張小博，劉海萍（燕京理工學(xué)院，河北 三河　065201）

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水滑石/鈷沸石-聚苯乙烯復(fù)合阻燃保溫材料的制備與性能研究

張小博，劉海萍
（燕京理工學(xué)院，河北 三河065201）

采用預(yù)混法制備以水滑石/鈷沸石為骨料的EPS復(fù)合阻燃保溫材料，通過(guò)偏光顯微鏡、TEM、沖擊試驗(yàn)機(jī)和差示掃描量熱儀等對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，EPS復(fù)合阻燃保溫材料被粉體均勻包覆，燃燒后具有高比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)，分解溫度提高到了360℃；當(dāng)水滑石/鈷沸石含量為20%時(shí)，EPS復(fù)合阻燃保溫材料的性能達(dá)到最優(yōu)，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.029 W/（m·K），自熄時(shí)間為1.1 s，沖擊強(qiáng)度為10.96 kJ/m2，抗壓強(qiáng)度達(dá)到309 kPa。

水滑石/鈷沸石；聚苯乙烯；復(fù)合阻燃材料；保溫性能

0　前言

聚苯乙烯泡沫塑料因具有隔熱、隔聲、耐低溫等優(yōu)點(diǎn)，在建筑、制冷、包裝等行業(yè)廣泛用做隔熱、隔聲、保溫、防震材料等［1-2］。聚苯乙烯（PS）作為保溫材料性能優(yōu)異，在建筑外墻外保溫中應(yīng)用非常廣泛，其保溫效果良好，施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低。但未經(jīng)阻燃處理的PS氧指數(shù)（LOI）均為18%左右，極易燃燒，而且墻體整體性差，因此將PS用于外墻保溫泡沫塑料時(shí)必須進(jìn)行阻燃處理，并且需進(jìn)行增強(qiáng)與墻體的整體性［3］。PS阻燃改性目前主要采用本體阻燃、鹵系阻燃、磷系阻燃、膨脹阻燃及黏土阻燃等方法［4-7］。

本文采用廢棄聚苯乙烯泡沫塑料為原料，以水滑石/鈷沸石為復(fù)合骨料，研究了復(fù)合阻燃劑對(duì)EPS材料性能的影響，且通過(guò)復(fù)配得到具有優(yōu)良防火性能的聚苯乙烯復(fù)合阻燃保溫材料。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1原材料

氫氧化鎂、氫氧化鋁，分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠；水鎂石纖維，工業(yè)級(jí)，直徑為0.54～0.86μm，石家莊天源礦業(yè)有限公司；苯丙乳液，工業(yè)級(jí)，河北日出化工有限公司；水滑石，自制；鈷沸石阻燃協(xié)效劑，自制；廢棄發(fā)泡聚苯乙烯，粒徑2～3mm。

1.2樣品的制備

將廢棄聚苯乙烯顆粒、氫氧化鎂、氫氧化鋁、水滑石、鈷沸石阻燃協(xié)效劑和水鎂石纖維按配比稱量，混合均勻后加入苯丙乳液，高速攪拌至再次混合均勻，將混合均勻的共混物放入尺寸為20 cm×10 cm×4 cm的模具中，采用壓力機(jī)在50℃下壓制成型后取出，室溫干燥陳化，得到聚苯乙烯復(fù)合阻燃板材。

1.3樣品性能表征

用偏光顯微鏡和掃描電鏡觀察復(fù)合材料燃燒后的微觀形貌；參照GB/T 2408—2008《塑料 燃燒性能的測(cè)定 水平法和垂直法》中的水平燃燒法測(cè)試復(fù)合材料的阻燃性能；采用沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度；采用差示掃描量熱儀測(cè)試復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，升溫速度為10℃/min；導(dǎo)熱系數(shù)按GB/T 3399—1982《塑料導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)方法 護(hù)熱平板法》進(jìn)行測(cè)試；抗壓強(qiáng)度按GB/T 8813—2008《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮性能的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。

2　結(jié)果與討論

2.1正交實(shí)驗(yàn)

采用4因素3水平正交試驗(yàn)研究水滑石/鈷沸石含量（按占聚苯乙烯顆粒質(zhì)量計(jì)，下同）、苯丙乳液含量、攪拌時(shí)間、加壓時(shí)間對(duì)EPS復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響，其中水滑石與鈷沸石的質(zhì)量比為90∶10。正交實(shí)驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及極差分析見(jiàn)表2。

表1　正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表2　正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及極差分析

由表2可知，影響EPS復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的主次順序?yàn)樗?鈷沸石含量＞苯丙乳液含量＞加壓時(shí)間＞攪拌時(shí)間。這是因?yàn)樗?鈷沸石本身的抗沖擊能力較強(qiáng)，但也應(yīng)適當(dāng)控制其加入量，否則會(huì)引起各原料間的混合均勻性而影響沖擊強(qiáng)度，所以應(yīng)合理控制水滑石/鈷沸石的用量，使材料性能達(dá)到最優(yōu)。

2.2水滑石/鈷沸石含量對(duì)EPS復(fù)合材料性能的

影響

固定m（聚苯乙烯顆粒）∶m（水鎂石纖維）∶m（氫氧化鎂）∶m（氫氧化鋁）=100∶10∶10∶20，研究水滑石/鈷沸石含量對(duì)EPS復(fù)合材料性能的影響。

2.2.1水滑石/鈷沸石含量對(duì)EPS復(fù)合材料

導(dǎo)熱系數(shù)的影響（見(jiàn)圖1）

圖1　水滑石/鈷沸石含量對(duì)EPS復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖1可知：隨著水滑石/鈷沸石含量的增加，EPS復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出緩慢增大的趨勢(shì)，在含量增大到25%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)增加幅度變大，這主要是由于水滑石/鈷沸石具有比EPS更大的導(dǎo)熱系數(shù)所致。當(dāng)水滑石/鈷沸石含量達(dá)到20%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.029 W/（m·K），相比純EPS而言增大并不明顯，這說(shuō)明承擔(dān)隔熱保溫的主體依然是發(fā)泡聚苯乙烯，水滑石/鈷沸石的加入在提高材料力學(xué)性能的同時(shí)并沒(méi)有顯著降低復(fù)合材料的保溫性能。

2.2.2水滑石/鈷沸石對(duì)EPS復(fù)合材料燃燒性能的影響

水滑石/鈷沸石含量對(duì)EPS復(fù)合材料離火自熄時(shí)間的影響見(jiàn)圖2，對(duì)燃燒火焰高度的影響見(jiàn)表3。

由圖2可知，隨水滑石/鈷沸石含量的增加，離火自熄時(shí)間逐漸下降。這是因?yàn)樽枞紕┑奶砑悠茐牧薊PS表面的規(guī)整性，促進(jìn)了聚合物的熱解反應(yīng)，縮短了自熄時(shí)間，而且，阻燃劑在較低溫度下受熱分解產(chǎn)生的不燃性氣體也具有抑制點(diǎn)燃的作用。

由表3可知，與純發(fā)泡聚苯乙烯產(chǎn)品相比，EPS復(fù)合材料呈現(xiàn)出較低的火焰燃燒高度，說(shuō)明水滑石/鈷沸石顆粒的引入大大降低了EPS復(fù)合材料的可燃性。這主要是由于無(wú)機(jī)顆粒具有不燃性，當(dāng)被引入復(fù)合體系時(shí)，可對(duì)復(fù)合材料燃燒過(guò)程起到熱量稀釋及阻隔的作用。

圖2　水滑石/鈷沸石含量對(duì)EPS復(fù)合材料離火自熄時(shí)間的影響

表3　水滑石/鈷沸石含量對(duì)EPS復(fù)合材料燃燒火焰高度的影響

2.2.3水滑石/鈷沸石含量對(duì)EPS復(fù)合材料力學(xué)性能的影響（見(jiàn)圖3）

圖3　水滑石/鈷沸石含量對(duì)EPS復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

由圖3可知，EPS本身具有一定的強(qiáng)度，水滑石/鈷沸石顆粒本身的抗壓強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度較EPS基體要強(qiáng)，因此，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度隨著水滑石/鈷沸石的加入而提高。

2.3EPS復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性能

選擇水滑石/鈷沸石含量為聚苯乙烯顆粒質(zhì)量的20%，其它材料摻量不變，EPS復(fù)合材料的熱失重曲線見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，添加水滑石/鈷沸石后材料的熱分解溫度接近360℃，而純EPS在330℃即開(kāi)始分解，熱穩(wěn)定性得到了提高，復(fù)合材料在500℃左右有機(jī)部分基本分解完全，體系中殘存的僅是添加的無(wú)機(jī)材料。綜合復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和自熄時(shí)間可以得出，加入水滑石/鈷沸石不僅提高了EPS的熱分解穩(wěn)定性，而且也顯著提高了EPS復(fù)合材料的阻燃性能。

圖4　EPS復(fù)合材料的熱失重曲線

2.4EPS復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)

選擇水滑石/鈷沸石含量為聚苯乙烯顆粒質(zhì)量的20%，其它材料摻量不變，EPS復(fù)合材料分散的偏光顯微鏡照片見(jiàn)圖5（a），燃燒后的TEM照片見(jiàn)圖5（b）。

圖5　EPS復(fù)合材料的偏光顯微鏡照片和TEM照片

從圖5（a）可以看出，EPS復(fù)合材料被粉體均勻包覆，分散均勻，泡為閉孔結(jié)構(gòu)，泡孔分布均勻，排列規(guī)整且?guī)缀鯖](méi)有缺陷；而從圖5（b）可見(jiàn)，水滑石/鈷沸石在燃燒后具有高比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)，這有助于包裹EPS材料，起到了隔絕阻燃的作用。

3　結(jié)論

（1）水滑石/鈷沸石的含量增加到20%時(shí)，EPS復(fù)合材料的性能最優(yōu)，此時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.029 W/（m·K），自熄時(shí)間為1.1 s，沖擊強(qiáng)度為10.96 kJ/m2，抗壓強(qiáng)度達(dá)到309 kPa，體現(xiàn)出良好的阻燃保溫性能和較強(qiáng)的力學(xué)性能。

（2）添加水滑石/鈷沸石后復(fù)合材料的熱分解溫度接近360℃，在500℃左右有機(jī)部分基本分解完全，相比較純EPS在330℃即開(kāi)始分解，熱穩(wěn)定性得到了提高。

（3）EPS復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)顯示，EPS材料被粉體均勻包覆且分散均勻，在燃燒后材料具有高比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)，有助于包裹EPS材料，起到了隔絕阻燃的作用。

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［3］霍莉莉，王月月，焦傳梅，等.聚苯乙烯泡沫保溫材料的燃燒性能及熱解動(dòng)力學(xué)［J］.青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，34（5）：501-502.

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Research on properties and preparation of expanded composite hydrotalcite/cobalt zeolite-polystyrene flame retardant insulation materials

ZHANG Xiaobo，LIU Haiping
（Yanching Institute of Technology，Sanhe 065201，China）

EPS composite flame retardant insulation materials was prepared using premixing method with expanded hydrotalcite/cobalt zeolite as aggregate.The samples obtained were characterized by polarized light microscopy，TEM，impact testing machine and differential scanning calorimeter.The results show that，EPS was uniformly coated with powder；the composite material has high specific surface area and pore structure after burning；the decomposition temperature of the material increased to 360℃.With the expanded hydrotalcite/cobalt zeolite content increased to 20%，the material achieved optimal performance.Under this condition，the thermal conductivity is 0.029 W/（m·K），the self extinguishing time is 1.1 s，the impact strength is 10.96 kJ/m2and the compressive strength is 309 kPa.

hydrotalcite/cobalt zeolite，PS，composite flame retardant material，heat insulation

TU55

A

1001-702X（2016）06-0079-03

河北省教育廳青年基金項(xiàng)目（QN2015309）

2015-12-24；

2016-02-24

張小博，男，1979年生，山西臨汾人，碩士，副教授，主要從事無(wú)機(jī)/有機(jī)高分子合成與研究。地址：河北省三河市燕郊經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)迎賓北路45號(hào)，E-mail：zxb_1015@163.com。