聚苯乙烯保温板的性能及其在建筑领域的研究进展

关小燕

（石家庄职业技术学院，河北 石家庄 050081）

聚苯乙烯保温材料具有良好的热稳定性能、保温隔热性能、防水性能且易于加工，广泛应用于建筑行业［1］。如聚苯乙烯泡沫塑料颗粒混凝土，是在水泥基浆料中加入体积分数不小于20%的聚苯乙烯泡沫塑料颗粒混合搅拌发泡，再经浇筑成型的轻质多孔混凝土，其核心轻骨料使用原生、再生或回收利用的膨胀聚苯乙烯泡沫塑料颗粒，聚苯乙烯泡沫塑料颗粒的引入显著改善了混凝土收缩开裂的缺陷。聚苯乙烯颗粒混凝土在装配式建筑、绿色建筑、海绵城市建设等热点新兴建筑领域中得到大量应用。但聚苯乙烯在燃烧时容易出现大量浓烟，并释放有毒气体［2］。因此，研究人员一直致力于聚苯乙烯保温材料阻燃性能的研究。此外，发泡聚苯乙烯还广泛用于中空楼板隔音隔热材料。本文综述了聚苯乙烯保温板阻燃性能和隔音性能的研究进展。

1 聚苯乙烯保温板阻燃性能研究进展

聚苯乙烯保温板具有机械强度高、隔热性能优良以及吸水性低等特点，广泛用于建筑物外墙保温。普通聚苯乙烯板的极限氧指数（LOI）只有16.8%，热释放率峰值约为1 300 kW/m2，一旦发生火灾，火势会急剧蔓延。因此，必须对聚苯乙烯进行阻燃处理。

1.1 使用无机水泥作为阻燃剂

范渊源等［3］采用无机水泥阻燃剂填充聚苯乙烯泡沫塑料空隙制备可发性聚苯乙烯（EPS）阻燃保温板。无机水泥阻燃剂组成为MgSO45 phr，MgO 5 phr，水10 phr。将无机水泥阻燃剂倒在EPS板上并用真空设备将阻燃剂吸入EPS空隙中，制备的EPS阻燃保温板的LOI达33.5%，导热系数为0.045 W/（m·K），密度为0.68 kg/m3，适合楼房外层和保温层使用。于水军等［4］以α-半水石膏作为硫氧镁水泥的改性剂对聚苯乙烯颗粒进行包覆改性制作防火门芯板。使用质量比为1∶2∶2的MgSO4·7H2O、轻烧氧化镁、α-半水石膏，先将轻烧氧化镁粉体与α-半水石膏粉体预混后加入MgSO4溶液中搅拌均匀，保持固液质量比为1；之后加入聚苯乙烯颗粒并搅拌均匀加入模具中，室内静置24 h脱模养护至恒重，制备了干密度分别为500，450，400，350，300 kg/m3的无机包覆聚苯乙烯防火门芯板试块。研究表明，随着干密度的增大，耐火时间及燃烧热值下降，抗压强度损失率提高，能够满足防火门芯板耐火性能标准。成都固迪新型建材有限公司［5］公开了一种不燃型聚苯乙烯颗粒复合保温板的制备方法，原料组成为：水泥浆206.0～258.0 phr、改性聚苯乙烯22.0～40.0 phr，聚硅氧烷粉末2.5 phr、可分散乳胶粉3.0 phr、聚乙烯醇胶水9.0 phr、改性引气剂3.0～6.0 phr及复合颗粒（由磷酸铵钠和羟丙基甲基纤维素按质量比为1.0∶1.1预混后均匀挤出造粒，粒径为0.6 mm）1.5～2.5 phr。其中，改性聚苯乙烯基料是由20 kg聚苯乙烯颗粒在温度为95 ℃、空气相对湿度为77%的条件下，用400 W的紫外光灯辐照4 d制得；将老化后的基料与质量分数为19%的苯丙乳液6 kg静置养护12 min，温度75 ℃，空气相对湿度为25%，制得改性聚苯乙烯。以上物料混合搅拌2 min后，边搅拌边加入复合颗粒4.0 phr，搅拌速率为60 r/min，复合颗粒的加入速率为0.8 kg/s，加入完毕后静置2 min，得到水泥基聚苯乙烯浆料；将浆料倒入模具中进行模压成型，模压压力为0.2 MPa，时间为5 min，成型温度为105 ℃，制得不燃型聚苯乙烯颗粒复合保温板，其抗压强度0.4 MPa，抗拉强度0.25 MPa，抗折强度0.27 MPa，导热系数0.020 W/（m·K），防火等级A1级。所制保温板抗压强度、抗拉强度和抗折强度佳，保温性能好，防火等级高，耐火性能优异。

1.2 使用无卤阻燃剂

王恩洪等［6］以EPS为基材，酚醛树脂（PF）为胶黏剂，可膨胀石墨（EG）与聚磷酸铵（APP）为阻燃剂，首先将EPS颗粒预发泡，于50 ℃烘干2 h后室温放置至少4 h熟化备用。取EPS 100 phr，PF 90 phr，交联剂20 phr，EG 4 phr，APP 8 phr，将PF与阻燃剂混合并搅拌3～5 min，制备阻燃包覆液，将EPS泡沫颗粒与包覆液混合并搅拌5 min，加入交联剂搅拌2 min后取出压制5 min成型，压力7 MPa，上、下模板温度100～105 ℃。所制EPS泡沫保温板LOI达33.0%，拉伸强度和压缩强度分别为0.310，0.109 MPa。王雅珍等［7］以改性APP、氧化石墨烯和改性脲醛树脂为原料制备阻燃包覆剂，并刷涂在EPS泡沫板表面，制备阻燃复合材料。当改性APP质量分数为20%以上，阻燃包覆剂与EPS质量比超过3∶1时，复合材料LOI可达34.7%，垂直燃烧等级达UL 94 V-0级。李永庆［8］以PF为基体，多聚磷酸铵、红磷、氢氧化镁为复合阻燃剂、加入硅烷偶联剂并搅拌均匀，再加入到预发泡并熟化好的聚苯乙烯泡沫中，搅拌均匀后加入固化剂混合1 min后烘干造粒。然后经预热、合模、加料、 加热、冷却、脱模、熟化制得无卤阻燃聚苯乙烯保温板，该保温板LOI为30.5%，压缩强度为205 kPa，导热系数为0.039 W/（m·℃），阻燃性能良好。

2 聚苯乙烯板隔音性能研究进展

传统的隔声材料为厚重的金属或无机材料。高分子材料质轻且易加工，尤其泡沫塑料通过气孔中气体的滞流与压缩使声波散逸，起到隔音效果，但由于其面密度和弹性模量较低，很难满足实际应用要求。因此，需要对轻质隔声材料和结构进行研究。

重庆亦缘鸢科技有限公司［9］开发了一种含有玻璃纤维的聚苯乙烯吸音板，原料包括聚苯乙烯25 phr、短切玻璃纤维20 phr、聚苯醚-马来酸酐12 phr、镁合金微粉6 phr、聚氧化烯烃-聚硅氧烷共聚物3 phr、三聚氰胺30 phr、磷酸9 phr、偏高岭土7 phr、滑石粉5 phr、氢氧化铝2 phr、硼酸锌1 phr，水30 phr。将聚苯乙烯、短切玻璃纤维、聚苯醚-马来酸酐、镁合金微粉和聚氧化烯烃-聚硅氧烷共聚物混合，搅拌均匀，加入高压釜，调整温度为115 ℃，压力为22.5 MPa，持续搅拌混合物成液状；之后向高压釜中通入超临界氮气，继续搅拌混炼65 min直到完全混合。压力降至2.0 MPa静置3 h后，将混合物挤压成型造粒，得到粒径为（2.5±0.1）mm的轻质吸音颗粒。使用热水、三聚氰胺、滑石粉、硼酸锌制备阻燃膜液。使用磷酸、偏高岭土、氢氧化铝和水制备耐火胶液。将轻质吸音颗粒、阻燃膜液、耐火胶液混合，搅拌器内温度为55 ℃，使阻燃膜液和耐火胶液包裹在轻质吸音颗粒表面，得到轻质吸音颗粒混合物。将轻质吸音颗粒混合物注模成型，压力为0.12 MPa，冷却，脱模，养护，得到轻质含玻璃纤维的聚苯乙烯吸音板。该吸音板的密度为0.79 g/cm3，隔声量为19.3 dB，拉伸强度为 57.2 MPa，弯曲强度为73.5 MPa，LOI为38.3%，垂直燃烧等级为UL 94 V-0级，吸音消音效果好，刚性强度和阻燃效果也很好，且容易安装。

针对传统聚苯乙烯板隔音性能和抗冲击性能不佳的问题，佛山市禅城区诺高环保科技有限公司［10］公开了一种耐冲击隔音聚苯乙烯板的制备方法。第一步制备合金添加剂。将铋粉2.5 phr、铅粉1.0 phr、锡粉1.6 phr、液体石蜡350.0 phr高温搅拌得到液体石蜡混合物，降温后加入液体石蜡混合物质量0.1%的硬脂酸，搅拌后冷却至室温，再离心分离，与三氯甲烷按质量比50∶5混合，经超声分散、离心分离、过滤、干燥，得到合金添加剂。第二步制备改性微球。将4,4'-二氨基二苯醚3 phr与N,N-二甲基甲酰胺10 phr混合得到分散相。将表面活性剂1 phr与液体石蜡5 phr混合得到连续相。3 phr分散相与1 phr连续相混合并剧烈搅拌，超声分散后得到混合乳化液。将12 phr混合乳化液与3 phr合金添加剂混合，超声分散后在氮气氛围下搅拌得预处理乳化液，然后分3次加入均苯四酸酐，加入的总质量为预处理乳化液质量的90%，再加入预处理乳化液质量30%的乙酸酐混合液，搅拌反应后，过滤，洗涤，干燥，得到微球。将1 phr微球与15 phr合金添加剂混合，加热至合金熔化后，降至室温，得到改性微球。将1 phr聚苯乙烯、10 phr苯乙烯混合液（苯乙烯与二乙烯苯质量比为8∶1）以及聚苯乙烯质量50%的改性微球搅拌混合，得到聚苯乙烯混合料，将聚苯乙烯混合料用100 Gy/minγ射线辐照，辐照温度为20 ℃，至聚苯乙烯混合料表面凝固，得到聚苯乙烯板坯料，将聚苯乙烯板坯料热压处理，在温度为120 ℃，压力为15 MPa的条件下压制2 h，得到耐冲击隔音聚苯乙烯板。简支梁无缺口冲击强度为0.788 kJ/m2，计权隔声量为62 dB。该耐冲击隔音聚苯乙烯板具有优异的抗冲击性能和隔音性能。

成都新柯力化工科技有限公司［11］针对高频声音的阻隔效果差，泡沫塑料存在面密度和弹性模量较低等缺点，开发了一种隔音聚苯乙烯/氧化石墨烯微孔泡沫塑料。首先，通过分散聚合法制备单分散聚苯乙烯交联微球，并以36 phr聚苯乙烯交联微球为种子，60 phr 1,2-二氯乙烷为溶胀剂，在36 ℃条件下溶胀23 h，并加入4 phr发泡剂偶氮二甲酰胺，制得混合液；然后，将7 phr氧化石墨烯分散于65 phr芘甲酸溶液中，再加入到混合液中，以5 ℃/min升温到78 ℃，恒温62 min，然后加入27 phr苯乙烯单体、1 phr过氧化二苯甲酰，于79 ℃进行种子乳液聚合3.5 h，得到含有氧化石墨烯的核壳微球发泡剂；最后，将24 phr核壳微球发泡剂与76 phr聚苯乙烯高速混合，在温度为122 ℃、压力为2 MPa的条件下热压成型，保压时间为15 s，得到隔音聚苯乙烯/氧化石墨烯微孔泡沫塑料。该材料在5 000 Hz的吸声系数为0.98，20 000 Hz的吸声系数为0.91；隔声指数在5 000～10 000 Hz时为65.5 dB，在10 000～17 000 Hz时为59.3 dB，在17 000～200 000 Hz时为55.1 dB，对于声波具有较好的阻隔作用，特别是提高了对于高频声音的阻隔性。

安徽微威胶件集团有限公司［12］公开了一种聚苯乙烯隔音板材料的制备方法。原料为空心二氧化硅微球20.00 phr、叔丁基对二苯酚1.00 phr、苯乙烯200.00 phr、过硫酸铵5.00 phr、三聚氰胺2.00 phr、对甲基苯磺酸0.02 phr、饱和十八碳酰胺2.00 phr、环氧硬脂酸辛酯4.00 phr。以对甲基苯磺酸为掺杂剂，苯乙烯为单体，在引发剂作用下聚合，然后与三聚氰胺反应。首先，将过硫酸铵加入到为其质量9倍的去离子水中搅拌均匀，得到引发剂溶液；再将空心二氧化硅微球与饱和十八碳酰胺混合并加入到引发剂溶液质量17倍的去离子水中，超声40 min，得到十八碳酰胺水分散液；然后，将对甲基苯磺酸与苯乙烯混合，加入到十八碳酰胺水分散液中，搅拌均匀，加入反应釜中，通入氮气，温度为70 ℃，加入引发剂溶液，保温搅拌6 h，出料冷却，得到聚合物分散液；最后，将三聚氰胺加入到聚合物分散液中，加入叔丁基对二苯酚，升温到85 ℃，保温搅拌2 h，抽滤并水洗滤饼，滤饼与环氧硬脂酸辛酯混合送入到挤出机中挤出，得到聚苯乙烯隔音板材料。该材料的拉伸强度为58.3 MPa，面密度为86 kg/m2，隔音量为50.3 dB，力学性能良好，隔音性能较强。

3 结语

聚苯乙烯保温材料具有良好的热稳定性能、隔热性能和防水性能，并且易于加工，广泛应用于建筑领域。通过对聚苯乙烯保温板的阻燃性能和隔音性能的研究，开发的阻燃性能强、隔音效果好的聚苯乙烯保温板可满足不同功能的建筑应用。