建筑墙体的纤维增强聚氨酯保温材料制备及性能研究

林飞燕

（泉州市建设工程质量安全站，福建 泉州 362000）

随着我国2022年《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》的出台，要求2025年基本形成绿色、低碳、循环的建设发展方式，对我国建筑质量和建筑节能水平提出了更高的要求。建筑墙体保温作为提高建筑节能效果的主要手段之一，保温材料的物理性能、力学性能、经济性和适用性直接影响了建筑节能水平。因此，研制一种保温性能好、安全稳定、经济适用的建筑墙体保温材料具有重要工程意义和实用价值。

建筑墙体保温材料主要分为无机保温材料和有机保温材料，目前应用和研究重点是保温性能更好的有机保温材料[1]。但是，传统的有机保温材料存在易燃、耐久性低、价格昂贵和力学性能差等问题，为此各国学者针对有机保温材料在建筑墙体中的应用开展了大量的理论研究和实验[2]。在有机保温材料中，发泡材料具有良好的物理力学性能，优点主要表现在质轻、热导率低、耐久性能好等方面，成为建筑节能和绿色建筑重点研究方向。其中，又以聚氨酯发泡材料为主，因其质量轻、使用寿命长、导热系数在现有材料中最低等优点，目前在建筑墙体保温市场中占据很大的份额[3-4]。然而，聚氨酯泡沫的生产成本通常较高，同样存在易燃、力学性能无法满足外墙保温的应用要求等不足。这些不足使聚氨酯泡沫在建筑墙体保温节能的应用，特别是外墙保温中受到较大的限制。目前有学者对聚氨酯发泡材料的性能进行了改进，并提出了配置方法，例如，王大壮等[5]应用秸秆纤维增强聚氨酯保温材料；崔峻[6]提出采用短切碳纤维对聚氨酯泡沫进行改进；魏建国[7]等提出采用长玻璃对硬质聚氨酯泡沫材料进行增强，获得了材料的力学指标及影响材料性能的主要因素。但是，由于原材料的不同和在实际工程中的应用推广较少，目前仍未根本解决聚氨酯材料在建筑墙体保温中的应用问题，纤维增强聚氨酯材料在建筑墙体中的应用尚未形成统一的标准。

因此，本文通过采用玻璃纤维材料对聚氨酯发泡材料进行增强，在保障其保温性能的基础上，优化力学性能。最终，提出纤维增强聚氨酯发泡材料的研制方法，并对其物理力学性能进行了测试，可为类似材料的制备和应用提供参考。

1 实验研究

1.1 主要原材料及仪器

制备聚氨酯发泡材料的主要原材料为：多亚甲基多苯基多异氰酸酯（烟台万华），聚醚多元醇，泡沫稳定剂为硅油，发泡剂为五氟丁烷（HFC-365MFC）、高活性催化剂为五甲基二乙烯三胺和二甲基环己胺。另外，还需要准备实验用的脱模剂和水。

材料增强用的纤维为短切玻璃纤维，实验用的玻璃纤维长度一般控制在0.8cm～1.2cm范围内，纤维直径为10μm～12μm。

制备玻璃纤维增强的聚氨酯发泡材料还需要以下设备，见表1。

表1 制备材料的主要设备

1.2 材料制备

玻璃纤维增强聚氨酯发泡材料的制备与传统聚氨酯发泡材料制备的区别在于掺入玻璃纤维。其中，增强材料最基本的原则是要保证不影响聚氨酯发泡材料的保温性能，因此，玻璃纤维的含量不能随意添加，需要根据配置后增强材料的导热系数测试结果来调整玻璃纤维的掺量。通过多次实验结果和相关文献发现，玻璃纤维在2%～10%范围内可满足导热系数的需求。因此，实验设计采用质量分数为2%、4%、6%、8%、10%的玻璃纤维配置增强材料，然后再对掺入玻璃纤维前后的材料性能进行分析。

玻璃纤维增强聚氨酯发泡材料的制备流程如下：

（1）按照聚氨酯发泡材料的制作原则，首先，将一定质量的聚醚多元醇、发泡剂HFC-365MFC、催化剂和硅油放置在塑料杯中，配置若干份；然后，分别向上述原料中掺入质量分数为2%、4%、6%、8%、10%的玻璃纤维和水，将其在电动搅拌器作用下充分混合均匀。

（2）按照配方取步骤（1）中相同份数的多亚甲基多苯基多异氰酸酯，然后将其迅速倒入（1）中的混合物中，同样也放入电动搅拌器中充分搅拌1min，直至出现乳白现象。

（3）将搅拌均匀并出现乳白现象的混合物倒入模具中，需要注意的是，用于压缩强度测试的倒入100mm×100mm×50mm的模具，导热系数测试的倒入300mm×300mm×30mm的模具。等待混合物在模具中进行发泡、固化等一系列的反应完成后，并达到一定的硬化程度后拆除模具，最后将试样放入电热鼓风干燥箱，保持温度在80℃进行熟化后取出，试样制备完成。

1.3 性能测试方法

为了获得玻璃纤维增强聚氨酯发泡材料的力学性能和导热性能，本文主要对其压缩强度和导热系数进行测试。其中，压缩性能测试主要依据《硬质泡沫塑料压缩性能的测定》（GB/T8813-2020）中的规定[8]，设计不同玻璃纤维含量的聚氨酯发泡材料试样各5个，试样规格为100mm×100mm×30mm的正四棱柱，最后再将试样放置在微机控制电子万能试验机中进行实验。根据实验所得数据，采用下式计算试样的压缩强度值，取5个试样压缩强度的平均值作为最终压缩强度值。

式中σ为压缩强度，MPa；F为相对形变小于15%的最大压缩力，N；A为试样的横截面积，mm2。

目前，导热系数的测试方法较多，本文采用的导热系数实验方法主要是基于双向平板法测试原理，然后采用专用的导热系数测定仪进行测试。试样尺寸为300mm×300mm×15mm的长方体，根据实验所得数据和传热学基本原理，导热系数可通过下式进行计算。每组试块测试3次后，取算数平均值作为最终导热系数。

式中λ为导热系数，W/m·K；Q为热流，J；L为试样厚度，mm；A为试样底面积，mm2；ΔT为试样冷热面的温差，℃。

2 结果分析

对5种含不同玻璃纤维和不含玻璃纤维的普通聚氨酯发泡材料进行了压缩强度和导热系数实验，并对其结果进行了对比分析。

2.1 压缩强度

实验得到不同材料压缩强度随玻璃纤维质量变化规律如图1所示。

图1 压缩强度与玻璃纤维质量分数的关系

由图1可知，随着玻璃纤维的掺入，聚氨酯发泡材料的压缩强度呈现先升高后降低的变化规律。其中，当玻璃纤维的质量分数为6%时，压缩强度达到最高值为0.174MPa。相比未添加玻璃纤维的条件，压缩强度值仅为0.147MPa，掺入玻璃纤维后的材料压缩强度增加了18.4%，说明玻璃纤维对材料起到了增强的作用。然而，当玻璃纤维含量继续增加时，压缩强度出现了明显的下降趋势，这也说明玻璃纤维对材料的增强有一定的影响范围。

根据上述结果可知，虽然玻璃纤维的加入改善了材料内部的组成结构，增加了材料的韧性。但是，当玻璃纤维增加到一定程度后，纤维与材料的整体性会降低，改善程度就会减弱。综合压缩强度实验结果可得出，当玻璃纤维质量分数在6%时，对聚氨酯发泡材料的力学性能改善效果最好。

2.2 导热性能

实验得到不同材料导热系数随玻璃纤维质量变化规律如图2所示。

图2 导热系数与玻璃纤维质量分数的关系

由图2可知，随着玻璃纤维在聚氨酯发泡材料中质量分数的增加，导热系数呈先降低后增加的趋势，但均满足聚氨酯发泡材料对导热系数的基本要求。当玻璃纤维的质量分数为6%时的导热系数最低，值为0.02W/m·K。未掺入玻璃纤维导热系数为0.023W/m·K，导热系数降低了13.0%，说明玻璃纤维的加入可以降低聚氨酯发泡材料的导热系数，提高保温性能。当玻璃纤维大于6%时，导热系数随之升高；当玻璃纤维质量分数达到10%时，试样比未掺入玻璃纤维的导热系数显著增加，达到0.026W/m·K，表明玻璃纤维加入到一定的范围时，玻璃纤维使得聚氨酯发泡材料内部的泡孔破裂，然后玻璃纤维填充了泡孔部位，使得导热系数增加。

因此，综合考虑压缩强度、导热系数实验结果，玻璃纤维的质量分数为6%时的性能最佳。

3 结语

在我国“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划的背景下，聚氨酯发泡材料在建筑节能方面具有巨大的开发前景。本文介绍了聚氨酯发泡材料的制备工艺，同时采用室内实验的方法对聚氨酯发泡材料性能进行了玻璃纤维增强，主要得到以下结论：

（1）玻璃纤维对聚氨酯发泡材料的力学性能和保温性能均有显著的提高。聚氨酯发泡材料的压缩强度随着玻璃纤维含量的增加呈现先增加后降低的变化趋势，导热系数则随着玻璃纤维含量的增加呈现先降低后增加的变化规律。

（2）当玻璃纤维的质量分数为6%时，纤维增强聚氨酯发泡材料的性能最佳，最大压缩强度为0.174MPa，增加了18.4%；增强后的材料导热系数可达0.02W/m·K。

（3）本文提出的玻璃纤维增强聚氨酯发泡材料的制备方法及性能参数，可为聚氨酯发泡材料的优化和建筑墙体中的应用提供参考。