有机泡沫保温材料的研究现状

时间：2024-05-19

熊煦　袁青青　葛雪峰　张秀

【摘要】有机泡沫保温材料由于其独特的性能，因而被广泛应用于各个领域。本文主要概述了有机保温材料的基本情况，重点介绍了聚氨酯泡沫材料、聚苯乙烯泡沫材料、酚醛泡沫材料的研究现状。

【关键词】有机；泡沫；保温材料；研究现状

有机泡沫材料自20世纪40年代问世以来，由于其具有诸多优异性能，如能量吸收性能好、密度低、吸声性能好等，在金属电极、吸附材料、结构材料、能量吸收材料、化工生产、房屋建筑等领域均获得广泛的应用。[1-2]。我国的建筑业是一个巨大的产业，在这个巨大的产业中，节能就显得相当重要了，使用有机泡沫保温材料就是一种直接有效的节能方法。目前应用比较多的有机泡沫保温材料主要有聚氨酯、聚苯乙烯、酚醛泡沫塑料等，隨着保温材料使用的迅速发展，传统有机泡沫保温产品已不能满足社会和工业需求。近年来保温材料不断升级，新型有机泡沫保温材料应运而生，有机泡沫保温材料的组成体系日益完善，性能更加优异。

1 聚氨酯泡沫保温材料

聚氨酯泡沫材料可分为硬质泡沫塑料、软质泡沫塑料、半硬质泡沫塑料等，其中聚氨酯硬泡材料以其卓越的保温隔热性能[3]，自20世纪90年代以来大量用于冰箱、管道、冷库、建筑屋面等保温材料，在提高人民生活水平、节能保温等方面发挥着重要作用。

近年来我国逐步推广应用于房屋建设中，以其轻质、绝热、防水等优异性能，代替了传统的隔热、保温、防水方法，特别适合于现浇混凝土坡屋面，为现浇混凝土坡屋面保温、防水、节能提供了一条可靠的施工方法[4]。目前我国现大力提倡节能环保，研究开发阻燃、耐热、环保型聚氨酯泡沫塑料保温材料将是亟待解决的课题。

糜婧等[5]采用手工一步发泡法，比较了4 种不同液体含磷阻燃剂甲基膦酸二甲酯、磷酸三（β-氯异丙基）酯、二甲基膦酸丙酯及膦酸二甲酯1201对硬质聚氨酯泡沫塑料的阻燃效果和抑烟效果的影响。研究表明，膦酸二甲酯1201的阻燃，抑烟效果最好，添加膦酸二甲酯1201的试样其氧指数从纯硬质聚氨酯泡沫塑料的19.5%提高到了25.7%，单位质量的烟密度等级也较纯硬质聚氨酯泡沫塑料降低了12.3%，有效地提高了硬质聚氨酯泡沫材料的阻燃性能。

梁克瑞[6]以聚磷酸铵/氢氧化铝复配阻燃剂制备了聚氨酯泡沫塑料，研究了阻燃剂用量及复配方式对聚氨酯硬质泡沫塑料阻燃性能和力学性能的影响。结果显示，聚磷酸铵/氢氧化铝复配阻燃剂阻燃效果优于单一阻燃剂，阻燃剂添加量达30份时，其压缩强度为0.12MPa，泡沫氧指数为34%，烟密度为67，材料的阻燃性能达国标B2级。

刘凤娇等[7]以多元醇、异氰酸酯、发泡剂等添加剂为原料，并加入含卤结构型阻燃聚醚多元醇，制备出阻燃硬质聚氨酯泡沫塑料，考察了配方中阻燃多元醇及发泡剂水的用量对硬质聚氨酯泡沫塑料的阻燃等性能的影响。研究结果表明，阻燃聚醚多元醇能显著提高硬质聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能，氧指数随着其用量的增加而增大，水发泡剂的用量直接影响硬质聚氨酯泡沫塑料的密度、力学性能和阻燃性能。

何金迎等[8]采用一步法合成聚氨酯硬质泡沫塑料，考察了延迟性三乙烯二胺型催化剂对聚氨酯塑料发泡体系的发泡时间、表观密度、热稳定性能、力学性能等的影响。随着延迟性三乙烯二胺型催化剂用量的增加，发泡时间缩短，表观密度先下降后提高。压缩性能、弯曲性能随着延迟性三乙烯二胺型催化剂含量增加逐渐降低，制品热稳定性提高。

张志敏等[9]以珍珠岩为填料制备了聚醚型硬质聚氨酯泡沫材料，研究了珍珠岩的填充量，珍珠岩粒径对硬质聚氨酯泡沫板材的机械性能及导热性能的影响。研究结果显示珍珠岩的最佳填充量可达40%。通过加入阻燃剂TCPP 和DMMP 等，提高了珍珠岩填充硬质聚氨酯泡沫保温板的阻燃性能，材料的最佳氧指数可达到34.1%。

2 聚苯乙烯泡沫保温材料

聚苯乙烯泡沫是目前使用最普遍的保温隔热材料之一。它具有质轻、吸水性小、保温隔热性能良好、吸声良好、价格低廉等优点，可制成建筑和冷库用保温隔热泡沫塑料板和泡沫塑料夹心复合板。由于聚苯乙烯泡沫板及其复合材料价格低廉、绝热性能好而成为外墙绝热及饰面系统的首选绝热材料。聚苯乙烯泡沫材料与聚氨酯泡沫塑料相似，使用温度低、易燃性及燃烧时释放大量烟雾等缺点限制了其作为保温材料的应用范围。赋予聚苯乙烯泡沫材料一定的阻燃性，是解决此问题的关键。

赵子强等[10]研究了不同可膨胀石墨对模塑聚苯乙烯泡沫板材阻燃效果的影响，并通过宏观及微观测试对阻燃机理进行分析。发现水玻璃可有效弥补阻燃剂对板材强度损失，可膨胀石墨阻燃效果与膨胀倍率呈正比关系，当其加入量为30%时可提高板材氧指数至27%；石墨“蠕虫”蜷曲覆盖于试样表面，可有效提高聚苯乙烯板材耐火性能。

曾尤等[11]研究了十溴联苯醚/三氧化二锑和可膨胀石墨对发泡聚苯乙烯复合保温材料的协同阻燃效应、保温性能和力学性能的影响，发现添加十溴联苯醚/三氧化二锑/可膨胀石墨的聚苯乙烯复合板材具有优异的阻燃性能（离火自熄时间仅为1.3s），同时，聚苯乙烯复合板材具有较优的保温性能和力学性能，为开发建筑节能保温材料提供参考。

黄健等[12]研究了聚磷酸铵、三聚氰胺和季戊四醇组成的三元氮-磷膨胀型阻燃剂对聚苯乙烯泡沫的阻燃改性。研究结果表明，三元阻燃组分在苯乙烯泡沫的燃烧中相互协同，形成膨胀炭层进行阻燃，苯乙烯泡沫的氧指数可达到27.76%，垂直燃烧等级达到V-0级，自熄灭时间达到3.65s，起到较好的阻燃效果。

孙娇等[13]采用CO2和乙醇作为复合发泡剂，运用实验设计方法研究了发泡温度和发泡压力对聚苯乙烯发泡制品表观密度、泡孔直径和泡孔密度的影响。发现温度的升高可以提高CO2/乙醇复合发泡剂在聚苯乙烯中的吸附量，降低制品的表观密度，增大泡孔直径并降低泡孔密度；压力的升高可以提高发泡剂在聚苯乙烯中的吸附量，降低制品的表观密度，减小泡孔直径并增大泡孔密度。

罗祎玮等[14]利用超临界二氧化碳挤出发泡法制备了聚苯乙烯挤塑板，研究了新型复合阻燃剂（FR）的添加量对聚苯乙烯体系流变特性和阻燃性能的影响。结果表明，FR的添加会降低树脂的黏度，当在FR质量分数为3.5%时，发泡制品的表观密度和平均泡孔直径最小，泡孔密度最大，开孔率较低，同时制品的阻燃性能较好。

3 酚醛泡沫保温材料

酚醛泡沫的分子键热稳定性较高，不需加入任何阻燃剂，氧指数就已达到40%，添加无机填料的高密度酚醛泡沫塑料氧指数甚至高达60%。酚醛泡沫的结构为独立的闭孔微小发泡体，其导热系数仅为0.01222～0.01845W/m·K，导热能力极低。鉴于其良好的耐火性和优异的耐温性及优异的隔热性能，酚醛泡沫作为外墙保温材料具有广阔的发展前景。

酚醛泡沫的适用温度范围可达-200～200℃，这使得酚醛泡沫具有优异的热稳定性。固化成型的酚醛泡沫材料即使长期暴露在阳光下，其使用寿命也明显长于其它有机和无机泡沫材料。但由于酚醛树脂中存在大量的苯环结构，尤其是苯环上的酚羟基和亚甲基较易氧化，致使酚醛泡沫韧性差，质脆、易掉渣，这些缺点也制约着其在现实工程中的应用。因此，人们一直在积极寻找酚醛树脂泡沫改性的方法。

周春华等[15]用聚氨酯预聚体与单体苯酚、甲醛在特定条件下进行缩聚制得改性酚醛泡沫。结果表明，以8%的聚氨酯预聚体改性后酚醛树脂泡沫的表观密度由0.693g/cm3下降为0.598g/cm3，冲击强度和压缩强度均大幅提高，吸水率降至1.38%，但阻燃性有所下降。这是因为在酚醛刚性分子结构中引入柔性较好的氨基甲酸酯链段，从根本上改变了酚醛树脂交联的刚性结构，进而提高泡沫制品的韧性。

宋镕光等[16]在酚醛树脂配方中加入液体丁腈橡胶，经催化反应制得改性酚醛树脂，再经发泡成型制得酚醛泡沫。结果表明，加入丁腈橡胶后，酚醛泡沫材料的压缩强度可提高2倍左右，且液体丁腈橡胶改性酚醛泡沫第一次发生降解的温度在289 ℃，同时，生成更稳定的结构，主要降解温度在612℃，在802 ℃时失重44%，增韧后的泡沫体具有良好的耐热性能。

石振海等[17]用改性剂对酚醛树脂进行改性后，以正戊烷发泡剂，Tween-80为均泡剂，硫酸为固化剂，室温发泡制得了性能优良的酚醛泡沫，这种泡沫热导率低，尺寸稳定，阻燃隔热性能好，是优良的隔热保温材料。

钟远等[18]在酚醛树脂中加入氨基聚醚，在酚醛树脂中接入柔性长链，有效地减少酚醛泡沫的掉渣率，提高了泡沫的压缩强度。结果表明，当氨基聚醚质量分数为8%时，泡沫掉渣率、吸水率较未改性泡沫大幅降低，泡沫压缩强度比未改性泡沫大幅提高，改性的酚醛泡沫的泡孔直径较小，孔与孔分布紧密、均匀，且闭孔率较高。

吕佩娟等[19]将聚苯乙烯与酚醛树脂进行混合，制得一种轻质保温材料。实验表明，随着酚醛树脂含量的增加，保溫材料的压缩强度随之增加，阻燃性能也得到加强，但是其热导率却呈现上升趋势。

郑超等[20]采用木质素替代苯酚制得木改性酚醛泡沫，结果表明，木质素的加入量不能超过50%，当添加30%的木质素时，制得的酚醛泡沫的压缩强度最高，且不同密度的泡沫的性能指标均可达到国家标准。

4 其他有机泡沫保温材料

4.1 不饱和聚酯泡沫保温材料

不饱和聚酯树脂具有优良的力学性能、电性能和耐化学腐蚀性能，加工工艺简便，是热固性树脂中发展较快的品种之一。将不饱和聚酯树脂作为基体制成泡沫塑料，其韧性、强度比发泡聚苯乙烯好，加工比泡沫聚氯乙烯容易，添加阻燃剂等也可使其阻燃和耐老化，成本比聚氨酯泡沫和酚醛泡沫低。

朱红飞等[21]依据热平衡发泡原理，选择NaHCO3、偶氮二异丁腈、偶氮二甲酰胺和4，4-氧代双苯磺酰肼组成不同热平衡复合发泡剂，用以不饱和聚酯树脂的发泡，并对其发泡机制进行了研究。结果表明，利用先吸热后放热的热平衡复合发泡剂制得的发泡材料泡孔孔径小且均匀。

郭亮志等[22]以偶氮二异丁腈为发泡剂兼引发剂、CaCO3为成核剂制备了低密度不饱和聚酯树脂制品。结果表明：偶氮二异丁腈作为发泡剂适用于不饱和聚酯树脂体系，制备条件为成型温度80℃、偶氮二异丁腈用量为树脂质量的2%、CaCO3用量为树脂质量的3%，此时制得的样品与硬质聚氨酯泡沫相近。

4.2 聚乙烯泡沫保温材料

聚乙烯泡沫塑料具有吸湿和透湿性小、热导率低、吸收冲击性好等优异特点，可用于冷藏汽车、建筑物、冷藏火车等的保温隔热材料。它成型方式主要有模压发泡和挤出发泡，又分非交联和交联两种。聚乙烯泡沫保温材料的最高使用温度为80℃左右，经交联的聚乙烯泡沫材料其使用温度可提升至100℃左右。但由于聚乙烯泡沫材料阻燃性能较差，因此需添加大量的阻燃剂，会使其物理性能大幅下降，而且使用温度较低，原料较贵，使其应用领域受到了一定限制。

4.3 橡胶类泡沫保温材料

以丁腈橡胶和三元乙丙橡胶材料为代表的橡胶类泡沫保温材料具有优异的柔韧性和断裂伸长率，且现场施工比较方便，与传统的隔热材料相比，该材料具有独特的高保温节能效果。但其抗压强度较差，表面容易老化龟裂及燃烧产烟量大、毒性高、气味浓等限制了其广泛使用。

【参考文献】

[1]王宝春，郑威，袁秀梅.泡沫塑料研究进展[J].工程塑料应用，2009，37（10）：77-82.

[2]钱志屏.泡沫塑料[M].北京：中国石化出版社，1998：3-7.

[3]何流.谈聚氨酯泡沫保温材料的应用[J].建筑材料及应用，2010，36（9）：164-165.

[4]张鸿志.聚氨酯在建筑节能中的应用前景探讨[J].广东建材，2010，26（7）：125-127.

[5]糜婧，谢松明，杜建新，郝建薇.含磷阻燃剂对硬质聚氨酯泡沫塑料阻燃性能和力学性能的影响[J].高分子材料科学与工程，2013，29（10）：64-67.

[6]梁克瑞.聚氨酯硬泡塑料的制备与阻燃性能研究[J].中国建材科技，2013（3）：42-45.

[7]刘凤娇，丁雪佳，苏昱，等.反应型阻燃剂及全水发泡剂对硬质聚氨酯泡沫塑料阻燃性能的影响研究[J].塑料工业，2013，41（4）：91-95.

[8]何金迎，丁雪佳，王林生，等.催化剂DABCO8154对硬质聚氨酯泡沫塑料性能的影响[J].化工进展，2013，32（7）：1621-2624.

[9]张志敏，张爱清，刘书正，等.珍珠岩填充硬质聚氨酯泡沫保温板的制备与性能[J].广州化工，2012，40（10）：98-100.