氯氧镁水泥复合EPS保温材料的制备和性能研究

Study on Preparation and Performance of Thermal Insulation Material of Magnesium Oxychloride Cement Composite EPS

摘要

为了提高EPS保温材料的阻燃性能，向EPS中加入不同体积比的氯氧镁水泥（MOC），并对其性能进行研究。结果表明：EPS保温材料的力学性能随着MOC体积比的增加逐渐增大。随着MOC体积比的增加，EPS保温材料的干密度和导热系数不断增大，保温性能不断下降。纯EPS的极限氧指数（LOI）只有18.1%。随着MOC体积比的增加，EPS保温材料的LOI逐渐增大且燃烧更难，阻燃性能显著提高。当MOC体积比为9%时，EPS保温材料能够在短时间内自熄灭。随着MOC体积比的增加，EPS保温材料的燃烧性能等级从易燃的B₃级逐渐提高到不燃的A₂级。结合JG/T 536—2017中对EPS保温材料性能的要求，MOC的体积比为9%时，EPS保温材料的综合性能最优，此时EPS保温材料的抗压强度和抗拉强度分别为0.258 MPa和0.198 MPa，干密度为149 kg/m³，导热系数为0.055 3 W/（m·K），阻燃等级达到A₂级。

关键词

氯氧镁水泥 / EPS保温材料 / 力学性能 / 保温性能 / 阻燃性能

Key words

Magnesium oxychloride cement / EPS insulation material / Mechanical properties / Thermal insulation performance / Flame retardancy

聚苯乙烯泡沫(EPS)密度小，具有保温隔热、缓冲抗震、防水、耐化学腐蚀等优点，价格低，易加工，因此EPS在建筑工程、包装工程和运输工程等领域均有应用，尤其在建筑节能保温材料中广泛应用^[1-3]。然而，传统的纯EPS的阻燃性能差，极易燃烧，EPS燃烧过程会释放有毒、有害气体和烟雾，使EPS的应用受到了限制^[4-6]。因此，提高EPS的阻燃性意义重大，目前主要是通过加入阻燃剂提高其阻燃性^[7-9]。王俊胜等^[10]研究了六溴环十二烷(HBCD)、甲基八溴醚(801)和溴化苯乙烯丁二烯共聚物(PFR)作为阻燃剂对EPS的阻燃性能的影响。结果表明：3种阻燃剂均会提高EPS的阻燃性能。马炎等^[11]以酚醛树脂和气凝胶粉末作为阻燃剂制备气凝胶/EPS复合材料。结果表明：气凝胶粉末可以隔绝EPS珠粒外部氧气和热量，阻止了EPS基体与热源的接触，提高了复合材料阻燃性。然而，以上文献研究都存在不足之处。王俊胜等^[10]的研究中，卤系阻燃剂的热解和燃烧过程会生成对大气环境造成严重危害的有毒、有害气体。马炎等^[11]制备的气凝胶/EPS复合材料中阻燃剂组成复杂且成本较高。而且，现有文献侧重于EPS的阻燃性能，缺少对其他性能的研究。

氯氧镁水泥(MOC)是由具有反应活性的轻烧氧化镁与氯化镁水溶液形成的气硬性胶凝材料，具有优异的力学性能^[12-13]。MOC与多种有机材料之间黏结力高，并且具有良好的阻燃性和一定的隔热保温效果^[14-15]。此外，MOC作为阻燃剂最终产物主要为MgO和水蒸气，水蒸气可以吸收热量，降低可燃性气体浓度，MgO可以覆盖在有机物表面起到抑烟阻燃作用，因此MOC常被作为EPS等有机物的阻燃剂，可以同时提高阻燃性和力学性能^[16-18]。陈庚^[18]研究了MOC的物质的量比对EPS性能的影响。结果表明：当MOC中n(MgO):n(MgCl₂·6H₂O)为7∶1时，经MOC浸渍的EPS的极限氧指数(LOI)值可达30.9%，密度和抗拉强度分别为0.074 91 g/cm³和0.055 2 MPa。但是，以上文献采用MOC浸渍EPS，MOC对EPS的包裹均匀度不高且包裹量有限，对EPS的阻燃等性能的增强效果有限。

本实验以MOC为阻燃剂制备了EPS保温材料，研究其力学性能、保温性能和阻燃性能，旨在为EPS保温材料的推广与应用提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

轻烧氧化镁(MgO)，工业级，平均粒径75 μm，潍坊力合粉体科技有限公司；氯化镁(MgCl₂·6H₂O)，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；聚苯乙烯泡沫塑料颗粒(EPS)，平均粒径2~3 mm，东莞市捷鸿包装制品有限公司；增塑剂(邻苯二甲酸二丁酯)，工业级，有效成分含量≥99%，河北集策新材料科技有限公司；固化剂，工业级，邯郸市丛台区哲苑化工科技有限公司。

1.2 仪器与设备

电子天平，DT2000，苏州金钻称重设备系统开发有限公司；水泥胶砂搅拌机，JJ-20H，沧州华恒试验仪器有限公司；混料机，5L，苏州金弘昌环保科技有限公司；鼓风干燥箱，DHG-9240A，上海左乐仪器有限公司；电子万能试验机，WDW-50H，0.5级，济南中路昌试验机制造有限公司；平板导热仪，DRH-300，上海皆准仪器设备有限公司；氧指数测定仪，JF-3，南京江宁仪器有限公司生产；建材燃烧热值量热仪，ZDHW-4，鹤壁市华晨电子科技有限公司；建筑材料或制品的单体燃烧试验装置，JT6088，上海今特检测设备有限公司；可燃性试验炉，JCK-3，沧州华恒试验仪器有限公司。

1.3 样品制备

按物质的量比7∶1∶4分别称量MgO、MgCl₂·6H₂O和H₂O。将MgCl₂·6H₂O溶于水中制成MgCl₂溶液，再加入MgO，搅拌均匀，得到MOC浆体。按质量比97∶2.5∶0.5分别称量EPS颗粒、固化剂和增塑剂，并将EPS颗粒、固化剂和增塑剂投入混料机中混合均匀，制备成EPS料浆。速将EPS料浆与MOC浆体按体积比100∶0、97∶3、94∶6、91∶9和88∶12(即MOC占体积比为0、3%、6%、9%和12%)搅拌均匀，再各自浇入模具中，分别记为1#试样、2#试样、3#试样、4#试样和5#试样。将装有EPS/MOC混合浆体的模具置于40 ℃的干燥箱中干燥8 h，取出并脱模，再将各样品切成试验所需尺寸。

1.4 性能测试与表征

抗压强度测试：按GB/T 8813—2020进行测试，样品尺寸100 mm×100 mm×20 mm，速率5 mm/min。

抗拉强度测试：按JG/T 536—2017 进行测试，样品尺寸50 mm×50 mm×20 mm，速度5 mm/min。

导热系数测试：按GB/T 10294—2008进行测试，样品尺寸300 mm×300 mm×20 mm。

阻燃性能测试：按GB/T 20284—2006和GB/T 8626—2007测试可燃性，样品尺寸250 mm×90 mm×10 mm；按GB/T 5464—2010和GB/T 14402—2007测试不燃性；按GB/T 2406.2—2009测试LOI，样品尺寸100 mm×10 mm×10 mm。

2 结果与讨论

2.1 EPS保温材料的力学性能

图1为EPS保温材料的力学性能。从图1可以看出，1#试样(纯EPS)的力学性能较低，抗压强度和抗拉强度分别仅为0.086 MPa和0.070 MPa。随着水泥浆体掺量增加，各试样的抗压强度和抗拉强度逐渐增大，2#~5#试样的抗压强度分别为0.099、0.167、0.256、0.288 MPa，分别比1#试样提高了15.1%、94.2%、197.7%和234.9%；抗拉强度分别为0.091、0.157、0.198和0.216 MPa，分别比1#试样提高了30.0%、124.3%、182.9%和208.6%。MOC体积比占3%的2#试样的抗压强度和抗拉强度仍然不高，这是因为MOC所占体积比较小时，包裹EPS的MOC的量较少，MOC还没有完全形成相互联结的整体，MOC对EPS保温材料的力学性能贡献有限^[19-21]。与1#试样相比，从3#试样开始，EPS保温材料的力学性能快速增长，4#~5#试样力学性能继续增长。这是因为MOC的力学性能优异，随着MOC增加，包裹在EPS颗粒表面的MOC不断增多，MOC逐渐相互联结，并且随着MOC继续增加，MOC的包裹层越来越厚，因此MOC体积比超过6%后，EPS保温材料的力学性能增长较明显^[21-23]。总之，随着MOC体积比的不断增大，EPS保温材料的力学性能不断提高。

2.2 EPS保温材料的保温性能

导热系数是表征材料保温性能的主要指标，对于同种材料，一般密度越大导热系数越大。图2为EPS保温材料的干密度与导热系数。

从图2可以看出，1#试样(纯EPS)的干密度较小，此时导热系数也较低，干密度和导热系数分别为16 kg/m³和0.032 9 W/(m·K)。随着MOC体积比不断增加，EPS保温材料的干密度和导热系数也不断增大。这是因为MOC的干密度远高于EPS泡沫，因此随着MOC的增加，EPS保温材料的干密度不断增大。MOC虽然也具有一定的保温隔热作用，但是MOC的导热系数比EPS泡沫高，随着MOC体积比不断增加，MOC分散到EPS表面增加了热量在EPS保温材料内部的传递速度，导致EPS保温材料的导热系数不断增大^[24-26]。MOC的体积比为9%时，EPS保温材料的干密度为149 kg/m³，导热系数为0.055 3 W/(m·K)。另外，5#试样的导热系数达到了0.066 7 W/(m·K)，而《热固复合聚苯乙烯泡沫保温板》(JG/T 536—2017^[27])对保温性能最低要求为G型聚苯乙烯泡沫保温塑料，其导热系数不能超过0.060 W/(m·K)，说明5#试样(MOC体积比为12%)无法满足相关标准要求。结合以上数据分析，MOC的体积比不应超过9%。

2.3 EPS保温材料的阻燃性能

表1为EPS保温材料的阻燃性能。从表1可以看出，1#试样(纯EPS)的LOI只有18.1%，点燃时会持续燃烧且10 s内滴落物引燃了滤纸，燃烧性能等级为易燃的B₃级，总热释放量(THR)为8.9 MJ/m²。随着MOC体积比的增加，EPS保温材料的LOI逐渐增大，THR逐渐降低，且燃烧更难，燃烧性能等级逐渐提高，当MOC体积比占到9%时，EPS保温材料就能够在短时间内自熄灭，阻燃等级达到A₂级。根据GB 8624—2012的要求，随着MOC体积比增加，EPS保温材料的燃烧性能等级从易燃的B₃级逐渐提高至不燃的A₂级，这说明MOC的加入能够显著提高EPS保温材料的阻燃性能。

MOC提高EPS保温材料的阻燃性能的机理包括以下几方面：(1)MOC所含的结晶水较多，结晶水受热时缓慢释放，可以吸收热量。在受到外部高温或火源时，MOC在受热温度约300 ℃时会吸收热量并形成水蒸气。水蒸气降温作用能够缓解热量传递到被MOC包裹的EPS基体上。另外，MOC还会释放出HCl气体，HCl能与高活性的HO·等自由基反应生成活性较低的氯自由基，这个过程可以减缓甚至中止燃烧。(2)MOC热分解释放出的结晶水与结构水可以稀释氧气和有机可燃气态分子的浓度，并降低周围温度，起到抑制燃烧的作用。(3)MOC的热分解产物能够有效抑制燃烧，MOC的热分解初始产物为Mg(OH)₂。Mg(OH)₂也是1种耐热性能较好的无机阻燃剂，并且燃烧时不会产生烟雾。Mg(OH)₂继续分解的产物为MgO，而MgO能够覆盖在有机物表面形成保护层，能够抑制热量和氧气继续向内传递，进而起到凝聚相阻燃作用。因此MOC可以通过气相阻燃、隔绝热量和氧气、凝聚相阻燃等多种阻燃方式实现对EPS的阻燃作用^[22,27-28]。

纯EPS的LOI仅18.1%，遇火后极易燃烧，属于燃烧性能等级中的易燃的B₃级，而MOC属于无机不燃材料A₁级。加入MOC后，MOC能够包裹在EPS表面，MOC抑制了EPS的热分解和燃烧。MOC所占体积为3%时，由于MOC的量较少，MOC不能完全包裹EPS颗粒或是包裹层厚度太薄，因此虽然此时MOC的加入提高了EPS保温材料的阻燃性能，但是EPS保温材料的燃烧性能等级只提高到了B₂级。随着MOC所占体积比继续增加，就会有更多的MOC包裹EPS，使得MOC包裹EPS的保护层变厚，MOC体积增加也增加了MOC的质量比，MOC发挥的阻燃作用更大。因此，随着MOC体积比的增加，EPS保温材料的阻燃性能不断提高，燃烧性能等级也不断提高^[22,28]。

根据《热固复合聚苯乙烯泡沫保温板》(JG/T 536—2017)^[27]中对G型060级EPS保温材料的要求，导热系数≤0.060 W/(m·K)，抗拉强度≥0.12 MPa，抗压强度≥0.20 MPa，阻燃等级不低于A₂级。综上所述，MOC体积比为9%时，EPS保温材料的综合性能最优。

3 结论

随着MOC体积比增加，EPS保温材料的抗压强度和抗拉强度逐渐增大。MOC体积比超过6%后，EPS保温材料的力学性能增长较明显。

纯EPS的干密度较小，导热系数也较低，随着MOC体积比增加，EPS保温材料的干密度和导热系数不断增大。但是，MOC体积比为12%时，EPS保温材料的导热系数达到了0.066 7 W/(m·K)，无法满足JG/T 536—2017的最低要求，因此MOC的体积比不应超过9%。

随着MOC体积比的增加，EPS保温材料的LOI逐渐增大且燃烧更难，当MOC体积比达到9%时，EPS保温材料就能够在短时间内自熄灭。根据GB 8624—2012，随着MOC体积比增加，EPS保温材料的燃烧性能等级从易燃的B₃级逐渐增大到不燃的A₂级，这说明MOC的加入能够显著提高EPS保温材料的阻燃性能。

结合JG/T 536—2017中对EPS保温材料性能的要求，MOC的体积比为9%时，EPS保温材料的综合性能最优，此时EPS保温材料的抗压强度和抗拉强度分别为0.256 MPa和0.198 MPa，干密度为149 kg/m³，导热系数为0.055 3 W/(m·K)，阻燃等级达到A₂级。

参考文献

[1] 秦美珠,胡新萍,郭劲言.聚苯乙烯保温材料的制备和节能环保效应的研究[J].塑料科技,2022,50(2):55-58.

[2] 王贵美.建筑工程中EPS泡沫塑料的应用[J].塑料科技,2020,48(4):142-144.

[3] 张永平.EPS板薄抹灰技术在建筑节能保温中的应用[J].湖南造纸,2022,51(3):162-164.

[4] 曹博.阻燃聚苯乙烯泡沫保温板的制备及其机理研究[D].北京:北京化工大学,2017.

[5] 刘秋萍,张凌燕,邱杨率,石墨特性对EG/EPS复合阻燃材料性能的影响[J].硅酸盐通报,2019,38(11):3631-3635, 3640.

[6] 张屹东,董文博,刘庆,EPS保温板燃烧性能等级改进措施的试验研究[J].工程质量,2023,41(S1):79-83.

[7] 彭月飞,朱行坤.EPS阻燃研究进展[J].建材与装饰,2021,17(23):47-48.

[8] 黄妍,蒋学鑫.氮-磷-硼协效阻燃剂在EPS中的应用[J].塑料工业,2021,49(10):111-114.

[9] 李坤.热固型EPS复合保温板的试验研究[D].鞍山:辽宁科技大学,2019.

[10] 王俊胜,刘丹,赵婧,含溴阻燃剂对聚苯乙烯泡沫材料性能的影响[J].消防科学与技术,2023,42(1):107-110.

[11] 马炎,徐长伟,张忠伦,气凝胶对EPS保温材料性能影响研究[J].中国建材科技,2023,32(2):46-50.

[12] 葛梦龙,叶倩倩,康海娇,外加剂改性氯氧镁水泥研究进展[J].硅酸盐通报,2022,41(4):1202-1210.

[13] 黄志雄,赵颖,秦麟卿,氯氧镁水泥的制备及其热分解机理[J].武汉理工大学学报,2008,30(10):39-42.

[14] 余海燕,胡林童.氯氧镁水泥研究新进展[J].2021,27(3):161-167, 184.

[15] 孙金硕,张帅珂,王宇琪.氯氧镁水泥作保温材料性能研究综述[J].安徽建筑,2022,29(6):83-84.

[16] 赵颖,黄志雄,秦岩,氯氧镁水泥对不饱和树脂的阻燃性能与阻燃机理研究[C]//第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集.武汉:中国仪器仪表学会仪表功能材料分会,2007.

[17] 秦志扬,秦麟卿,张联盟,环氧树脂/氯氧镁纳米晶须复合材料的阻燃性能[J].塑料,2012,41(4):69-71.

[18] 陈庚.氯氧镁水泥对EPS板性能的影响[J].现代制造技术与装备,2017(4):71-72.

[19] 雷敏.新型EPS复合保温板制备及力学性能试验[J].当代化工,2020,49(12):2723-2726, 2731.

[20] 郑杨梅,田艳,秦子鹏,EPS板-玄武岩纤维中空织物复合保温板力学性能试验[J].塑料,2018,47(6):67-70.

[21] 高辉.氯氧镁水泥基无机阻燃剂对聚苯乙烯泡沫板性能的影响[D].西安:长安大学,2016.

[22] 朱晓健.探讨氯氧镁水泥及轻质建筑材料的试验研究[J].现代物业:中旬刊,2018(7):181.

[23] 郭赵梁,白利霞,王克佳,氯氧镁水泥含量对聚苯乙烯泡沫板性能的影响[J].建材与装饰,2019(23):77.

[24] 张韬,潘卫,程飞飞,阻燃型石墨/聚苯乙烯保温材料制备试验研究[J].非金属矿,2022,45(1):34-36.

[25] 吴舒畅,闫晓.EPS保温板在建筑节能设计中的保温效果研究[J].中国建筑装饰装修,2019(11):96-97.

[26] 高辉,林闯,耿刚强.氯氧镁水泥对聚苯乙烯泡沫板阻燃性能及物理性能的影响[J].现代化工,2016,36(3):111-113.

[27] 中华人民共和国住房和城乡建设部.热固复合聚苯乙烯泡沫保温板:JG/T 536—2017[S].北京:中国标准出版社,2018:1-10.

[28] 于跟社,张毅,施昌龄,氯氧镁水泥基聚苯颗粒复合防火保温板:CN201920908250.3[P].2020-04-07.

基金资助

中铁二十四局科技项目“三门峡公铁两用桥连续梁施工监控技术”(20200304A)

山西省教育科学“十四五”规划2021年度课题“‘产教融合’背景下高职院校工程造价专业顶岗实习评价体系研究”(PJ-21099)