林飛燕

（泉州市建設(shè)工程質(zhì)量安全站，福建 泉州 362000）

隨著我國2022年《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》的出臺，要求2025年基本形成綠色、低碳、循環(huán)的建設(shè)發(fā)展方式，對我國建筑質(zhì)量和建筑節(jié)能水平提出了更高的要求。建筑墻體保溫作為提高建筑節(jié)能效果的主要手段之一，保溫材料的物理性能、力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性和適用性直接影響了建筑節(jié)能水平。因此，研制一種保溫性能好、安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)適用的建筑墻體保溫材料具有重要工程意義和實(shí)用價值。

建筑墻體保溫材料主要分為無機(jī)保溫材料和有機(jī)保溫材料，目前應(yīng)用和研究重點(diǎn)是保溫性能更好的有機(jī)保溫材料[1]。但是，傳統(tǒng)的有機(jī)保溫材料存在易燃、耐久性低、價格昂貴和力學(xué)性能差等問題，為此各國學(xué)者針對有機(jī)保溫材料在建筑墻體中的應(yīng)用開展了大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)[2]。在有機(jī)保溫材料中，發(fā)泡材料具有良好的物理力學(xué)性能，優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在質(zhì)輕、熱導(dǎo)率低、耐久性能好等方面，成為建筑節(jié)能和綠色建筑重點(diǎn)研究方向。其中，又以聚氨酯發(fā)泡材料為主，因其質(zhì)量輕、使用壽命長、導(dǎo)熱系數(shù)在現(xiàn)有材料中最低等優(yōu)點(diǎn)，目前在建筑墻體保溫市場中占據(jù)很大的份額[3-4]。然而，聚氨酯泡沫的生產(chǎn)成本通常較高，同樣存在易燃、力學(xué)性能無法滿足外墻保溫的應(yīng)用要求等不足。這些不足使聚氨酯泡沫在建筑墻體保溫節(jié)能的應(yīng)用，特別是外墻保溫中受到較大的限制。目前有學(xué)者對聚氨酯發(fā)泡材料的性能進(jìn)行了改進(jìn)，并提出了配置方法，例如，王大壯等[5]應(yīng)用秸稈纖維增強(qiáng)聚氨酯保溫材料；崔峻[6]提出采用短切碳纖維對聚氨酯泡沫進(jìn)行改進(jìn)；魏建國[7]等提出采用長玻璃對硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料進(jìn)行增強(qiáng)，獲得了材料的力學(xué)指標(biāo)及影響材料性能的主要因素。但是，由于原材料的不同和在實(shí)際工程中的應(yīng)用推廣較少，目前仍未根本解決聚氨酯材料在建筑墻體保溫中的應(yīng)用問題，纖維增強(qiáng)聚氨酯材料在建筑墻體中的應(yīng)用尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

因此，本文通過采用玻璃纖維材料對聚氨酯發(fā)泡材料進(jìn)行增強(qiáng)，在保障其保溫性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化力學(xué)性能。最終，提出纖維增強(qiáng)聚氨酯發(fā)泡材料的研制方法，并對其物理力學(xué)性能進(jìn)行了測試，可為類似材料的制備和應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 主要原材料及儀器

制備聚氨酯發(fā)泡材料的主要原材料為：多亞甲基多苯基多異氰酸酯（煙臺萬華），聚醚多元醇，泡沫穩(wěn)定劑為硅油，發(fā)泡劑為五氟丁烷（HFC-365MFC）、高活性催化劑為五甲基二乙烯三胺和二甲基環(huán)己胺。另外，還需要準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)用的脫模劑和水。

材料增強(qiáng)用的纖維為短切玻璃纖維，實(shí)驗(yàn)用的玻璃纖維長度一般控制在0.8cm～1.2cm范圍內(nèi)，纖維直徑為10μm～12μm。

制備玻璃纖維增強(qiáng)的聚氨酯發(fā)泡材料還需要以下設(shè)備，見表1。

表1 制備材料的主要設(shè)備

1.2 材料制備

玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯發(fā)泡材料的制備與傳統(tǒng)聚氨酯發(fā)泡材料制備的區(qū)別在于摻入玻璃纖維。其中，增強(qiáng)材料最基本的原則是要保證不影響聚氨酯發(fā)泡材料的保溫性能，因此，玻璃纖維的含量不能隨意添加，需要根據(jù)配置后增強(qiáng)材料的導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果來調(diào)整玻璃纖維的摻量。通過多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維在2%～10%范圍內(nèi)可滿足導(dǎo)熱系數(shù)的需求。因此，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%、8%、10%的玻璃纖維配置增強(qiáng)材料，然后再對摻入玻璃纖維前后的材料性能進(jìn)行分析。

玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯發(fā)泡材料的制備流程如下：

（1）按照聚氨酯發(fā)泡材料的制作原則，首先，將一定質(zhì)量的聚醚多元醇、發(fā)泡劑HFC-365MFC、催化劑和硅油放置在塑料杯中，配置若干份；然后，分別向上述原料中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%、8%、10%的玻璃纖維和水，將其在電動攪拌器作用下充分混合均勻。

（2）按照配方取步驟（1）中相同份數(shù)的多亞甲基多苯基多異氰酸酯，然后將其迅速倒入（1）中的混合物中，同樣也放入電動攪拌器中充分?jǐn)嚢?min，直至出現(xiàn)乳白現(xiàn)象。

（3）將攪拌均勻并出現(xiàn)乳白現(xiàn)象的混合物倒入模具中，需要注意的是，用于壓縮強(qiáng)度測試的倒入100mm×100mm×50mm的模具，導(dǎo)熱系數(shù)測試的倒入300mm×300mm×30mm的模具。等待混合物在模具中進(jìn)行發(fā)泡、固化等一系列的反應(yīng)完成后，并達(dá)到一定的硬化程度后拆除模具，最后將試樣放入電熱鼓風(fēng)干燥箱，保持溫度在80℃進(jìn)行熟化后取出，試樣制備完成。

1.3 性能測試方法

為了獲得玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯發(fā)泡材料的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，本文主要對其壓縮強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測試。其中，壓縮性能測試主要依據(jù)《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮性能的測定》（GB/T8813-2020）中的規(guī)定[8]，設(shè)計(jì)不同玻璃纖維含量的聚氨酯發(fā)泡材料試樣各5個，試樣規(guī)格為100mm×100mm×30mm的正四棱柱，最后再將試樣放置在微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，采用下式計(jì)算試樣的壓縮強(qiáng)度值，取5個試樣壓縮強(qiáng)度的平均值作為最終壓縮強(qiáng)度值。

式中σ為壓縮強(qiáng)度，MPa；F為相對形變小于15%的最大壓縮力，N；A為試樣的橫截面積，mm2。

目前，導(dǎo)熱系數(shù)的測試方法較多，本文采用的導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)方法主要是基于雙向平板法測試原理，然后采用專用的導(dǎo)熱系數(shù)測定儀進(jìn)行測試。試樣尺寸為300mm×300mm×15mm的長方體，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)和傳熱學(xué)基本原理，導(dǎo)熱系數(shù)可通過下式進(jìn)行計(jì)算。每組試塊測試3次后，取算數(shù)平均值作為最終導(dǎo)熱系數(shù)。

式中λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；Q為熱流，J；L為試樣厚度，mm；A為試樣底面積，mm2；ΔT為試樣冷熱面的溫差，℃。

2 結(jié)果分析

對5種含不同玻璃纖維和不含玻璃纖維的普通聚氨酯發(fā)泡材料進(jìn)行了壓縮強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)，并對其結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

2.1 壓縮強(qiáng)度

實(shí)驗(yàn)得到不同材料壓縮強(qiáng)度隨玻璃纖維質(zhì)量變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 壓縮強(qiáng)度與玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由圖1可知，隨著玻璃纖維的摻入，聚氨酯發(fā)泡材料的壓縮強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的變化規(guī)律。其中，當(dāng)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時，壓縮強(qiáng)度達(dá)到最高值為0.174MPa。相比未添加玻璃纖維的條件，壓縮強(qiáng)度值僅為0.147MPa，摻入玻璃纖維后的材料壓縮強(qiáng)度增加了18.4%，說明玻璃纖維對材料起到了增強(qiáng)的作用。然而，當(dāng)玻璃纖維含量繼續(xù)增加時，壓縮強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的下降趨勢，這也說明玻璃纖維對材料的增強(qiáng)有一定的影響范圍。

根據(jù)上述結(jié)果可知，雖然玻璃纖維的加入改善了材料內(nèi)部的組成結(jié)構(gòu)，增加了材料的韌性。但是，當(dāng)玻璃纖維增加到一定程度后，纖維與材料的整體性會降低，改善程度就會減弱。綜合壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出，當(dāng)玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6%時，對聚氨酯發(fā)泡材料的力學(xué)性能改善效果最好。

2.2 導(dǎo)熱性能

實(shí)驗(yàn)得到不同材料導(dǎo)熱系數(shù)隨玻璃纖維質(zhì)量變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 導(dǎo)熱系數(shù)與玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

由圖2可知，隨著玻璃纖維在聚氨酯發(fā)泡材料中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，導(dǎo)熱系數(shù)呈先降低后增加的趨勢，但均滿足聚氨酯發(fā)泡材料對導(dǎo)熱系數(shù)的基本要求。當(dāng)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時的導(dǎo)熱系數(shù)最低，值為0.02W/m·K。未摻入玻璃纖維導(dǎo)熱系數(shù)為0.023W/m·K，導(dǎo)熱系數(shù)降低了13.0%，說明玻璃纖維的加入可以降低聚氨酯發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)，提高保溫性能。當(dāng)玻璃纖維大于6%時，導(dǎo)熱系數(shù)隨之升高；當(dāng)玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時，試樣比未摻入玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)顯著增加，達(dá)到0.026W/m·K，表明玻璃纖維加入到一定的范圍時，玻璃纖維使得聚氨酯發(fā)泡材料內(nèi)部的泡孔破裂，然后玻璃纖維填充了泡孔部位，使得導(dǎo)熱系數(shù)增加。

因此，綜合考慮壓縮強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時的性能最佳。

3 結(jié)語

在我國“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃的背景下，聚氨酯發(fā)泡材料在建筑節(jié)能方面具有巨大的開發(fā)前景。本文介紹了聚氨酯發(fā)泡材料的制備工藝，同時采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法對聚氨酯發(fā)泡材料性能進(jìn)行了玻璃纖維增強(qiáng)，主要得到以下結(jié)論：

（1）玻璃纖維對聚氨酯發(fā)泡材料的力學(xué)性能和保溫性能均有顯著的提高。聚氨酯發(fā)泡材料的壓縮強(qiáng)度隨著玻璃纖維含量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，導(dǎo)熱系數(shù)則隨著玻璃纖維含量的增加呈現(xiàn)先降低后增加的變化規(guī)律。

（2）當(dāng)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時，纖維增強(qiáng)聚氨酯發(fā)泡材料的性能最佳，最大壓縮強(qiáng)度為0.174MPa，增加了18.4%；增強(qiáng)后的材料導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)0.02W/m·K。

（3）本文提出的玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯發(fā)泡材料的制備方法及性能參數(shù)，可為聚氨酯發(fā)泡材料的優(yōu)化和建筑墻體中的應(yīng)用提供參考。