建筑用保温EPS板阻燃性能改进研究

Study on Improvement of Flame Retardancy of Building Insulated EPS Board

摘要

研究使用聚磷酸铵（APP）、膨胀石墨（EP）和膨胀型阻燃剂（IFR）3种不同类型阻燃剂单独或复配制备阻燃涂料，并利用涂层阻燃的方法改进建筑用保温聚苯（EPS）板的阻燃性能。通过研究阻燃剂对EPS板可燃性能、氧指数、残炭率、垂直燃烧等级和导热系数的影响，发现单独使用3种阻燃剂均不能达到理想的阻燃效果。将IFR和EP按照1∶2的质量比复配使用可以起到协同阻燃的作用，使EPS板的阻燃性能达到建筑材料要求的B1级，垂直燃烧等级达到FV-0级，氧指数和残炭率分别为31.8%和43.3%，导热系数为0.035 41 W/（m·K）。制备的EPS板兼具阻燃和保温性能。

Abstract

The study employed three different types of flame retardants ammonium polyphosphate (APP), expandable graphite (EP), and intumescent flame retardant (IFR) to prepare flame retardant coatings individually or in combination. The method of using flame retardant coatings was utilized to enhance the flame-retardant properties of building insulation expanded polystyrene (EPS) boards. The research investigated the effects of these flame retardants on the flammability, oxygen index, char yield, vertical burning classification, and thermal conductivity of EPS boards. It was found that the use of each flame retardant alone could not achieve the desired flame retardant effect. When IFR and EP were combined in a mass ratio of 1∶2, a synergistic flame retardant effect was observed, resulting in the EPS boards meeting the B1 level of building material requirements for flame retardancy, achieving a vertical burning classification of FV-0, with an oxygen index and char yield of 31.8% and 43.3%, respectively, and a thermal conductivity of 0.035 41 W/(m·K). The prepared EPS boards thus possessed both flame-retardant and insulating properties.

Graphical abstract

关键词

保温EPS板 / 阻燃涂层 / 膨胀型阻燃剂 / 膨胀石墨

Key words

Insulated EPS board / Flame retardant coating / Intumescent flame retardant / Expandable graphite

我国地域辽阔，跨越5个气候区，各地建筑在夏季制冷和冬季采暖时需消耗大量能源。降低建筑能耗可有效减少碳排放，是实现节能环保的重要途径^[1-3]。其中，提升建筑墙体围护结构的保温性能尤为关键^[4]。目前，提升建筑墙体保温性能的主要方法是使用墙体保温材料。保温聚苯(EPS)板因其内部含有大量独立密闭气泡，导热率极低，是当前市场上应用最广泛的墙体保温材料^[5-9]。然而，EPS板以有机聚苯乙烯树脂为主，易燃，且燃烧时会产生大量浓烟和有毒气体，存在严重安全隐患^[10-11]。因此，亟须改善EPS板的阻燃性能。

目前，改善EPS板阻燃性能的方法主要有本体阻燃法、包覆阻燃法、浸渍阻燃法和涂层阻燃法等^[12-17]。其中，涂层阻燃法是将阻燃剂制备成特殊的阻燃涂料，涂布于聚苯乙烯预发泡颗粒表面形成阻燃涂层，再经二次发泡制得具有阻燃特性的保温聚苯板。涂层阻燃法不仅能够更均匀地包裹阻燃剂于聚苯乙烯颗粒表面，且对基体其他性能影响较小，具有广阔的应用前景^[17-19]。然而，不同阻燃剂在制备阻燃涂料时效果差异显著。因此，选择合适的阻燃剂对改进EPS板的阻燃性能至关重要。聚磷酸铵(APP)、膨胀石墨(EG)和膨胀型阻燃剂(IFR)是目前广泛应用的三种环保型阻燃剂^[20-25]。APP是一种安全高效的氮磷系无卤阻燃剂，其燃烧时产生的聚磷酸为强脱水剂，促使可燃物脱水碳化形成炭层，从而隔绝空气达到阻燃效果。EG是一种以膨胀石墨为主体的新型环保高效阻燃剂，具有耐高温、遇火体积膨胀、低烟无毒、阻燃效率高等特点。IFR是一类以氮和磷为主要阻燃体系的复合型环保阻燃剂，受热时发泡膨胀，其体系通常由酸源、碳源和气源组成，各组分在阻燃时协同作用，且低烟、低毒、无腐蚀性气体产生，是当前阻燃剂领域的研究热点之一。

本研究采用APP、EG和IFR 3种阻燃剂单独或复配，制备一系列阻燃涂料，并采用涂层阻燃法研制建筑用阻燃型保温EPS板，通过研究不同阻燃剂对EPS板阻燃性能和导热性能的影响，制备兼具保温性能和阻燃性能的EPS板。

1 实验部分

1.1 主要原料

EPS，UN2211，天津新龙桥工程塑料有限公司；APP，n>1 500，上海麦克林生化科技股份有限公司；EP，80目，青岛富雷克石墨新材料有限公司；季戊四醇，质量分数98%，濮阳永安化工有限公司；三聚氰胺树脂，质量分数99%，山东华鲁恒升化工股份有限公司；酚醛树脂，BR2130，河南锦润新材料有限公司；稀释剂，分析纯，永华化学股份有限公司；固化剂，BR6210，河南锦润新材料有限公司；偶联剂，KH560，南京能德新材料技术有限公司。

1.2 仪器与设备

高速分散机，SF450-S，上海索映仪器设备有限公司；三辊研磨机，YS65，上海永延纳米科技有限公司；真空脱泡机，TP-2，北京东方泰阳科技有限公司；电热蒸汽发生器，3 kW，江心锅炉有限公司；氧指数测试仪，HC-2，承德市大加仪器有限公司；可燃性测试仪，TTech，泰思泰克(苏州)检测仪器科技有限公司；导热系数仪，DRY-300F，天津佛瑞德科技有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 阻燃涂料的制备

首先依次称取100.0 g酚醛树脂、25.0 g稀释剂、20.0 g固化剂、5.0 g偶联剂和37.5 g阻燃剂，加入样品罐中，用玻璃棒搅拌进行预混合。预混合后使用高速分散机进行分散，转速为1 000 r/min，分散时间为3 min。将分散好的原料用三辊研磨机研磨。然后将研磨好的涂料放入真空脱泡机中抽真空处理，真空度为-0.08~-0.09 MPa，抽真空的时间为15 min。最后释放真空得到阻燃涂料，并放入(25±2) ℃恒温箱中储存备用。

1.3.2 阻燃型保温EPS板的制备

将可发性聚苯乙烯颗粒在0.3 MPa蒸汽压力下发泡膨胀制成预发泡聚苯乙烯泡沫颗粒。预发泡的聚苯乙烯泡沫颗粒在40 ℃条件下熟化24 h。称取质量比为10∶1的阻燃涂料与熟化好的聚苯乙烯泡沫颗粒，在搅拌器上进行混合，使阻燃涂料均匀涂布在聚苯乙烯泡沫颗粒表面，形成包裹阻燃涂层的聚苯乙烯泡沫颗粒。然后将带有阻燃涂层的聚苯乙烯泡沫颗粒放入模具中，在蒸汽压力0.4 MPa条件下进行二次发泡，制得阻燃型保温EPS板。

1.4 性能测试与表征

可燃性测试：按GB/T 8626—2007进行测试，按GB 8624—2012中B1级要求进行判定。

极限氧指数测试：按GB/T 2406.2—2009进行测试。

残炭率测试：使用丙烷气体对尺寸为100 mm×13 mm×3 mm的样条进行燃烧，时间维持3 min左右，然后计算残炭率。

垂直燃烧等级测试：按GB/T 2408—2021进行测试。根据试样的燃烧行为及各个参数将材料由好到差分为FV-0、FV-1、FV-2 3个级别。

导热系数测试：按GB/T 10294—2008进行测试。

2 结果与讨论

2.1 不同阻燃剂单独使用对EPS板性能的影响

首先考察3种不同阻燃体剂单独使用对保温EPS板阻燃性能和导热性能的影响。表1为3种阻燃剂单独使用的实验方案。IFR阻燃剂是由聚磷酸铵、季戊四醇和三聚氰胺树脂3种物质以质量比2∶1∶1配置而成。

2.1.1 可燃性能

为了探究不同阻燃剂单独使用对EPS阻燃性能的影响，对样品进行可燃性测试。表2为3种阻燃剂单独使用时EPS板的可燃性能，其中Fs为60 s内焰尖高度。从表2可以看出，相比空白样品，使用阻燃涂层后EPS板的可燃性明显降低，说明利用涂层阻燃的方式来提升EPS板阻燃性能的方案是可行的。其中，EP比其他两种阻燃剂拥有更好的阻燃效果，其在燃烧释放热量达到0.4 MJ时的燃烧增长速率指数(FIGRA_{0.4 MJ})为最小值。但3种阻燃剂单独使用时制备的EPS板均不能满足建筑材料对于B1级阻燃材料的要求。

2.1.2 极限氧指数和残炭率

图1为3种阻燃剂单独使用时EPS板的极限氧指数和残炭率。从图1可以看出，在不添加任何阻燃剂的情况下，EPS板的极限氧指数和残炭率只有18.3%和17.3%。加入阻燃剂后极限氧指数和残炭率均有明显提高。其中，IFR作为阻燃剂时，极限氧指数超过30%。使用含有APP的IFR阻燃剂比单独使用APP阻燃剂的效果要更好。这是因为使用APP阻燃剂时，其成炭作用仅依靠含氧聚合物和聚苯乙烯之间的脱水炭化，成炭能力有限。而IFR阻燃体系中的APP在阻燃过程中充当酸源和气源的作用，同时又引入季戊四醇和三聚氰胺树脂作为碳源和气源，加强了燃烧过程中的发泡膨胀效应和气相阻燃效应。直接加入EP可以明显提高EPS板燃烧时的成炭量，其残炭率高达51.4%，极限氧指数也有所提高。这是因为EP可以在燃烧过程中形成阻燃炭层，从而实现较好的阻燃效果。

2.1.3 垂直燃烧等级

垂直燃烧等级是衡量材料阻燃性能的重要指标，表3为3种阻燃剂单独使用时EPS板的垂直燃烧等级。从表3可以看出，APP和IFR阻燃剂虽然提升了EPS板的阻燃性能，但是受限于本身体系的阻燃能力，其垂直燃烧等级依然只有FV-2级。而添加EP可以使EPS板的垂直燃烧等级提升到FV-1级，但依然没有达到FV-0级。这是因为单独添加EG，虽然可以在燃烧时形成阻燃炭层，但由于石墨本身较强的膨胀效应，炭层不够致密，石墨片之间未能很好地连接。因此，仍需要进一步改进阻燃体系来实现更高等级的阻燃效果。

2.1.4 导热系数

导热系数是EPS板保温性能的关键，因此需要对导热系数进行测试。图2为3种阻燃剂单独使用时EPS板的导热系数。从图2可以看出，加入阻燃剂使EPS板的导热系数有所提高。这是因为部分阻燃涂层浸入到已发泡的聚苯乙烯颗粒内部，堵塞了发泡孔隙，导致传热效率增加。尤其是使用EP作为阻燃剂时，其导热系数增加最多。一方面是由于EP本身的粒径较小，更容易进入颗粒孔隙内部；另一方面则是由于EP本身的导热性能也比其他两种阻燃体系更好。虽然加入阻燃剂后EPS板的隔热效果受到一定程度影响，但是导热系数整体变化不大。

2.2 IFR与EP复配使用对EPS板性能的影响

为了进一步改进阻燃效果，本实验将IFR与EP复配使用，制备复合阻燃体系，考察两种阻燃剂在不同配比下对EPS板阻燃性能和导热性能的影响。表4为IFR与EP不同配比的实验方案。

2.2.1 可燃性能

表5为IFR与EP复配使用时EPS板的可燃性能。从表5可以看出，复配使用两种阻燃剂使EPS板的阻燃性能得到明显提升，阻燃等级均达到B1级的要求。FIGRA_{0.4 MJ}随着IFR与EP的比例的减小先减小后增加，当IFR与EP质量比为1∶2时达到最小值。这一方面是因为复配阻燃体系在燃烧过程中膨胀吸热降低了材料表面温度，另一方面是因为复配阻燃体系燃烧时形成了较为致密的炭层覆盖在聚苯乙烯颗粒表面起到了隔热作用。

2.2.2 极限氧指数和残炭率

图3为IFR与EP复配使用时EPS板的极限氧指数和残炭率。从图3可以看出，随着EP比例的上升，极限氧指数呈先上升后下降的趋势，当IFR与EP质量比为1∶2时达到最大值，而残炭率则一直呈现上升趋势。这可能是因为随着EP比例的增加，IFR和EP之间发生了协同作用，二者共同形成了更加致密的炭层，起到了隔绝热量和氧气的作用。EP比例超过一定限值破坏了二者由于协同作用所形成的稳定炭层，因此又出现极限氧指数下降的情况。此外，由于EP含量的不断上升，阻燃体系中碳元素含量不断增加，所以整个体系的残炭率则呈现持续上升的情况。

2.2.3 垂直燃烧等级

表6为IFR与EP复配使用时EPS板的垂直燃烧等级。从表6可以看出，当IFR与EP复配使用后，保温板的垂直燃烧等级明显提升，当IFR与EP质量比为1∶1和1∶2时均达到了FV-0级。这说明复配阻燃体系拥有比单一阻燃剂更好的阻燃效果。这是因为IFR单独使用虽然可以在燃烧过程中形成连续的炭层，但是受限于碳源的成炭机制，其形成的炭层厚度有限，热稳定性和强度均难以达到更高的阻燃要求。而单独使用EG作为阻燃剂时，虽然燃烧过程中可以形成较厚的炭层，但是其形成的炭层往往因为石墨的膨胀效应而不够致密，石墨之间的连接存在间隙，因此也不能很好地隔绝热量和氧气。将IFR和EP复配之后可以使一部分EP作为IFR的碳源，形成更加稳定厚实的炭层；而IFR在燃烧过程中的反应产物又可以连接EG膨胀后的石墨片，使生成的炭层更加致密，从而实现优势互补，协同阻燃的效果。

2.2.4 导热系数

图4为IFR与EP复配使用时EPS板的导热系数。从图4可以看出，随着EP含量的增加，导热系数不断上升。这是因为随着EP含量的增多，涂层中大量的EP进入发泡的聚苯乙烯颗粒孔隙内部，堵塞了孔隙。由于EP本身的导热系数较高，出现了导热系数随EP含量增加而上升的现象，但是导热系数整体变化幅度不大。因此，综合考虑EPS板的阻燃性能和保温性能，宜选择IFR与EP的质量比为1∶2作为复配阻燃体系。

3 结论

利用不同的阻燃剂制备阻燃涂料，通过涂层包裹聚苯乙烯预发泡颗粒的工艺制备建筑用阻燃型保温EPS板。单独使用APP、EP和IFR作为阻燃剂制备的阻燃涂层虽然一定程度上提升了EPS板的阻燃性能，但不能很好地满足建筑保温板的阻燃需求。将IFR和EP按照一定比例复配使用时，可以通过二者的协同作用有效提升EPS板的阻燃性能。当IFR和EP的质量比为1∶2时，制成的保温板不仅可以满足建筑材料B1级阻燃的要求，而且EPS板的极限氧指数和残炭率都达到较高水平，同时其垂直燃烧等级可以达到FV-0级。通过涂层阻燃的方式可以有效提升EPS板的阻燃性能，但是施工工艺尚有一定的复杂程度，需要后续工作进一步改进和提升。

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基金资助

石家庄市县域特色产业提升项目(232160312A)

河北省大学生创新创业训练计划项目(S202410102073)