酚醛树脂改性模塑聚苯乙烯泡沫板的制备

路国忠，赵炜璇，周丽娟，张宇燕，丁秀娟

（1. 北京建筑材料科学研究总院，固废资源化利用与节能建材国家重点实验室，北京市 100041；2. 中国建筑材料科学研究总院，北京市 100024；3. 东北大学秦皇岛分校，河北省秦皇岛市 066004）

酚醛树脂改性模塑聚苯乙烯泡沫板的制备

路国忠1，赵炜璇1，周丽娟1，张宇燕2，丁秀娟3

（1. 北京建筑材料科学研究总院，固废资源化利用与节能建材国家重点实验室，北京市 100041；2. 中国建筑材料科学研究总院，北京市 100024；3. 东北大学秦皇岛分校，河北省秦皇岛市 066004）

为了改变热塑性聚苯乙烯保温板的燃烧本质，采用特殊阻燃剂，即热固性酚醛树脂/Al（OH）3阻燃液对聚苯乙烯颗粒进行阻燃包覆。通过对主要制备工艺的优化研究，成功制得热固性聚苯乙烯泡沫保温板，并解决了保温板阻燃和保温相互制约的难题。结果表明：包覆改性后的聚苯乙烯板遇火燃烧时不产生熔融收缩现象，表面只是发生炭化，板材各项性能均满足标准要求，保温板燃烧性能可达B1级，热值为20.3 MJ/kg，保温系数小于0.036 0 W/（m·K）。

聚苯乙烯 热塑性 热固性 阻燃包覆

聚苯乙烯（PS）保温板因为保温性能好，成本低，施工技术成熟，稳定性好等原因曾广泛的应用于我国外墙外保温系统中[1-3]；但随着建筑结构防火安全性要求的提高，传统PS保温板因为热塑性的特点，遇火后收缩、熔融、滴落、滴落物具有二次引燃性，使得PS保温板在建筑外墙外保温系统中的应用受到极大限制[4-5]。因此，改善PS保温板燃烧性能，特别是热塑性的性能是其重新被市场认可的重要途径。本工作通过包覆阻燃的原理，对传统模塑PS保温板制备工艺进行改进，在预发泡后的PS颗粒外包覆有机/无机复合阻燃材料，使PS泡沫的燃烧性能由可燃热塑性变为难燃热固性，极大地改善了传统PS保温板的燃烧性能，并对改进后的酚醛树脂改性模塑PS泡沫板的性能进行了分析测试。

1 实验部分

1.1 原料

可发性PS，天津新龙桥工程塑料有限公司生产，粒径0.7～1.1 mm，可发倍率为60倍。热固性酚醛树脂，济南益鸿化工有限公司生产。阻燃剂Al（OH）3，粒径12.0～14.0 μm，合肥中科阻燃新材料有限公司生产。固化剂：对甲苯磺酸，H3PO4，HCl按比例复配而成。

1.2 仪器与设备

JF-3型氧指数测定仪，南京江宁区仪器分析厂生产；im-DRY3001型导热系数测定仪，天津英贝尔科技发展有限公司生产；PENTAPYC 5200e型全自动开孔闭孔测定仪，美国Quantachrome仪器公司生产；S-3400型扫描电子显微镜，日本日立公司生产。

1.3 测试方法

密度按GB/T 6343—2009测试；导热系数按GB/T 10294—2008测试；垂直于板面方向的抗拉强度按JG149—2003测试；压缩强度按GB/T 8813—2008测试；尺寸稳定性按GB/T 8811—2008测试；吸水率按GB/T 8810—2005测试；氧指数按GB/T 2406.1—2008测试；燃烧性能等级按GB 8624—2012测试。

1.4 技术路线

酚醛树脂改性模塑PS泡沫板是采用预发后PS颗粒与改性酚醛树脂复合阻燃剂通过包膜、干燥形成的微复合体系，从而实现材料的保温性能，遇火后表面阻燃、不熔融及不滴淌性能，达到了防火保温的目的。酚醛树脂改性模塑PS泡沫板制备路线见图1。

图1 酚醛树脂改性模塑PS泡沫板制备路线Fig.1 The preparation of molding polystyrene foam board modified with phenolic resin

复合阻燃剂由改性酚醛树脂和Al（OH）3复配而成，涂覆过程中将热固性酚醛树脂/Al（OH）3均匀涂覆在PS颗粒表面，实验过程中对材料的整体结构进行复配优选，通过实验对比，形成最优配方，有效提高材料阻燃特性，保证材料的保温效果。

1.5 主要制备工艺优化研究

可发性PS颗粒在发泡过程中，加工工艺参数（压力、温度、时间等）直接影响发泡体的结构和性能。本工作结合实际生产过程中的经验，主要讨论预发泡和熟化工艺的参数控制。同时，热固性酚醛树脂/Al（OH）3阻燃液的涂覆工艺对改性模塑PS泡沫板的制备也起到至关重要的作用。

1.5.1 预发泡工艺

实验采用蒸汽预发泡，使可发性PS颗粒膨胀到一定程度。预发泡过程中，蒸汽不断深入泡孔，使泡孔内压力不断增大，颗粒的体积也不断增大。生产中必须妥善控制好蒸汽压力及受热时间，否则会因过热遇冷而使发泡颗粒收缩，同时也应避免过高倍率，以免成型品收缩、变形。预发泡压力控制在0.15～0.20 MPa，时间控制在180～200 s较为合适，可得到理想状态的可发性PS颗粒。实际操作过程中需不断测量可发性PS颗粒的堆密度，以不断做出适当的微调。

1.5.2 熟化工艺参数控制

预发后，可发性PS颗粒内产生真空，表面带有水分，不符合成型要求。熟化的目的就是使空气进入颗粒内使发泡剂挥发，颗粒表面水分干燥。熟化处理过程中，泡孔内形成真空。同时，泡孔内压力与外界压力平衡使预发后的颗粒具有弹性。熟化周期决定于颗粒的密度、潮湿程度及贮存环境的温度等因素，最佳的熟化时间为16～24 h。熟化温度也是重要的控制因素，预发可发性PS颗粒熟化的环境温度最佳值为20～25 ℃。当环境温度为18～22 ℃时，外界空气向泡孔渗入，泡孔内戊烷气体基本不向外扩散；当温度高于22 ℃，空气渗入的速率加快，泡孔内戊烷向外扩散而损耗。

1.5.3 热固性酚醛树脂/Al（OH）3阻燃液的涂覆工艺

泡粒包覆技术应确保使每一个泡粒都形成独立的阻隔层。阻隔层具有极强的阻燃效果，可减少热量、可燃物质和氧气的传递，即使在外界强火源持续作用下也不熔融滴淌。当Al（OH）3粉末投入到酚醛树脂中搅拌时，首先发生固体珠粒表面润湿过程，接着在搅拌作用下发生分散。热固性酚醛树脂/Al（OH）3的混合搅拌速率应根据实际工作温度以及酚醛树脂的动态黏度确定。在确定混合搅拌速率后，以高于临界搅拌速率的速率进行混合搅拌，制成热固性酚醛树脂/Al（OH）3阻燃液，然后完成涂覆。

2 结果与讨论

2.1 改性PS颗粒微观结构分析

由图2可知：包覆层为胶状物，主要为含碳元素的物质。经过包覆处理后，每个PS颗粒都实现了阻燃涂料的独立包裹，包裹层较均匀。良好的包覆效果使整个PS保温板具有良好的阻燃性能，热固性酚醛树脂/Al（OH）3阻燃液的使用保证了热固性PS泡沫的阻燃性能。

图2 改性PS颗粒扫描电子显微镜照片及能谱分析图Fig.2 SEM photograph and SEM energy spectrum analysis of the modified polystyrene particles

2.2 酚醛树脂和Al（OH）3含量对泡沫保温板保温性能的影响

在酚醛树脂含量不同的条件下（相对于PS颗粒，其质量为20 g），具有不同Al（OH）3含量（相对于PS颗粒，其质量为20 g）的改性PS泡沫保温材料的导热系数测试结果见表1。由表1和图3可知：将PS颗粒与阻燃液质量比限定在20∶120以下的条件下，当Al（OH）3含量相同时，酚醛树脂改性模塑PS泡沫板的导热系数随着酚醛树脂含量的增加而不断增大。这说明采用泡粒包覆技术进行阻燃处理时，热固性酚醛树脂能够明显提高材料的导热系数。这可能是因为热固性酚醛树脂发泡后导致导热系数增大。

表1 不同酚醛树脂和Al（OH）3含量的保温材料的导热系数Tab.1 The heat conductivity of PS foam board with different phenolic resin and Al（OH）3content W/（m·K）

2.3 酚醛树脂和Al（OH）3含量对泡沫保温板氧指数的影响

在酚醛树脂含量不同的条件下（相对于PS颗，其质量为20 g），具有不同Al（OH）3含量（相对于PS颗粒，其质量为20 g）的改性PS泡沫保温材料的氧指数测试结果见表2。

图3 酚醛树脂和Al（OH）3含量对泡沫保温板导热系数的影响Fig.3 Influence of phenolic resin and Al（OH）3content to the heat conductivity of foam board

表2 不同酚醛树脂和Al（OH）3的配比的保温材料的氧指数Tab.2 The oxygen index of PS foam board with different phenolic resin and Al（OH）3content %

将PS颗粒与阻燃液的质量比限定在20∶120以下，在酚醛树脂含量不同的条件下，考察Al（OH）3的含量对泡沫保温板氧指数的影响。当酚醛树脂质量一定时，保温材料的氧指数随着Al（OH）3含量的增加而不断增大，当Al（OH）3含量超过某一数值后，氧指数不再增加，反而急剧减小。这说明采用泡粒包覆技术进行阻燃处理时，Al（OH）3含量要控制在一定范围内才能够有效地提高改性模塑PS泡沫板的氧指数。当Al（OH）3含量相同时，氧指数随着酚醛树脂含量的增加而增大。这说明酚醛树脂在一定程度上能够提高保温板的氧指数。综合导热系数和氧指数指标，得出酚醛树脂含量和Al（OH）3最佳含量分别为100，15 g。

图4 酚醛树脂改性模塑PS泡沫板燃烧性能测试Fig.4 Flammability testing of molded polystyrene foam board modified by phenolic resin

2.4 酚醛树脂改性模塑PS泡沫板燃烧性能测试

用喷枪1 700 ℃火焰下喷射5 min，记录燃烧过程现象从图4看出：包覆后的PS泡沫板燃烧后不熔融、无滴落，只是表面炭化而没有被烧穿，实现了热固性的燃烧性能，阻燃包覆后的PS保温板燃烧性能由热塑性改性为热固性；通过配制热固性酚醛树脂/Al（OH）3阻燃液，解决了保温板阻燃和保温相互制约的难题。

2.5 酚醛树脂改性模塑PS泡沫板综合性能测试

从表3看出：阻燃包覆后的改性PS保温板燃烧性能可达B1级，热值为20.3 MJ/kg，远小于普通PS热值（46.0 MJ/kg）；保温系数小于0.036 0 W/ （m·k），优于普通PS保温板的0.039 0 W/（m·k）。

表3 热固性PS泡沫保温板综合性能测试Tab.3 Comprehensive performance test of thermoset polystyrene foam insulation board

3 结论

a）通过配制热固性酚醛树脂/Al（OH）3阻燃液，解决了保温板阻燃和保温相互制约的难题。

b）阻燃包覆后的PS保温板燃烧性能由热塑性改性为热固性。

c）酚醛树脂改性模塑PS泡沫板各项性能参数均满足标准要求，导热系数为0.033 0～0.036 0 W/（m·k），燃烧性能得到有效改善。

[1] 邹良智，高莉，崔金良. 挤塑聚苯乙烯保温板在拉西瓦工程建设中的应用及存在问题分析[J]. 青海大学学报，2011，29 （4）:48-51.

[2] 鞠玉忠，季学军. 插接栓式大模内置现浇外保温体系的施工[J]. 新型建筑材料，2003（7）:37-39.

[3] 王录民，张大英，王树朋. 废旧聚苯乙烯泡沫混凝土试验研究[J]. 混凝土，2008（5）:103-106.

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[5] 朱新生，戴建平，李引擎，等. 聚苯乙烯热降解（Ⅱ）：碳化与阻燃机理[J]. 燃烧科学与技术，2000，6（4）: 346-350.

Preparation of molding polystyrene foam board modified with phenolic resin

Lu Guozhong1, Zhao Weixuan1, Zhou Lijuan1, Zhang Yuyan2, Ding Xiujuan2
（1.Beijing Building Materials Academy of Sciences Research, State Key Laboratory of Solid Waste Vtilization in Buitding Materials, Beijing 100041, China； 2. China Building Materials Academy, Beijing 100024, China；3. Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004, China）

The thermosetting phenolic resin/Al（OH）3was used as a flame retardant coating to coat polyphenyl granule in order to change the combustion performance of polystyrene plates.By the research of the main preparation process, a kind of thermosetting polystyrene insulation foam board was made, and the problem between flame retardant and insulation was solved. The test results showed that it would not melt or shrink when the coated polystyrene plates were burning and it carbonized on the surface merely.All the performance indicators meet to the product standards. The combustion of insulation board could reach B1grade,which heat value was 20.3 MJ/kg , heat conductivity was less than 0.036 W/（m·k）.

polystyrene； thermoplasticity； thermoset； flame retardant coating

TQ 323.1

B

1002-1396（2015）05-0052

2015-01-29；

2015-04-28。

路国忠，男，1969年生，教授级高级工程师，2006年毕业于中国科学院研究生院环境科学与工程专业，现从事建筑节能与保温材料研究。联系电话：13021236098；E-mail：luguozhong@163.com。