玻璃棉的制备及其在保温材料中的应用研究

牛梦莹，高景岐，高伟民，于朝生

（1东北林业大学化学化工与资源利用学院，黑龙江哈尔滨150040；2神州节能科技集团有限公司，河北廊坊065903）

保温材料发展很快，在建筑工程领域及其他工业生产领域占有重要的地位[1]，其主要分为[2]有机材料和无机材料，有机材料包括聚氨酯泡沫、聚苯板、酚醛泡沫等，无机材料包括气凝胶毡、玻璃棉、岩棉、膨胀珍珠岩、发泡水泥等。保温材料凭借其优异的性能受到研究人员的极大关注，但同时也存在一些缺点和不足，如有机保温材料存在不耐老化、稳定性差、安全性差、易燃烧等缺点；无机保温材料存在保温热效率稍差的问题。因此，制备阻燃效果好、绝热性能优良的保温材料是研究人员一直研究的方向。

玻璃纤维具有不易燃烧、耐热性强、抗腐蚀性好等优点，是一种性能优异的无机非金属材料，被广泛地应用于医学[3]、建筑[4-5]、混凝土[6-8]等领域。

由于玻璃纤维性能的优异性，本研究采用γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）、阻燃剂 XF-680、改性丙烯酸酯乳液和玻璃纤维，制备保温玻璃棉，并研究玻璃棉在保温材料中的应用。

1 实验部分

1.1 实验药品

γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550），分析纯，上海耀华化工厂；玻璃纤维，神州节能科技集团有限公司；改性丙烯酸酯乳液，实验室自制；XF-680 型阻燃剂，分析纯，上海煦凡化工有限公司。

1.2 实验仪器

电子分析天平，BT 224 S，德国赛多利斯科学仪器有限公司；电热鼓风干燥箱，101 A-2 ET，上海实验仪器厂有限公司；氧指数测定仪，JF-3，南京市江宁区分析仪器厂。

1.3 保温玻璃棉的制备

以甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸、甲基丙烯酸缩水甘油酯为原料，采用乳液聚合的方式制备改性丙烯酸酯乳液，备用。

将称量好的乳液放入烧杯中，边滴加边搅拌依次加入XF-680、KH-550，混合均匀，放入喷壶中备用。用喷壶将混合物均匀地喷在玻璃纤维上，然后将试样放在电热鼓风干燥箱中，130℃2.5h，得到保温玻璃棉。

1.4 测试与表征

1.4.1 外观

外观检测[9]有颜色、挺度、手感等。将制备的保温玻璃棉样品放在干燥洁净的表面皿上，目测观察样品的颜色；将样品垂直夹在夹子上，观察样品的硬挺度；用手摸样品，感知样品的手感。

1.4.2 密度

密度是指单位体积的保温材料所具有的质量。一般来说，同种保温材料，密度越小，意味着传热、传声介质少，其隔音效果和保温越好。计算公式如式（1）所示：

式（1）中：ρ为样品的密度，kg/m3；m为样品的质量，kg；V为样品的体积，m3。

1.4.3 吸水率

材料的吸水率[10]也是保温材料的一项重要性能指标。由于保温材料为多孔材料，其吸水之后，会影响保温性能和隔热效果，所以保温材料的吸水率不宜过大。计算公式如式（2）所示：

排种器是大蒜播种机的核心部件，其工作质量将直接影响大蒜播种的效率，因此有必要重点研究一下大蒜播种机的排种装置。本研究的目的是通过对蒜瓣外形特征参数进行测量并统计分析，研究设计了一种倾斜圆盘转勺式大蒜播种试验装置，并通过试验确定它的参数和结构形式，确定工作效果达到最优时，转速和取种盘倾斜角度的最佳组合。

式（2）中：ω为样品的吸水率，%；M2为样品浸水后的质量，g；M1为样品浸水前的质量，g。

1.4.4 导热系数

导热系数是保温材料传递热量能力大小的参数，反映了材料的导热能力。一般来说，保温材料的导热系数越小越好。保温玻璃棉的导热系数按照单层圆筒壁的定态热传导相关知识来测定。计算公式如式（3）所示：

式（3）中：λ为样品的导热系数，W/（m•℃）；为热流量，W；r1、r2分别为样品中心线到测温点的半径（r1＜r2），m；l为样品的长度，m；t1、t2分别为r1、r2处的温度，℃。

1.4.5 阻燃性能

材料阻燃性能的检测可以用氧指数法来测定。氧指数（OI）是指在规定的条件下，材料在氧氮混合气流中进行有焰燃烧所需的最低氧浓度。根据 GB/T 8924-2005执行，每组试样数量为 5 根，采用氧指数测定仪进行测定。

2 结果与讨论

2.1 保温玻璃棉产品质量的影响因素

2.1.1 焙烘温度

在玻璃纤维与乳液的质量比为 1：1，焙烘时间为 2h时探究了焙烘温度对保温玻璃棉产品质量的影响，结果见表1。

表1 焙烘温度对保温玻璃棉产品质量的影响Table 1 Effect of baking temperature on the quality of thermal insulation glass wool products

由表1可知：焙烘温度对保温玻璃棉产品的质量有一定影响，当温度过低时，样品难以烘干，发黏，而且挺度不好；当温度过高时，样品发黄变色。这是由于温度过低时，在固定的时间内，样品内的乳液没有完全固化，导致样品发黏，挺度不好；随着温度的升高，样品内的乳液固化完全，使得样品干燥，有一定的挺度；但当温度过高时，会影响样品的颜色，所以，从产品质量和节约能源的方面考虑，保温玻璃棉最佳的焙烘温度为 130 ℃。

2.1.2 焙烘时间

在玻璃纤维与乳液的质量比为 1：1，焙烘温度为 130℃时探究了焙烘时间对保温玻璃棉产品质量的影响，结果见表2。

表2 焙烘时间对保温玻璃棉产品质量的影响Table 2 Effect of baking time on the quality of thermal insulation glass wool products

由表2可知：焙烘温度对保温玻璃棉产品的质量也有一定的影响，当时间过短时，样品难以烘干；当时间过长时，影响样品的外观，也造成资源浪费。综合考虑，保温玻璃棉最佳的焙烘时间为 2.5 h。

2.2 玻璃纤维与乳液的质量比对保温玻璃棉性能的影响

2.2.1 密度

通过控制变量法探究了玻璃纤维与乳液的质量比对保温玻璃棉密度的影响，结果如图1 所示。由图1可知：随着玻璃纤维与乳液质量比的增加，保温玻璃棉的密度减小。这是因为玻璃纤维具有质量轻的特点，随着玻璃纤维与乳液质量比的增大，制备的保温玻璃棉中玻璃纤维的比例也增大，胶粘剂的比例减小，使得样品的密度随之减小。

图1 玻璃纤维与乳液的质量比对保温玻璃棉密度的影响Fig. 1 Effect of mass ratio of glass fiber to emulsion on density of thermal insulation glass wool

2.2.2 导热系数

通过控制变量法探究了玻璃纤维与乳液的质量比对保温玻璃棉导热系数的影响，结果如图2所示。由图2可知：随着玻璃纤维与乳液质量比的增加，保温玻璃棉的导热系数先减小后增大。这是因为随着玻璃纤维与乳液质量比的增加，样品中玻璃纤维的比例增大，胶粘剂的比例减少，使得样品的气孔率增大，从而导致导热系数减小；但当玻璃纤维与乳液质量比过大时，导热系数反而会增大，这是由于气孔率增大时互相连通的孔隙大大增多，使对流作用得以加强，从而导致导热系数增大。

图 2 玻璃纤维与乳液的质量比对保温玻璃棉导热系数的影响Fig. 2 Effect of mass ratio of glass fiber to emulsion on thermal conductivity of thermal insulation glass wool

2.3 阻燃剂 XF-680 用量对保温玻璃棉阻燃性能的影响

图3 阻燃剂 XF-680 用量对保温玻璃棉阻燃性能的影响Fig. 3 Effect of the amount of flame retardant XF-680 on oxygen index of thermal insulation glass wool

在玻璃纤维与乳液质量比为2：1时探究了阻燃剂XF-680 用量（对于乳液用量而言）对保温玻璃棉阻燃性能的影响，结果如图3所示。由图3可知：XF-680的加入对保温玻璃棉的氧指数有一定的影响，随着XF-680的加入，保温玻璃棉的氧指数逐渐增大。当不加入XF-680时，保温玻璃棉有一定的阻燃性能，氧指数为26%；随着 XF-680用量的增加，氧指数增大至28%左右。这是因为 XF-680是一种磷含量高的无卤阻燃剂，具有优良的阻燃性能，XF-680的加入，使得保温玻璃棉的阻燃性能进一步提高。当 XF-680用量超过乳液用量的25% 时，阻燃性能提高得不明显，所以XF-680的最佳用量为乳液用量的25%。

2.4 乳液中功能单体丙烯酸的用量对保温玻璃棉吸水率的影响

在玻璃纤维与乳液的质量比为 2：1，XF-680用量为25% 时，探究了丙烯酸用量对保温玻璃棉吸水率的影响，结果如图4 所示。由图4可知：随着丙烯酸用量的增加，保温玻璃棉的吸水率先减小后增大。这是由于丙烯酸用量对乳胶膜吸水率有影响，从而影响保温玻璃棉的吸水率。在高温反应后，乳液会附着在玻璃纤维上，形成一层乳胶膜。丙烯酸中含有 -COOH 官能团，具有交联作用，随着丙烯酸用量的增加，-COOH 含量增加，导致交联程度也越来越大，形成严密的胶膜，使得胶膜亲水性下降，从而导致玻璃棉的吸水率减小；当体系中丙烯酸含量过多时，聚合物中的环氧基团含量越来越少，过多的-COOH 不能再与环氧基团发生交联反应，使得 -COOH剩余，富集在体系中，由于 -COOH 是极性基团，具有亲水性，使得胶膜的亲水性增加，从而导致玻璃棉的吸水率增大。

图4 丙烯酸用量对保温玻璃棉吸水率的影响Fig. 4 Effect of acrylic acid content on water absorption of thermal insulation glass wool

3 结论

在高温的条件下，以硅烷偶联剂 KH-550、阻燃剂XF-680、改性丙烯酸酯乳液、玻璃纤维为原料，成功地制备了保温玻璃棉，并对玻璃棉在保温材料方面的应用进行了研究。研究发现：当焙烘温度为 130℃，烘焙时间为 2.5h时，保温玻璃棉的产品质量较好；当玻璃纤维与乳液的质量比为 2：1，XF-680添加量为 25% 时，产品的导热系数得到改善、阻燃效果较好。