可装配式温室降解聚苯乙烯复合塑料材料保温性能研究

Study on Thermal Insulation Performance of Prefabricated Greenhouse Degradable Polystyrene Composite Plastic Materials

摘要

利用纳米玻璃纤维与聚苯乙烯共混制备聚苯乙烯复合材料，探究纳米玻璃纤维掺量对聚苯乙烯复合材料力学和保温性能的影响。结果表明：掺入纳米玻璃纤维有效改善了聚苯乙烯复合材料的力学性能、阻燃性能和保温性能。适当增加纳米玻璃纤维的掺量可以有效改善聚苯乙烯复合材料的力学性能、阻燃性能和保温性能，同时提升其可降解性。当纳米玻璃纤维质量分数为20%时，聚苯乙烯复合材料的压缩强度和缺口冲击强度较纯聚苯乙烯的性能分别增加57.26%和17.43%，极限氧指数（LOI）值增加48.07%。

关键词

聚苯乙烯 / 纳米玻璃纤维 / 保温性能 / 降解性能

Key words

Polystyrene / Nano-glass fiber / Thermal insulation performance / Degradation performance

聚苯乙烯具有较好的力学性能，且成本低，化学稳定性强，且具备轻质、隔热和防水等优势，在建筑、电子、电器外壳和汽车工业领域均有广泛的应用^[1-2]。建筑材料对于聚苯乙烯材料的力学性能、保温性能及阻燃性能等要求较高^[3-5]。在聚苯乙烯材料中掺入一定比例的填料和助剂对优化其力学性能、保温性能、抑烟性能及降解性能均具有显著作用。玻璃纤维因其价格低廉、机械强度高、不易点燃等特点^[6-7]，被广泛用作聚合物的增强材料，可以增强强度，提高耐热性，改善阻燃性^[8-10]。王智蓉等^[11]利用玻璃纤维和3-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)制备非织造材料，发现复合材料的力学性能和保温性能得到有效改善。

但是，目前鲜有将纳米玻璃纤维掺入聚苯乙烯复合材料中的研究。本实验在聚苯乙烯配方中掺入不同量的纳米玻璃纤维，将其与聚苯乙烯共混制备聚苯乙烯复合材料，探究纳米玻璃纤维掺量对聚苯乙烯复合材料力学性能和保温性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚苯乙烯，SECCO PS GPPS251，上海赛科石油化工有限责任公司；纳米玻璃纤维，纤维直径90~100 nm，常州美克莱复合材料有限公司；磷系阻燃剂，质量分数≥99.5%，宁津天成阻燃材料科技有限公司。

1.2 仪器与设备

密炼机，X(S)N-5，欧亚橡塑机械有限公司；导热系数测试仪，DRH，山东龙煤工矿机械有限公司；氧指数测试仪(LOI)，HC-2，承德市大加仪器有限公司；单体燃烧测试仪，JCRS-SBI，东莞市昆仑工业技术有限公司；高速混合机，HC-2036，安徽科盈仪器设备公司；高压发泡装置，200 mL，北京世纪森朗实验仪器有限公司。

1.3 样品制备

表1为聚苯乙烯复合材料的配方。将聚苯乙烯溶解在适当的二氯甲烷中，得到均匀的聚苯乙烯溶液。按表1比例将纳米玻璃纤维和阻燃剂加入聚苯乙烯溶液中，通过超声波分散和机械搅拌，确保纤维和阻燃剂在聚苯乙烯基体中均匀分布。在密炼机中进行熔融混合(180 ℃、50 r/min、10 min)，将制备的复合材料置于高压发泡装置中，充入足量的CO₂，保障内部压力稳定在12 MPa左右，在140 ℃下充分反应5 h，得到可降解的聚苯乙烯复合材料。

1.4 性能测试与表征

压缩性能测试：按GB/T 1040.1—2006进行测试，压缩速率设定为10 mm/min。

缺口冲击强度测试：按GB/T 1043.1—2008进行测试，摆锤的能量为8 J。

导热系数测试：按GB/T 10294—2008进行测试。

LOI测试：按GB/T 2406.2—2009进行测试，氧气流速设为40 mL/s。

2 结果与讨论

2.1 纳米玻璃纤维对聚苯乙烯复合物力学性能的影响

压缩强度决定其在承受压力时的稳定性和耐久性，同时，聚苯乙烯复合材料应用于温室装配材料时，其抗冲击性能对于确保结构安全至关重要^[12-13]。图1为纳米玻璃纤维对聚苯乙烯复合材料力学性能的影响。

从图1可以看出，随着纳米玻璃纤维掺量的增加，聚苯乙烯复合材料的压缩强度和缺口冲击强度均呈现先上升后稳定变化的趋势，且当玻璃纤维质量分数超过20%时，复合材料的压缩强度及缺口冲击强度变化幅度不大或有小幅度的降低。这主要是由于适量纤维混入到聚苯乙烯基质中，形成均匀的单丝，纤维的存在阻碍了聚苯乙烯裂纹的产生和发展，从而提升聚苯乙烯的韧性。但是，当纳米玻璃纤维的掺量过大，则会导致聚苯乙烯复合材料在拉伸过程中纤维受力的有效距离增加，且在复合材料中产生团聚现象，进一步产生缺陷孔洞，导致混凝土的整体强度降低^[14]。因此，适量掺入纳米玻璃纤维对改善聚苯乙烯力学性能至关重要，当掺入20%的纳米玻璃纤维时，聚苯乙烯复合材料的压缩强度和缺口冲击强度分别达到7.69 MPa和19.67 kJ/m²，较纯聚苯乙烯的性能分别增加57.26%和17.43%。

2.2 纳米玻璃纤维对聚苯乙烯复合物导热系数的影响

聚苯乙烯等材料导热系数低意味隔热性能良好^[15-16]。图2为纳米玻璃纤维对聚苯乙烯复合材料导热系数的影响。

从图2可以看出，随着纳米玻璃纤维掺量的增加，聚苯乙烯复合材料的导热系数呈现先降低后稳定变化的趋势，当玻璃纤维质量分数为15%~20%时，聚苯乙烯复合材料的导热系数达到最低。这主要是由于适量纳米玻璃纤维的引入可以增加材料的界面面积，并且由于纳米尺度的特性，导致界面热阻的增加。这种增加的界面热阻会阻碍热量在材料中的传导，从而降低整体的导热性能。因此，当适量(质量分数20%)掺入纳米玻璃纤维时，聚苯乙烯复合材料的保温性能得到有效改善。在此条件下，聚苯乙烯复合材料的导热系数为0.036 96 W/(m·K)，较纯聚苯乙烯材料降低13.61%。出现以上现象的原因主要是掺入适量的纳米玻璃纤维之后，导致聚苯乙烯内部各基质之间的链接和互作更加紧密，同时加速基质组分之间的水化反应^[17]，降低聚乙烯复合材料中的孔洞和缺陷，改善其孔结构，从而降低导热系数，提升其保温性能。

2.3 纳米玻璃纤维对聚苯乙烯复合物LOI的影响

聚苯乙烯通常被认为是易燃材料，因为其分子结构中含有大量的碳氢键，容易燃烧。将纳米玻璃纤维添加到聚合物基质中可以改善材料的热稳定性和阻燃性能^[18-20]。纳米玻璃纤维作为一种物理增强填料可以改善聚苯乙烯的某些性能。玻璃纤维具有不易点燃的特点，但为了达到更显著的阻燃效果，通常需要额外添加阻燃剂。本研究中，在配方中添加了磷系阻燃剂。图3为纳米玻璃纤维对聚苯乙烯复合材料LOI值的影响。

从图3可以看出，随着纳米玻璃纤维掺量的增加，聚苯乙烯复合材料的LOI值不断增加，而当玻璃纤维质量分数整体超过20%时，聚苯乙烯复合材料的LOI值有小幅降低。这主要是由于纳米玻璃纤维的高比表面积和特殊结构，能够阻碍燃烧过程中的热传导和气体扩散，从而减缓火焰的蔓延速度。因此在质量分数为20%时，掺入纳米玻璃纤维对于有效改善聚苯乙烯复合材料的阻燃性能发挥重要的作用。在此条件下，聚苯乙烯复合材料的LOI值为40.01%，较纯聚苯乙烯材料的LOI值增加48.07%。这主要是由于适量的纳米玻璃纤维在聚苯乙烯基质中形成致密的网络结构，进一步增加材料的机械强度和稳定性，从而进一步提高材料的阻燃性能。同时，此研究中加入了磷系阻燃剂，因此磷系阻燃剂在高温下生成的磷酸及其衍生物可以与较长的纳米玻璃纤维表面相互作用，催化更多炭化产物的形成。较长的纤维提供了更大的表面积和更多的活性位点，促进这种催化过程的进行。

3 结论

掺入纳米玻璃纤维有效改善了聚苯乙烯复合材料的力学性能、阻燃性能和保温性能。适当增加纳米玻璃纤维的长度可以有效改善聚苯乙烯复合材料的力学性能、阻燃性能和保温性能，同时提升其可降解性。在纳米玻璃纤维的掺量在20%条件下时，当选择较长玻璃纤维时，聚苯乙烯复合材料的压缩强度和缺口冲击强度分别达到7.69 MPa和19.67 kJ/m²，导热系数为0.036 96 W/(m·K)，LOI值为40.01%。

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基金资助

内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZY21534)

内蒙古农业大学职业技术学院创新团队(TDE202307)