水滑石/钴沸石-聚苯乙烯复合阻燃保温材料的制备与性能研究

张小博，刘海萍（燕京理工学院，河北 三河　065201）



水滑石/钴沸石-聚苯乙烯复合阻燃保温材料的制备与性能研究

张小博，刘海萍
（燕京理工学院，河北 三河065201）

采用预混法制备以水滑石/钴沸石为骨料的EPS复合阻燃保温材料，通过偏光显微镜、TEM、冲击试验机和差示扫描量热仪等对产品进行了表征。结果表明，EPS复合阻燃保温材料被粉体均匀包覆，燃烧后具有高比表面积和孔隙结构，分解温度提高到了360℃；当水滑石/钴沸石含量为20%时，EPS复合阻燃保温材料的性能达到最优，其导热系数为0.029 W/（m·K），自熄时间为1.1 s，冲击强度为10.96 kJ/m2，抗压强度达到309 kPa。

水滑石/钴沸石；聚苯乙烯；复合阻燃材料；保温性能

0　前言

聚苯乙烯泡沫塑料因具有隔热、隔声、耐低温等优点，在建筑、制冷、包装等行业广泛用做隔热、隔声、保温、防震材料等［1-2］。聚苯乙烯（PS）作为保温材料性能优异，在建筑外墙外保温中应用非常广泛，其保温效果良好，施工简便、造价低。但未经阻燃处理的PS氧指数（LOI）均为18%左右，极易燃烧，而且墙体整体性差，因此将PS用于外墙保温泡沫塑料时必须进行阻燃处理，并且需进行增强与墙体的整体性［3］。PS阻燃改性目前主要采用本体阻燃、卤系阻燃、磷系阻燃、膨胀阻燃及黏土阻燃等方法［4-7］。

本文采用废弃聚苯乙烯泡沫塑料为原料，以水滑石/钴沸石为复合骨料，研究了复合阻燃剂对EPS材料性能的影响，且通过复配得到具有优良防火性能的聚苯乙烯复合阻燃保温材料。

1　实验

1.1原材料

氢氧化镁、氢氧化铝，分析纯，天津市福晨化学试剂厂；水镁石纤维，工业级，直径为0.54～0.86μm，石家庄天源矿业有限公司；苯丙乳液，工业级，河北日出化工有限公司；水滑石，自制；钴沸石阻燃协效剂，自制；废弃发泡聚苯乙烯，粒径2～3mm。

1.2样品的制备

将废弃聚苯乙烯颗粒、氢氧化镁、氢氧化铝、水滑石、钴沸石阻燃协效剂和水镁石纤维按配比称量，混合均匀后加入苯丙乳液，高速搅拌至再次混合均匀，将混合均匀的共混物放入尺寸为20 cm×10 cm×4 cm的模具中，采用压力机在50℃下压制成型后取出，室温干燥陈化，得到聚苯乙烯复合阻燃板材。

1.3样品性能表征

用偏光显微镜和扫描电镜观察复合材料燃烧后的微观形貌；参照GB/T 2408—2008《塑料 燃烧性能的测定 水平法和垂直法》中的水平燃烧法测试复合材料的阻燃性能；采用冲击试验机测试复合材料的冲击强度；采用差示扫描量热仪测试复合材料的热稳定性，升温速度为10℃/min；导热系数按GB/T 3399—1982《塑料导热系数试验方法 护热平板法》进行测试；抗压强度按GB/T 8813—2008《硬质泡沫塑料压缩性能的测定》进行测试。

2　结果与讨论

2.1正交实验

采用4因素3水平正交试验研究水滑石/钴沸石含量（按占聚苯乙烯颗粒质量计，下同）、苯丙乳液含量、搅拌时间、加压时间对EPS复合材料冲击强度的影响，其中水滑石与钴沸石的质量比为90∶10。正交实验因素水平见表1，正交实验结果及极差分析见表2。

表1　正交实验因素水平

表2　正交实验结果及极差分析

由表2可知，影响EPS复合材料冲击强度的主次顺序为水滑石/钴沸石含量＞苯丙乳液含量＞加压时间＞搅拌时间。这是因为水滑石/钴沸石本身的抗冲击能力较强，但也应适当控制其加入量，否则会引起各原料间的混合均匀性而影响冲击强度，所以应合理控制水滑石/钴沸石的用量，使材料性能达到最优。

2.2水滑石/钴沸石含量对EPS复合材料性能的

影响

固定m（聚苯乙烯颗粒）∶m（水镁石纤维）∶m（氢氧化镁）∶m（氢氧化铝）=100∶10∶10∶20，研究水滑石/钴沸石含量对EPS复合材料性能的影响。

2.2.1水滑石/钴沸石含量对EPS复合材料

导热系数的影响（见图1）

图1　水滑石/钴沸石含量对EPS复合材料导热系数的影响

由图1可知：随着水滑石/钴沸石含量的增加，EPS复合材料的导热系数呈现出缓慢增大的趋势，在含量增大到25%时，导热系数增加幅度变大，这主要是由于水滑石/钴沸石具有比EPS更大的导热系数所致。当水滑石/钴沸石含量达到20%时，复合材料的导热系数达到0.029 W/（m·K），相比纯EPS而言增大并不明显，这说明承担隔热保温的主体依然是发泡聚苯乙烯，水滑石/钴沸石的加入在提高材料力学性能的同时并没有显著降低复合材料的保温性能。

2.2.2水滑石/钴沸石对EPS复合材料燃烧性能的影响

水滑石/钴沸石含量对EPS复合材料离火自熄时间的影响见图2，对燃烧火焰高度的影响见表3。

由图2可知，随水滑石/钴沸石含量的增加，离火自熄时间逐渐下降。这是因为阻燃剂的添加破坏了EPS表面的规整性，促进了聚合物的热解反应，缩短了自熄时间，而且，阻燃剂在较低温度下受热分解产生的不燃性气体也具有抑制点燃的作用。

由表3可知，与纯发泡聚苯乙烯产品相比，EPS复合材料呈现出较低的火焰燃烧高度，说明水滑石/钴沸石颗粒的引入大大降低了EPS复合材料的可燃性。这主要是由于无机颗粒具有不燃性，当被引入复合体系时，可对复合材料燃烧过程起到热量稀释及阻隔的作用。

图2　水滑石/钴沸石含量对EPS复合材料离火自熄时间的影响

表3　水滑石/钴沸石含量对EPS复合材料燃烧火焰高度的影响

2.2.3水滑石/钴沸石含量对EPS复合材料力学性能的影响（见图3）

图3　水滑石/钴沸石含量对EPS复合材料力学性能的影响

由图3可知，EPS本身具有一定的强度，水滑石/钴沸石颗粒本身的抗压强度和冲击强度较EPS基体要强，因此，复合材料的抗压强度和冲击强度随着水滑石/钴沸石的加入而提高。

2.3EPS复合材料的热稳定性能

选择水滑石/钴沸石含量为聚苯乙烯颗粒质量的20%，其它材料掺量不变，EPS复合材料的热失重曲线见图4。

从图4可以看出，添加水滑石/钴沸石后材料的热分解温度接近360℃，而纯EPS在330℃即开始分解，热稳定性得到了提高，复合材料在500℃左右有机部分基本分解完全，体系中残存的仅是添加的无机材料。综合复合材料的微观结构和自熄时间可以得出，加入水滑石/钴沸石不仅提高了EPS的热分解稳定性，而且也显著提高了EPS复合材料的阻燃性能。

图4　EPS复合材料的热失重曲线

2.4EPS复合材料的微观结构

选择水滑石/钴沸石含量为聚苯乙烯颗粒质量的20%，其它材料掺量不变，EPS复合材料分散的偏光显微镜照片见图5（a），燃烧后的TEM照片见图5（b）。

图5　EPS复合材料的偏光显微镜照片和TEM照片

从图5（a）可以看出，EPS复合材料被粉体均匀包覆，分散均匀，泡为闭孔结构，泡孔分布均匀，排列规整且几乎没有缺陷；而从图5（b）可见，水滑石/钴沸石在燃烧后具有高比表面积和孔隙结构，这有助于包裹EPS材料，起到了隔绝阻燃的作用。

3　结论

（1）水滑石/钴沸石的含量增加到20%时，EPS复合材料的性能最优，此时导热系数为0.029 W/（m·K），自熄时间为1.1 s，冲击强度为10.96 kJ/m2，抗压强度达到309 kPa，体现出良好的阻燃保温性能和较强的力学性能。

（2）添加水滑石/钴沸石后复合材料的热分解温度接近360℃，在500℃左右有机部分基本分解完全，相比较纯EPS在330℃即开始分解，热稳定性得到了提高。

（3）EPS复合材料微观结构显示，EPS材料被粉体均匀包覆且分散均匀，在燃烧后材料具有高比表面积和孔隙结构，有助于包裹EPS材料，起到了隔绝阻燃的作用。

［1］赵子强，马保国，罗作球，等.可膨胀石墨聚苯乙烯保温板材研究［J］.新型建筑材料，2013（12）：38-40.

［2］孙义明，毕小云，谢霞.聚苯乙烯乳液包膜膨胀珍珠岩的研制［J］.新型建筑材料，2012（1）：85-87.

［3］霍莉莉，王月月，焦传梅，等.聚苯乙烯泡沫保温材料的燃烧性能及热解动力学［J］.青岛科技大学学报：自然科学版，2013，34（5）：501-502.

［4］曾尤，甄影，郑雅轩，等.可发性聚苯乙烯复合保温材料的阻燃性能［J］.沈阳建筑大学学报：自然科学版，2012，28（5）：879-880.

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［7］汪永路.挤塑型聚苯乙烯保温板燃烧特性［J］.消防科学与技术，2013，32（9）：1013-1015.

Research on properties and preparation of expanded composite hydrotalcite/cobalt zeolite-polystyrene flame retardant insulation materials

ZHANG Xiaobo，LIU Haiping
（Yanching Institute of Technology，Sanhe 065201，China）

EPS composite flame retardant insulation materials was prepared using premixing method with expanded hydrotalcite/cobalt zeolite as aggregate.The samples obtained were characterized by polarized light microscopy，TEM，impact testing machine and differential scanning calorimeter.The results show that，EPS was uniformly coated with powder；the composite material has high specific surface area and pore structure after burning；the decomposition temperature of the material increased to 360℃.With the expanded hydrotalcite/cobalt zeolite content increased to 20%，the material achieved optimal performance.Under this condition，the thermal conductivity is 0.029 W/（m·K），the self extinguishing time is 1.1 s，the impact strength is 10.96 kJ/m2and the compressive strength is 309 kPa.

hydrotalcite/cobalt zeolite，PS，composite flame retardant material，heat insulation

TU55

A

1001-702X（2016）06-0079-03

河北省教育厅青年基金项目（QN2015309）

2015-12-24；

2016-02-24

张小博，男，1979年生，山西临汾人，硕士，副教授，主要从事无机/有机高分子合成与研究。地址：河北省三河市燕郊经济开发区迎宾北路45号，E-mail：zxb_1015@163.com。