫中的應(yīng)用研究[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2011（11）: 16-21.

[6] 王立艷，蓋廣清. 酚醛泡沫保溫材料的制備及性能研究[J].吉林建筑工程學院學報，2012， 29（1）:47-48.

[7] 黃劍清，潘安健.聚氨酯預(yù)聚體增韌酚醛泡沫的研究[J].玻璃鋼/復合材料，2011（6）:37-38.

[8] 宋镕光，王云，韓爽，等.液體NBR增韌酚醛泡沫研究[J]. 塑料工業(yè)，2011，39（2）：25-28

[9] 劉端杰，譚衛(wèi)紅，胡立紅，等.腰果酚增韌酚醛泡沫研究[J].應(yīng)用化工，2012，41（11）:41-11.

[10] 常懷春，呂建通，楊瑩瑩.聚丙烯酸正丁醋增韌酚醛泡沫塑料的研究[J].中國塑料，2005，19（12）:53-56.

Application and modification progress of phenolic foams in modern building as a thermal insulation

Lu XiuMei
（Hebei Chengxiang Architecture School，Shijiazhuang 050031，China）

The development and application of phenolic foams applied as an external thermal insulation of building at home and abroad were summarized，which was selected firstly as thermal insulation material overseas for its excellent flame retardancy. It was applied in some famous building at home. The author in this paper also summarized the modification researches of phenolic foams with nano-montmorillonite，polyurethane prepolymer，liquid acrylonitrile butadiene rubber， boric acid，which modified the pore structure， mechanical properties of the phenolic foams to some extent， then the toughness was improved. So the phenolic foams have good development prospect in the external wall thermal insulation market.

phenolic foam； flame retardancy； modification； thermal insulation； pore structure

TQ 632.7+2

A

1002-1396（2015）05-0087

2015-06-10；

2015-08-27。

盧秀梅，女，1970年生，1994年畢業(yè)于唐山工程技術(shù)學院（現(xiàn)為華北理工大學）工業(yè)與民用建筑專業(yè)，主要研究方向為工業(yè)民用建筑專業(yè)課程理論和實踐教學。聯(lián)系電話：13582028631；E-mail：hbjxlxm@163.com。