建筑阻燃保温材料的制备以及性能研究

马梦娜

摘 要：建筑行业在我国快速的发展，使得其对建筑节能技术的要求越来越高，而建筑材料的阻燃保温性能是其节能技术的主要方式，目前的保温材料存在易燃等问题。通过选取不同的配料制备成复合保温材料，以压缩强度以及导热系数为表征依据，并通过单一变量法对制备的材料进行了保温阻燃性能的研究，以及正交实验法确定配料的最佳配比值，研究成果为建筑材料阻燃保温提供科学依据。

关键词：保温材料;压缩强度;保温系数;阻燃性能

中图分类号：TU761       文献标识码：A文章编号：1001-5922（2022）01-0074-04

Study on the preparation and performance of building flame-retardant insulation materials

MA Mengna

（Shanxi Polytechnic Institute，Xianyang 71200，Shaanxi China）

Abstract：As the rapid development of construction industry in China，the requirements for building energy saving technology are getting higher than before.The flame-retardant and thermal insulation features of building materials are the main ways of their energy-saving technology.At present，there are some problems such as flammability of thermal insulation materials.This paper analyzed the different ingredients preparation into composite insulation material，to the compression strength and thermal conductivity for characterization，and through the single variable method for the preparation of materials for the flame retarding performance of heat preservation，and the orthogonal experimental method to determine the best matching ratio of ingredients.The research result provided scientific basis for flame retardant insulation building materials.

Key words：insulation materials;compressive strength;heat preservation coefficient;flame retardancy

我國目前处于经济快速发展的阶段，需要较多的能源以支撑;而节能理念的提出，对于其发展更有利。建筑行业的节能势在必行，其建筑材料的保温是其节能的主要技术方式和方法。国家也发布了一系列的强制性措施以推荐建筑行业的节能，要使得我国的建筑行业实现节能50%的指标[1-2]。1740年，瑞典科研者通过利用一种钢丝网对矿棉板进行增强，制备成一种新型的保温层，其厚度为76.2～101.6 mm时，就可以使得取暖耗材量降低30%[3]。有学者对在夏季时地中海地区的房屋进行了室内温度的变化研究，采用了不同的保温技术，研究表明，前外保温技术的运用，会使得温度出现的波动情况较小[4];以计算机为考研载体，利用Phoenics等软件通过对建筑墙体的模拟以及计算在不同的保温方法条件下的墙体的传热特性，实验结果显示，墙体外保温的方式会使得室内的温度波动出现较小的情况[5-7]。也有学者在制备发泡混凝土的过程中，通过添加硅酸盐水泥，并将混凝土作为外加剂进行研究，实验结果显示，当外加剂的添加量适宜时，发泡混凝土材料的性能最优，导热系数达到0.007 W/（m·K）[8];将聚醋酸乙烯胶粘剂作为憎水剂，加入到原材料中进行保温材料的制备，实验结果显示，憎水剂在保温材料内形成了憎水模，从而减小了保温材料的吸水性[9];以正交实验为研究方法，研究了聚苯乙烯泡沫（Expanded Polystyrene，简称EPS）颗粒、聚丙烯纤维、憎水剂以及引气剂等4种添加剂，其材料的最佳配比值，制备的保温材料的压缩强度达到0.54 MPa，导热系数达到0.059 6 W/（m·K） [10];研制了一种新型的聚氨酯泡沫板保温材料，其性能达到了压缩强度0.17 MPa，导热系数达到了0.045 W/（m·K）[11]。本文采用单一变量法以及正交实验两种方法，研究了不同材料在不同配比的情况下，制备的建筑保温材料的性能，依据压缩强度以及导热系数，研究了水泥配比对保温材料的影响以及制备的保温材料的保温阻燃性能。

1 建筑阻燃保温材料的制备

1.1 实验材料及仪器

制备建筑阻燃保温材料的实验材料：建筑阻燃颗粒（CP，北京博乐建有限公司）;纳米二氧化硅（AR，美国Degussa公司）;硅烷偶联剂（AR，南京飞翔材料有限公司）;聚乳酸（AR，上海永大科技有限公司）;无水乙醇（AR，浙江腾飞材料有限公司）;快速结块硅酸盐（AR，上海路政材料有限公司）;氢氧化铝（AR，山东永安环保公司）;聚丙纤维（AR，南京风帆实业有限公司）;双酚环氧树脂（AR，江苏三木材料有限公司）;有机硅酸盐脱水剂（AR，英国瓦莱特公司）。

制备建筑阻燃保温材料的实验仪器：精准电子秤（SZCL-2，巩义予华仪器集团）;超声波清洁机（KQ3200，杭州汇通有限公司）;双螺旋干混搅拌机（SHJ-26，武汉瑞杰仪器有限公司）;高速离心机（TBL-16G，北京高科仪器公司）;差量扫描显示仪（SHJ-26，武汉瑞杰仪器有限公司）;锤摆式力学分析仪（PKJ961，美国Instron公司）;质量密度测试仪（KPLY-320，杭州京华实验设备有限公司）。

1.2 材料制备流程

称取一定量的水泥、粉煤灰材料、硅灰和氢氧化钙，并添加水、聚丙烯纤维、可分散胶粉、羟丙基甲基纤维素醚，并添加有机硅作为憎水剂，将所有材料在搅拌机中进行长达5 min的高速搅拌操作，制备成预混浆体;然后加入轻质骨料，进行长达10 min的低速搅拌操作，将搅拌充分的保温浆料倒入涂有脱模剂的模型中进行压模成型操作，最后进行脱模养护，养护28 d。制备保温建筑材料全程在恒温23 ℃的条件下进行低速搅拌操作。

2 材料的表征以及相关实验

2.1 材料表征

2.1.1 导热系数

导热系数，是物质导热能力的量度。其定义指在材料1 m厚、表面两侧的温度差为1 ℃的情况下，1 m2面积在1 h内所传递的能量[12]。此实验需要把试件制备成300 mm×300 mm×30 mm的长方体，使用DRE-2C仪器测试养护后的试件的导热系数。该仪器采用瞬态平面热源法进行测试，该方法具有使用范围广、适用各种材料的特点，如对多孔材料同样适用[13]。

2.1.2 压缩强度

此实验需要把试件制备成100 mm×100 mm×30 mm的长方体，并且整个试件表面没有裂纹、平整。在承压板上，以10 mm/min的速度进行加压，直至试件被破坏，记录此时的压力值，并计算出压缩强度。

2.2 相关实验

2.2.1 锥形量热仪的测试

我们采用单因素的实验方法，设计添加的5种材料制备的保温材料，制备的过程中保持材料的总体积不变;添加的5种材料以及掺量如表1所示。保持此5种材料的总体积不变，研究添加这5种材料的保温材料的防火性能。

2.2.2 正交实验

采用正交实验的方法，通过减少实验次数，来确定轻质骨料、粉煤灰、硅灰以及聚丙烯纤维的配比对保温材料的性能影响，实验所需的材料配比如表2所示。

3 结果分析与讨论

3.1 水泥对保温材料的性能影响

本实验选取硫铝酸盐水泥进行保温材料的制备，通过对硫铝酸盐的质量比的调整，其占物料总比的0%～50%，分别配置不同比例的保温材料并对其压缩强度以及导热系数进行测试，其结果如图1所示。

由图1可观察到，制备保温材料的压缩系数和导热系数随着水泥用量的不断增加而增大。此结果说明，保温材料的力学性能得到了一定的提高，但是保温性下降了。为了同时保持保温材料良好的力学特性以及隔热性能，水泥的用量应该保持在35%左右，此时保温材料还具有较小的导热系数。

3.2 保温阻燃性能结果分析

本实验在采样功率为50 kW/m2的条件下，对实验准备的5组样品及逆行测量，采用锥形量热仪进行操作。其测得的样品的热释放速率随着时间变化的曲线如图2（a）所示，总热量的释放量曲线图如图2（b）所示。

由图2（a）可观察到，5条曲线图均呈现先增加后下降的趋势，且均存在一个峰值。样品A和B作比较，B的热释放曲线较A平缓，二者分别在50、110 s时达到了热释放速率峰值;B比A的峰值降低了41.9%，说明表面经过处理的EPS制备成的复合材料，增强了其内部内聚力;B和C相比较，其峰值进一步的减小，相比于A降低了64.4%，此结果说明空心微珠和EPS的相应配比制备的复合材料大大提高了保温材料的阻燃性。由图2（b）可观察到，5条曲线都呈现递增的趋势，A、B曲线在刚燃烧时释放量较大，说明具有一定的火灾蔓延风险;而曲线E呈现较缓慢递增，而且斜率较小，E的抗火险性能较好。说明EPS经过表面处理以后的阻燃性能较好，E已经达到了A1不燃级别。

3.3 正交实验结果分析

保持保温材料的其他配比不变的情况下，按照表2的不同配比进行材料的制备，并测得材料的压缩强度以及导热系数，如图3所示。

由图3可观察到，第4组的导热系数值最低，力学性能等也达到复合材料的要求;因此，保温材料的最佳配比为22%的粉煤灰、10%的轻质骨料、16%的硅灰和0.25%的纤维。配比实验结果显示材料的压缩强度为0.41 MPa，导热系数为0.049 W/（m·K），达到了A1级别的可燃级。

4 结语

通过选取有机、无机轻质骨料、无机凝胶材料以及外加剂等不同的配料制备成复合保温材料，以压缩强度和导热系数为表征依据，并通过单一变量法，水泥的配比在35%左右时，会使得保温材料在压缩强度达到要求的同时，其导热系数也达到最好;通过正交实验，得到轻质骨料、粉煤灰、硅灰以及聚丙烯纤维的配比分别为10%、22%、16%和0.25%时，保温材料达到最佳性能，此时的压缩强度为0.41 MPa，导热系数为0.052 W/（m·K），达到了A1级不可燃级别。

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