一种新型阻燃外墙外保温材料制备研究

丑洋



一种新型阻燃外墙外保温材料制备研究

丑洋

（陕西交通职业技术学院, 陕西西安 710018）

针对传统有机外墙保温材料易燃的缺陷，结合无机保温材料在导热和容重方面的优势，提出制备一种新型的阻燃外墙外保温材料。为验证该材料的最佳试验配比，采用正交试验方法，以轻质骨料、化学外加剂和粉煤灰、玻化微珠等作为原材料，以JG/T 158-2013作为标准，通过导热系数、抗压强度、干密度测试等方法对制备的保温材料性能进行测试。通过测试结果表明：当标准材料中轻质骨料10.5%、粉煤灰22%、硅灰16%、纤维0.25%的时候，制备的保温材料导热系数、抗压强度、容重分别为0.053 W/(m·K)、0.052 MPa、216 kg/m3，符合试验标准。通过干湿循环试验，对材料微观结构进行观察，发现试验前后材料为出现裂痕，由此说明在干湿交替下仍可保持较高强度。由此，通过上述的试验表明，制备的外墙外保温材料可行。

外墙外保温；阻燃材料；导热系数；干湿循环；正交试验

有机高分子材料作为三大核心材料之一，与传统的无机非金属材料和金属材料相比，具有易于成形、低密度、易于加工等优势，从而使得其被广泛的应用在生活中的各个领域，并成为了目前产量最大的一类化工材料。以2006-2014年的产量为例，我国高分子制产品平均每年以16%的速度增长，其中塑料、合成橡胶、涂料、胶黏剂等化工材料的产量更是位居全球首位[1]。但是，通过实际的应用发现，相对于传统的金属材料或非金属材料相比，有机高分子材料存在易燃的问题，在燃烧的时候其热释放速率很大，热值也很高，同时在燃烧的过程中，还经常会伴随着大量的烟气等问题[2-5]。由此引发重特大的火灾事故，给人们造成严重的经济损失。因此，赋予有机高分子材料阻燃的特性，成为目前需要解决和研究的一个重要问题。然而，在对阻燃材料进行研究过程中，面临诸多的挑战，如成本过高、性能恶化等问题，甚至在某些阻燃材料中出现部分毒性材料。为此，构建环境友好的阻燃材料成为目前研究的重点。本文则根据目前的研究现状，制备一种阻燃材料，并对该材料的性能进行测试。

1 实验部分

1.1 水泥

水泥作为制备的主要材料，选择由山东某水泥产生产的RSAC42.5 快硬硫铝酸盐水泥，该型号的水泥与传统的普通硅酸盐水泥相比，具有早期强度高、凝结硬化快的特点。主要成分见表1。

表1 RSAC42.5 水泥主要成分

1.2 粉煤灰

本试验选用的粉煤灰来自河南某获利电厂，具体成分如表2所示，符合国家制定的GB/1956-2005II级标准。

表2 粉煤灰相关指标

1.3 轻质骨料

1.3.1 空心微珠

空心微珠采用由山东潍坊圆友生产，具体物理指标见表3。

表3 空心微珠物理性能

1.3.2 EPS 颗粒

EPS 颗粒主要是通过聚苯乙烯颗粒发泡制成。通过发泡后，会形成蜂窝状的密闭孔。该课题具有导热系数低、吸收率低、防潮、防渗透等优点，从而被广泛的应用在保温材料中。具体性能见表4所示。

表4 EPS 颗粒性能

1.4 硅灰

研究表明，在混凝土中掺入硅灰，可填充水泥中存在的孔隙，从而达到保水的目的，可显著提高混凝土的耐冻融性、力学性能等。具体成分见表5所示。

表5 硅灰主要成分及含量

1.5 化学外加剂

本试验所使用的外加剂主要包括可再分散乳胶粉、聚丙烯纤维、HPMC、憎水剂等。

1.6 性能测试

对制备材料性能的测试，本文主要根据 JG/T 158-2013对保温材料的相关要求进行测试[6]，测试内容包括导热系数、抗拉强度、燃烧性能等级等。

1.6.1 导热系数

（导热系数是指当1 m厚的材料两测温度相差1 K的情况下，其单位时间和单位面积下所传递的总能量。对此，本试验采用 DRE-2C型号的导热系数测量仪对试件导热系数进行测试[7]。

1.6.2 抗压测试

将试件放在承压板上，然后以一定的速度加载负荷，直到试件被破坏为止，然后记录试件被破坏的载荷，从而求出抗压强度。

1.6.3 容重

将试件的浆料放入到模具中，在密封一段时间后，对试件烘干，然后称其质量和测量烘干后的体积，最后求解出容重。

2 实验配合比设计

2.1 单因素变化下的阻燃性能影响

2.1.1 EPS掺量对阻燃材料保温性能影响

在不同掺量下，保温材料的导热系数也在不断变化，从而间接影响到材料的保温性能。对此，本文选择2~5 mm的EPS颗粒配级，并在掺量下得到如图1所示的结果。

图1 不同EPS掺量下的保温材料导热系数

通过图1可以看出，随着EPS掺量的不断增多，材料的导热系数先减小后逐步增加的变化趋势。造成上述变化趋势的主要原因在于EPS的导热系数本身比较小，随着EPS掺量的增加，其导热系数自然减少，而在得到一定的量之后，EPS颗粒量增加，其中的无机凝胶不能将颗粒包住，从而使得材料中出现了太多的空气和孔隙，以此大大增加的其导热系数。因此，通过图1的结果看出，当EPS掺量保持在9%~10.5%的量的情况下，可以得到比较理想的导热系数。

2.1.2 空气微珠对阻燃材料保温性能影响

在轻骨料中，其不仅包括EPS颗粒，还包括空气微珠。探讨空气微珠对阻燃材料保温性能的影响具有重要的作用和价值。本文在维持轻质骨料体积不变的情况下，适当增加空气微珠体积。通过上述的方法可以得到以下的结果。

图2 空心微珠体积掺量对保温材料力学性能影响

通过上述的力学性能分析看出，随着空心微珠体积的不断增加，其力学性能也在不断的提高。而其力学性能之所以增加，其原因在于在加入空心微珠之后，其粘结力也逐步增加，从而导致其力学性能增加。而通过上述的分析也可以看出，当空心微珠在轻质骨料中的体积保持在30%的量最为合适。

2.1.3 粉煤灰对阻燃材料保温性能影响

在保证其他成分不变的情况下，分别加入不同量的粉煤灰，从而可以得到保温材料的抗压强度和导热系数。具体变化趋势见图3所示。

图3 粉煤灰掺量对保温材料性能的影响

通过上述的变化可以看出，随着掺量的增加，可以看出其抗压强度随着掺量的增加开始逐步增加，然后逐步减小。同时其导热系数却不断减少。造成该现象的原因粉煤灰的导热系数与水泥相比要小，同时其流动性加强，导致粉煤灰中的OH-增加，降低了强度。而通过上述的分析看出，当粉煤灰的比例在22%的时候，其抗压强度最高，此时掺量比较合适。

2.1.4 硅灰对阻燃材料保温性能影响

同样在保证其他成分量不变的情况下，加入一定量的硅灰，从而可以得到如图4所示的结果。

图4 硅灰掺量对保温材料性能的影响

通过上述的分析可以看出，随着硅灰的掺入，保温材料的干密度也在不断的减少，同时其导热系数先降低后增加。由此看出，当其量在16%的情况下，掺量最佳。

2.2 复合掺量配方比设计

根据相关的研究和正交试验法原理，选择轻质骨料、粉煤灰、硅灰、PP纤维作为正交试验的影响因素。其中EPS颗粒和空心微珠的体积比=7:3[8]。因此，根据正交实验法，设计如表6所示的正交实验表。

表6 正交实验表

3 结果与分析

3.1 正交试验结果

表7所示为正交实验结果。

由此，根据上述的正交实验可以看出，在第五组试验中，其热导系数最低，同时其抗压强度和容重满足标准的要求。

3.2 干湿循环测试

将上述得到的最佳配合比得到的材料进行将干湿循环测试，然后对得到的材料进行微观观察，从而可以得到如图1的前后对比结果。

表7 正交实验结果

（a）干湿循环试验前    （b)干湿循环试验后

通过上述的微观结构看出，通过干湿循环试验后，其无机基体部分没有任何的损坏，从而说明经过干湿交替后没有出现任何的变化和影响，仍保持高强度。

4 结论

通过上述的试验看出，其强高度之所以保持不变，是因为在材料中加入了水泥，从而大大提高了材料的强度。而在水泥中，包含氢氧化钙等物质，从而在材料中形成水泡，并形成网状结构，从而提高了材料的强度。同时，在保温材料中还加入PP纤维，以此形成网络结构，提高保温板的力学性能。另外，由于在材料中形成了密闭的气泡，从而阻碍了热气体的交换，以此阻断了热交换，提高了保温效果。由此可以看出，通过本文的试验设计的保温材料可行。

［1］吴鸿飞. 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的阻燃性能研究进展[J].广州化工,2015,23:59-61.

［2］王玉忠,陈力. 新型阻燃材料[J]. 新型工业化,2016,01:38-61.

［3］杨保平,陈碧碧,郭军红,崔锦峰,李军. 新型本质阻燃高分子材料研究进展[J]. 化工新型材料,2014,08:26-28.

［4］潘鑫波. 建筑外墙保温技术及保温材料发展综述[J]. 江西建材, 2015, 08:15+18.

［5］陈朝俊. 建筑外墙保温材料阻燃剂现状及发展趋势[J]. 消防技术与产品信息,2015,12:52-54.

［6］2013年12月开始实施的工程建设标准[J]. 四川建筑,2014,02:123.

［7］Nyers Jozsef, Kajtarb Laszlo, Tomi Slavica, et al. Investment- savings method for energy-economic optimization of external wall thermal insulation thickness[J]. Energy and Buildings, 2015, (86): 268-274.

［8］刘元珍, 胡凤丽, 乔稳超, 姜鲁. 玻化微珠保温砂浆冻融后拉伸黏结强度的试验研究[J]. 混凝土, 2016, 03:123-125.

Research on Preparation of a New Flame Retardant Exterior Insulation Material

（Shaanxi College of Communication Technology , Shaanxi Xi’an 710018, China）

Aiming at the flammability defect of traditional organic exterior insulation materials, combined with the advantages of thermal insulation and bulk density of inorganic thermal insulation materials, a novel flame retardant exterior insulation material was prepared. Taking JG/T 158-2013 as the standard, orthogonal test method was adopted to determine the best ratio of the materials including light aggregate, chemical admixture and fly ash, vitrified microspheres. Thermal conductivity test, compressive strength test, dry density test and other methods were used to test the properties of prepared insulation materials. The results showed that the thermal conductivity, compressive strength and bulk density of the thermal insulation material prepared with10.5% light aggregate, 22% fly ash, 16% silica fume and 0.25% fibre were 0.053 W/(m•K), 0.052 MPa and 216 kg/m3, which were in line with the test standards. Through the wet-dry cycle test, the microstructure of the material was observed, and the cracks were found in the material before and after the test, which indicated that high strength could be maintained under the wet-dry alternation. Thus, the above tests show that the preparation method of outer wall insulation material is feasible.

Exterior wall thermal insulation; Flame retardant material; Thermal conductivity; Wet and dry cycle; Orthogonal test

TU 111.4

A

1671-0460（2017）08-1517-04

2017-01-09

丑洋（1980-），男，陕西丹凤人，高级工程师，硕士，2002年毕业于西北农林科技大学农业水利工程专业，研究方向：从事基建工程，造价、招投标管理工程。E-mail：chouyang456@126.com。