楊美玲

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州545616)

新型低能耗環(huán)保建筑材料是以節(jié)約能源、降低能耗為出發(fā)點(diǎn)研制的一種新型建筑材料，可在有效提升建筑保溫效果的同時(shí)降低建筑能耗，其應(yīng)用十分廣泛［1-3］。而由于極端熱濕地區(qū)的溫度值和濕度值常年處于一個(gè)較高狀態(tài)，因此在該種氣候條件下，會(huì)嚴(yán)重影響新型低能耗環(huán)保建筑材料的熱濕性能，降低建筑節(jié)能、保溫效果［4］。因此，為了解我國(guó)極端熱濕地區(qū)的建筑材料受該地?zé)釢駳夂虻挠绊?，進(jìn)行老化試驗(yàn)研究。老化試驗(yàn)是一種有效評(píng)價(jià)材料耐老化性能及老化規(guī)律受環(huán)境影響的手段。老化試驗(yàn)主要分為自然老化試驗(yàn)和人工老化試驗(yàn)兩種，本文采用人工老化試驗(yàn)，即在室內(nèi)條件下或設(shè)備內(nèi)通過(guò)模擬特定大氣環(huán)境條件，強(qiáng)化影響因素，以便在短期內(nèi)獲取結(jié)果［5-7］。選取一種質(zhì)量小、成本低、保溫性能優(yōu)異、且在建筑外墻保溫工程中應(yīng)用較為廣泛的擠塑聚苯乙烯泡沫板（XPS）為試驗(yàn)用新型低能耗環(huán)保建筑材料，通過(guò)熱濕老化試驗(yàn)研究材料性能［8］。

1 材料方法

1.1 材料

擠塑聚苯乙烯泡沫板（XPS），北京天理合興保溫建材有限公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品預(yù)處理

將試驗(yàn)材料制成尺寸大小為35mm×25mm×10mm的樣品，按照GB/T 9995-1997 方法，將樣品置于溫度為105℃±2.2℃的烘箱中，烘至恒重后置于干燥器皿內(nèi)備用［9］。

1.2.2 加速熱濕老化

將烘干后的試驗(yàn)樣品置于老化試驗(yàn)箱中，試驗(yàn)箱中溶液分別為離子水溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5% 的氯化鈉溶液（除動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)外，其余試驗(yàn)的熱濕老化溶液均僅為離子水溶液）［10］。試驗(yàn)控制相對(duì)濕度為92%，溫度分別為35 ℃、85 ℃；在老化時(shí)間分別為0、200h、400h、600h、800h、1000h、1200h、1400h 的時(shí)間段分別取樣稱重測(cè)試。

1.2.3 吸濕率測(cè)量

用iW表示烘至恒重的樣品質(zhì)量，tW用表示置于熱濕老化試驗(yàn)箱中一段時(shí)間后取出的樣品吸取表面附著水分后的質(zhì)量。樣品在時(shí)間t內(nèi)的吸濕率tP的計(jì)算方式為：

1.2.4 拉伸性能測(cè)試

對(duì)熱濕老化后的樣品采取隨機(jī)取樣方式稱重后，根據(jù)GB/T 14337-2010 拉伸性能試驗(yàn)方法，選取XQ-1C強(qiáng)度拉伸儀進(jìn)行熱濕老化樣品拉伸性能測(cè)試［11-12］。

1.2.5 壓縮性能測(cè)試

熱濕老化處理完樣品后，依照GB/T 1453-2013、GB/T 1454-2013 分別對(duì)樣品實(shí)施平壓測(cè)試和側(cè)壓測(cè)試。各取5 個(gè)樣品測(cè)試取平均值［13］。平壓強(qiáng)度FCS 和側(cè)壓強(qiáng)度ECS 的計(jì)算表達(dá)式如下：

式（2）、（3）中，F(xiàn)、A分別表示破壞荷載、樣品橫截面積。

1.2.6 阻燃元素含量和極限氧指數(shù)測(cè)定

利用氧氣富足的氧彈量熱計(jì)氧化處理樣品，利用超純水處理吸收后置于50mL 容量瓶中進(jìn)行定容，采用DX-600 離子色譜儀分析吸收液中的阻燃元素含量。

采用氧指數(shù)儀，依據(jù)GB/T 2406.6 測(cè)試熱濕老化后樣品的極限氧指數(shù)。

1.2.7 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試

試驗(yàn)采用DATM V 型動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析儀測(cè)定樣品熱力學(xué)性能。利用三點(diǎn)彎曲變形模式獲取玻璃化轉(zhuǎn)變溫度gT，試驗(yàn)頻率、振幅和升溫速率大小分別為1Hz、8μm和3℃/min。將樣品的儲(chǔ)能模量E對(duì)應(yīng)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度gT視為樣品熱濕老化動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的判斷標(biāo)準(zhǔn)［14］。1.2.8 燃燒性能測(cè)試

采用錐形量熱儀測(cè)試熱濕老化樣品的燃燒行為，按照ISO 5660-2 實(shí)施樣品測(cè)試，輻照功率大小為80kW/m2。燃燒熱釋放速率越高表明樣品越容易燃燒，其作為建筑保溫材料的燃燒性能越差［15］。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱濕環(huán)境中吸濕特性分析

樣品在溫度為85℃、相對(duì)濕度為92% 的熱濕條件下的吸濕結(jié)果如圖1 所示。

圖1 樣品在熱濕環(huán)境中的吸濕情況Fig. 1 Moisture absorption of sample in hot and humid environment

分析圖1 可知，樣品在熱濕環(huán)境中的吸濕走向滿足Fick 第二定律，即老化初期，樣品吸濕率增加較為顯著，老化后期，樣品吸濕率增加速率減緩，最終達(dá)到飽和。

根據(jù)圖1 所示的樣品在熱濕環(huán)境中的吸濕走向的線性變化區(qū)域計(jì)算水在樣品中的擴(kuò)散系數(shù)，老化初期水在樣品中的擴(kuò)散系數(shù)表達(dá)式如下：

式（4）中，iP、mP分別表示樣品初始含濕率、平衡吸濕率，D表示擴(kuò)散系數(shù)，h表示溫度。

利用上式計(jì)算可知，樣品在溫度為85℃、相對(duì)濕度為92% 的熱濕條件下的平衡吸濕率為5.16%，水在樣品中的擴(kuò)散系數(shù)為1.66×10-6mm2/s。

2.2 拉伸性能分析

不同熱濕老化時(shí)間下的樣品抗拉強(qiáng)度情況，如圖2所示。

圖2 不同熱濕老化時(shí)間下的樣品抗拉強(qiáng)度Fig. 2 Tensile strength of samples under different heat and humidity aging time

從圖2 可以看出，隨著熱濕老化時(shí)間的增加，樣品的抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。原因在于濕氣分子進(jìn)入樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，打亂了樣品的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致樣品內(nèi)部交聯(lián)結(jié)構(gòu)降低，進(jìn)而影響樣品的抗拉強(qiáng)度。

2.3 壓縮性能分析

樣品熱濕老化前、后的平壓強(qiáng)度變化和壓縮性能變化結(jié)果如圖3 所示。

圖3 樣品熱濕老化前、后的平壓強(qiáng)度變化和壓縮性能變化情況Fig. 3 Changes of flat compression strength and compression performance of samples before and after thermal and wet aging

分析圖3 數(shù)據(jù)可知，隨著熱濕老化時(shí)間的增加樣品平壓強(qiáng)度和壓縮模量顯著降低。相比熱濕老化前，熱濕老化1200h 后，樣品平壓強(qiáng)度降低1.25MPa 左右，約為熱濕老化前的34.72%；壓縮模量降低3.0GPa 左右，約為熱濕老化前的54.55%。分析原因可知，水分子進(jìn)入樣品中后，與樣品分子鏈中的基團(tuán)結(jié)合形成范德華力，增加了分子鏈的寬度和體積，導(dǎo)致樣品平壓強(qiáng)度和壓縮模量降低。

樣品熱濕老化前、后的側(cè)壓強(qiáng)度變化結(jié)果如圖4 所示。

圖4 樣品熱濕老化前、后的側(cè)壓強(qiáng)度變化Fig. 4 Change of side pressure strength of sample before and after heat and humidity aging

從圖4 可以看出，隨著熱濕老化時(shí)間的增加，樣品的側(cè)壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。相較于熱濕老化前，熱濕老化1200h 后的樣品側(cè)壓強(qiáng)度降低4.5MPa 左右，約為熱濕老化前樣品的84.21%，下降幅度較小。分析產(chǎn)生該結(jié)果的原因可能在于，樣品在熱濕老化過(guò)程中，會(huì)形成新的內(nèi)部微裂紋，水分子的加入會(huì)在一定程度上對(duì)材料基體起到增塑作用，但是熱濕老化過(guò)程中，水分子還會(huì)導(dǎo)致樣品部分結(jié)構(gòu)脫落，降低內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的粘結(jié)強(qiáng)度，最終導(dǎo)致側(cè)壓強(qiáng)度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.4 阻燃元素含量和極限氧指數(shù)分析

2.4.1 阻燃元素含量分析

35℃和85℃環(huán)境熱濕老化后樣品的溴元素含量變化結(jié)果如圖5 所示。

圖5 溴元素含量變化情況Fig. 5 Change of bromine content

分析圖5 數(shù)據(jù)可知，伴隨熱濕老化時(shí)間的增加，兩種溫度環(huán)境下的樣品中溴元素的含量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。熱濕老化試驗(yàn)1200h 后，35℃和85℃環(huán)境下溴元素的含量由1.45% 分別下降至1.07% 和1.03%。結(jié)果表明，熱濕老化環(huán)境會(huì)導(dǎo)致樣品中阻燃劑溴元素流失，且溫度越高樣品中的溴元素流失越快。

2.4.2 極限氧指數(shù)分析

35℃和85℃環(huán)境熱濕老化后樣品的極限氧指數(shù)變化結(jié)果如圖6 所示。

圖6 樣品的極限氧指數(shù)變化情況Fig. 6 Change of limiting oxygen index of sample

分析圖6 可知，兩種溫度環(huán)境下，隨著熱濕老化時(shí)間的增加，樣品極限氧指數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。熱濕老化試驗(yàn)前，樣品極限氧指數(shù)為28.5%，熱濕老化200h 后，85℃環(huán)境下樣品極限氧指數(shù)驟然下降至26%，熱濕老化1200h 后極限氧指數(shù)降至25.5%。35℃環(huán)境下熱濕老化1200h 后，樣品極限氧指數(shù)為26.8%。結(jié)果表明，熱濕老化會(huì)降低樣品的極限氧指數(shù)，即降低樣品阻燃性能，且溫度越高，極限氧指數(shù)下降幅度越大。

2.5 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析

利用樣品的儲(chǔ)能模量E以及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg作為衡量樣品動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的指標(biāo)。表1、表2 分別為35℃和85℃熱濕老化試驗(yàn)條件下，熱濕老化時(shí)間對(duì)樣品的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響結(jié)果。

表1 35℃熱濕老化條件下的樣品動(dòng)態(tài)力學(xué)性能結(jié)果Table 1 Results of dynamic mechanical properties of samples under the condition of heat and humidity aging at 35℃

表2 85℃熱濕老化條件下的樣品動(dòng)態(tài)力學(xué)性能結(jié)果Table 2 Results of dynamic mechanical properties of samples under the condition of 85℃ heat and humidity aging

分析表1、表2 數(shù)據(jù)可知，伴隨熱濕老化時(shí)間的增加，樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以及室溫模量和高溫模量的大部分呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。當(dāng)熱濕老化溫度為35℃時(shí)（見表1），樣品浸泡在NaCl 溶液中和離子水溶液中的Tg和E相比熱濕老化試驗(yàn)前均有所降低，但熱濕老化溶液介質(zhì)的影響不顯著，且隨著熱濕老化時(shí)間的推移，Tg和E的變化沒(méi)有規(guī)律性。結(jié)果表明，當(dāng)熱濕老化溫度為35℃時(shí)，隨著熱濕老化時(shí)間的增加，樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和儲(chǔ)能模量有所下降，但影響效果不顯著。熱濕老化溶液介質(zhì)對(duì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和儲(chǔ)能模量影響不顯著。當(dāng)熱濕老化溫度為85℃時(shí)（見表2），Tg和E的降低趨勢(shì)相比于熱濕老化溫度為35℃時(shí)較為顯著，熱濕老化溶液介質(zhì)的影響效果不顯著，且沒(méi)有規(guī)律性。試驗(yàn)結(jié)果表明，高溫條件會(huì)顯著降低樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和儲(chǔ)能模量，原因在于高溫條件加快了樣品材料的吸水速率，增加吸水量，改變了樣品材料的基體增塑效應(yīng)，降低樣品材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和儲(chǔ)能模量；熱濕老化溶液介質(zhì)對(duì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和儲(chǔ)能模量的影響不顯著，說(shuō)明對(duì)樣品材料形成增塑效應(yīng)的是溶液中的水分子，溶液中其它介質(zhì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不大。

2.6 燃燒性能分析

利用錐形量熱儀器分別測(cè)試35℃、85℃熱濕老化環(huán)境下，熱濕老化時(shí)間為0h、600h、1200h 后的樣品熱釋放速率，結(jié)果如圖7、圖8 所示。

圖7 35℃下樣品熱釋放速率 圖8 85℃下樣品熱釋放速率 Fig. 7 Heat release rate Fig. 8 Heat release rate of sample at 35℃ of sample at 85 ℃

分析圖7、圖8 可知，伴隨燃燒時(shí)間的增加，三種熱釋放速率均呈現(xiàn)先增大到峰值后不斷減小趨勢(shì)。35 ℃熱濕老化環(huán)境下，隨著熱濕老化時(shí)間的增加，樣品的熱釋放速率峰值逐漸上升，由熱濕老化時(shí)間為0h 的400.0kW/m2，上升至熱濕老化時(shí)間為1200h 的448.0kW/m2； 85℃熱濕老化環(huán)境下，隨著熱濕老化時(shí)間的增加，樣品的熱釋放速率峰值由熱濕老化時(shí)間為0h 的400.0kW/m2，上升至熱濕老化時(shí)間為1200h 的472.0kW/m2。試驗(yàn)結(jié)果表明熱濕老化可使樣品速熱降解并生成易燃燒物質(zhì)參與燃燒過(guò)程，降低樣品燃燒性能，且熱濕老化溫度越高，樣品燃燒性能降低越快，原因在于熱濕老化導(dǎo)致阻燃劑游離樣品和樣品自身老化降解共同形成。

3 結(jié)論

（1）XPS 新型低能耗環(huán)保建筑材料在溫度為85℃、相對(duì)濕度為92% 的熱濕條件下的平衡吸濕率和擴(kuò)散系數(shù)分別為5.16%、1.66×10-6mm2/s。

（2）熱濕老化過(guò)程中，水分子進(jìn)入XPS 材料后通過(guò)水的增塑和濃度梯度干擾，降低XPS 材料的抗拉強(qiáng)度，壓縮強(qiáng)度和壓縮模量。

（3）熱濕老化會(huì)降低XPS 材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以及儲(chǔ)能模量E，隨著熱濕老化時(shí)間推移，溫度越高Tg、E降低越顯著，熱濕老化介質(zhì)對(duì)Tg、E的影響不顯著。