酚醛泡沫在现代建筑保温工程中的应用及改性研究进展

卢秀梅

（河北城乡建设学校，河北省石家庄市 050031）

酚醛泡沫在现代建筑保温工程中的应用及改性研究进展

卢秀梅

（河北城乡建设学校，河北省石家庄市 050031）

综述了作为保温材料的酚醛泡沫在国内外的发展及应用情况。酚醛泡沫具有良好的阻燃性能，被发达国家作为优先选用的保温材料，同时在国内知名建筑上得到了很好的应用。采用纳米蒙脱土、聚氨酯预聚体、液体丁腈橡胶、硼酸等改性酚醛泡沫，能不同程度地改变酚醛泡沫的孔结构、力学性能，从而达到提高其韧性的作用。因此，酚醛泡沫在外墙保温市场将具有良好的发展前景。

酚醛泡沫 阻燃 改性 保温 孔结构

酚醛泡沫是一种性能优异的防火、保温、防噪、轻质节能的建筑材料，由酚醛树脂、发泡剂、表面活性剂、固化剂、不燃填料组成。酚醛泡沫的燃烧等级为B1，极限氧指数一般为35%～40%（极限氧指数＞27%属难燃材料），燃烧时无明火，离火自熄，遇火无滴落物，形状稳定性良好，防火安全性好，10 cm厚酚醛泡沫的抗火焰能力可达1 h以上，只是表面发生炭化而不被穿透。对其进行改性后，极限氧指数可达60%以上，按GB/T 8625—1988规定，阻燃等级达到A1，而传统酚醛泡沫的极限氧指数一般为25%～28%。

1 国内外酚醛泡沫的发展及应用概况

20世纪40年代，德国首先使用酚醛泡沫作保温材料，主要将其应用在飞机上起保温隔热的作用。20世纪40—70年代，酚醛泡沫用于建筑的进展缓慢，主要原因是生产成本高，同时受经济发展的影响，建筑行业需求不旺盛，而且酚醛泡沫的耐温性、难燃性、低发烟性和耐火焰穿透性等优势没有很好地体现出来。进入20世纪90年代，国外多数发达国家已将酚醛泡沫作为优先选用的建筑材料。英国普玛洛克制品公司生产的建筑用酚醛泡沫保温材料的导热系数为0.018 W/（m·K），英国可耐福干墙公司生产的一种厚度为9.5 mm的石膏板贴面酚醛泡沫保温板，主要用作外墙内保温。英国金斯潘保温材料公司生产了商品名为Kooltherm的酚醛泡沫，根据用途可分为10个牌号，其中，K7用于屋面保温，K8用于传统墙体保温。美国西碧化学公司致力开发酚醛泡沫保温板，主要应用于美国的沃尔玛超市、万豪大酒店以及被毁的“911”事件中的双子大厦。近年来，该公司又开发了一种通过喷枪喷注到空心砖的专利技术，使用的发泡浆料是改性酚醛树脂与固化剂的双组分预聚体[1]。

我国从20世纪90年代初开始研究酚醛泡沫技术，但早期生产的酚醛泡沫存在酸性大、脆性大、残存甲醛含量多、味大、闭孔率低等缺点，应用受限。目前，酚醛泡沫的生产工艺有了明显进步，其性能有了较大改善，在近些年房地产市场的带动下，已工业化大量生产，产品的各项技术指标达到或接近国际先进水平。近几年，我国建筑业的节能率和建筑保温防火等级逐渐提高后，酚醛泡沫被广泛应用在国内大型建筑上。2009年，中央电视台办公楼大火的过火面积达到10万m2以上，2009年4月1日，济南全运会运动员村公寓大火，都是因外墙保温是易燃物引起的。因此，目前大型建筑均要求采用防火型外保温材料。

除了应用于外墙保温，酚醛泡沫也被应用在、大型空调的保冷、热冷水系统的保温和化工管道的保冷和保温。1996年，上海锦江大厦最先大面积使用酚醛泡沫作为中央空调的保温材料，取得了较好的保温效果。应用于大型空调管道的主要是双面铝箔夹芯酚醛泡沫板；家庭、宾馆等用的热水器保温材料多数是酚醛泡沫，可以防止保温层烧焦；建筑复合天花板则使用硬面复合酚醛泡沫，不仅轻质美观而且防火；彩钢复合夹芯保温板的生产成本较高，但防火效果更好，其夹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，建筑材料着火后火焰不发生漂移，当建筑材料产生小面积燃烧时，酚醛泡沫本身没有火焰，火焰无法扩散蔓延；另一方面，酚醛泡沫具有优良的隔热性能，当建筑材料的一面着火时，另一面的温度不会升高，利用其当隔热板可有效防止火灾范围进一步扩大[3-4]。这是因为酚醛泡沫中存在苯酚环，容易吸附泡沫燃烧后生成的亚甲基自由基，形成高碳含量泡沫结构，减少了物质挥发，从而产生良好的绝热作用，阻止泡沫燃烧。另外，酚醛泡沫燃烧时产生的烟密度较低，着火时发烟浓度和发烟量明显低于聚氨酯泡沫和聚苯乙烯（PS）泡沫。酚醛泡沫毒性低，可将对人体的危害降低到最低。

我国国家标准规定，形成炭化层使内部材料得到保护，导热系数不大于0.120 W/（m·K）的材料称为保温材料，而把导热系数在0.050 W/（m·K）以下的材料称为高效保温材料。酚醛泡沫的导热系数为0.022～0.030 W/（m·K），保温性能与聚氨酯泡沫相当，好于PS泡沫的0.040 W/（m·K）。酚醛泡沫的使用温度范围宽。在-160～150 ℃长期使用均可保持其良好性能；高温环境中的使用温度比聚氨酯硬泡沫高40～60 ℃，比PS泡沫高70～110℃；在180 ℃时可以短时间工作，亦可在温度极低的环境（如南极和北极）使用[5]。酚醛泡沫还具有耐腐蚀和耐老化性能，一经固化成型便可长期保持固有性能及尺寸，应用于建筑外部，长期暴露在空气中和光照条件下，使用寿命明显长于其他泡沫材料。酚醛泡沫的难燃程度是目前广泛使用的PS泡沫和聚氨酯泡沫远不能及的。实验表明：厚度仅为35 mm的酚醛泡沫经受1 750 ℃火焰喷射12 min后，只有板材表面略有炭化却烧不穿，也不散发浓烟和毒气，板材另一面温度不超过55 ℃，即使人的脸部紧贴板面也不会受到伤害。酚醛泡沫主要技术指标见表1。

表1 酚醛泡沫主要技术指标Tab.1 Main technical indexes of the phenolic foam

3 酚醛泡沫的改性研究进展

路国忠等[3]添加纳米蒙脱土和聚乙二醇，采用层间聚合对酚醛树脂改性，以提高酚醛泡沫的耐热性能和韧性等，分析了改性酚醛树脂的结构。结果表明:聚乙二醇与酚醛树脂间发生强相互作用形成了复合物，使酚醛泡沫的韧性提高；纳米蒙脱土增加了酚醛树脂的层间距，提高了耐热性能，热分解温度达到361 ℃；酚醛配比越大，树脂酸固化反应活性越低，形成的泡沫孔径越小。王立艳等[6]采用戊烷系复合发泡剂、有机无机酸复合固化剂、表面活性剂吐温80和自制可发性酚醛树脂制备酚醛泡沫，研究了固化温度、固化剂、发泡剂对酚醛泡沫表观密度的影响规律，找到较理想的原料配比。研究表明：发泡剂用量为8 phr，固化剂用量为14 phr，固化温度为60 ℃时，泡沫的表观密度最适宜，为70 kg/m3，达到建筑外墙外保温用防火隔离带的技术标准。黄剑清等[7]将聚氨酯预聚体与多聚甲醛和苯酚反应合成了聚氨酯预聚体改性酚醛树脂，用其制备了改性酚醛泡沫。结果表明：聚氨酯预聚体能有效提高酚醛泡沫的韧性，改善酚醛泡沫的耐高温性能和泡孔分布；随着聚氨酯预聚体用量的增加，体系的交联密度不断提高，增加了酚醛泡沫的刚性，解决了酚醛泡沫容易掉渣的问题。宋镕光等[8]研究了液体丁腈橡胶（LNBR）对酚醛泡沫的增韧效果。结果表明：改性酚醛泡沫中存在LNBR与酚醛树脂的结构单元；当改性剂用量为0.6 phr（占树脂总质量）时，泡沫的压缩强度由原来的0.105 MPa提高到0.336 MPa，说明LNBR对酚醛树脂泡沫具有显著的增韧作用；改性酚醛泡沫在802 ℃时的质量损失为44%，说明其具有更好的孔结构，泡孔分布更加均匀，耐热性能良好且对热稳定性无影响。刘端杰等[9]研究了腰果酚对酚醛泡沫的增韧效果，并研究了改性酚醛泡沫的力学性能、热稳定性及阻燃性能。结果表明：加入腰果酚可明显改善酚醛泡沫的力学性能，当腰果酚含量为10%（以100 g苯酚质量为基准）时，改性酚醛泡沫的弯曲强度达最高，为0.25 MPa，但酚醛泡沫的阻燃性和热稳定性都有所下降。常怀春等[10]考察了催化剂、反应时间等对聚丙烯酸正丁酯改性酚醛树脂的影响并用动态力学方法研究了改性酚醛树脂的固化行为。结果表明：加入聚丙烯酸正丁酯可加快酚醛树脂的固化；采用正交实验法，得到室温条件下制备改性酚醛泡沫的配方，在保证酚醛泡沫绝热性能不受影响前提下，聚丙烯酸正丁酯可有效改善酚醛泡沫的脆性，其质量分数小于20%为宜。黄剑清等针对酚醛泡沫造价高的问题，采用添加硼酸的方法，通过控制生产过程中的pH值，合成了可发泡硼改性酚醛树脂，并制备了硼改性酚醛泡沫。结果表明：80 ℃条件下发泡固化60 min左右，硼改性酚醛泡沫的分解温度为450 ℃，800 ℃时的质量损失为60%，使用时环境温度最高为200 ℃。

4 结语

酚醛泡沫耐热性好，其难燃程度是目前在国内外建筑业广泛使用的PS、聚氨酯等泡沫远不能及的，一旦建筑其他部位着火接触到酚醛泡沫，其表面仅略有炭化而不会被烧穿，不具备火焰传播性，可有效防止火灾发生和火势蔓延，且其燃烧时无滴落物。使用纳米蒙脱土、聚氨酯预聚体、LNBR、硼酸等对酚醛泡沫改性，可以有效改善泡沫的孔结构、提高其力学性能，达到增韧目的。因此，酚醛泡沫在未来外墙保温市场具有良好的发展趋势。

[1] 于宁.酚醛泡沫在建筑保温防火中的应用现状和前景[J].山西建筑， 2013， 39（7）：115-116.

[2] 余维明. 论酚醛泡沫在建筑外墙应用的保温防火问题[J].建筑砌块与砌块建筑，2011（2）:49-50.

[3] 路国忠，陈晓农，周丽娟，等.建筑外墙保温用酚醛泡沫树脂材料的改性[J].合成树脂及塑料，2014，31（2）:44-46.

[4] 余维明. 酚醛泡沫在外墙保温防火中的应用[J]. 涂装与电镀， 2011（3）: 18-21．

[5] 路国忠.酚醛泡沫的性能及其在建筑外墙保温中的应用研究[J].新材料产业，2011（11）: 16-21.

[6] 王立艳，盖广清. 酚醛泡沫保温材料的制备及性能研究[J].吉林建筑工程学院学报，2012， 29（1）:47-48.

[7] 黄剑清，潘安健.聚氨酯预聚体增韧酚醛泡沫的研究[J].玻璃钢/复合材料，2011（6）:37-38.

[8] 宋镕光，王云，韩爽，等.液体NBR增韧酚醛泡沫研究[J]. 塑料工业，2011，39（2）：25-28

[9] 刘端杰，谭卫红，胡立红，等.腰果酚增韧酚醛泡沫研究[J].应用化工，2012，41（11）:41-11.

[10] 常怀春，吕建通，杨莹莹.聚丙烯酸正丁醋增韧酚醛泡沫塑料的研究[J].中国塑料，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。

卢秀梅，女，1970年生，1994年毕业于唐山工程技术学院（现为华北理工大学）工业与民用建筑专业，主要研究方向为工业民用建筑专业课程理论和实践教学。联系电话：13582028631；E-mail：hbjxlxm@163.com。