酚醛树脂改性模塑聚苯乙烯泡沫板的制备

摘  要：为了改变热塑性聚苯乙烯保温板的燃烧本质，采用特殊阻燃剂，即热固性酚醛树脂/Al（OH）3阻燃液对聚苯乙烯颗粒进行阻燃包覆。通过对主要制备工艺的优化研究，成功制得热固性聚苯乙泡沫保温板，并解决了保温板阻燃和保温相互制约的难题。结果表明：包覆改性后的聚苯乙烯板遇火燃烧时不产生熔融收缩现象，表面只是发生炭化，板材各项性能均满足标准要求，保温板燃烧性能可达B1级，热值为20.3 MJ/kg，保温系数小于0.0360W/（m·K）。

关键词：聚苯乙烯；热塑性；热固性；阻燃包覆；

聚苯乙烯（PS）保温板因为保温性能好，成本低，施工技术成熟，稳定性好等原因曾广泛的应用于我国外墙外保温系统中；但随着建筑结构防火安全性要求的提高，传统PS保温板因为热塑性的特点，遇火后收缩、熔融、滴落、滴落物具有二次引燃性，使得PS保温板在建筑外墙外保温系统中的应用受到极大限制。因此，改善PS保温板燃烧性能，特别是热塑性的性能是其重新被市场认可的重要途径。本工作通过包覆阻燃的原理，对传统模塑PS保温板制备工艺进行改进，在预发泡后的PS颗粒外包覆有机/无机复合阻燃材料，使PS泡沫的燃烧性能由可燃热塑性变为难燃热固性，极大地改善了传统PS保温板的燃烧性能，并对改进后的酚醛树脂改性模塑PS泡沫板的性能进行了分析测试。

1  实验部分

1.1  原料

可发性PS，天津新龙桥工程塑料有限公司生产，粒径0.7~1.1 mm，可发倍率为60倍。热固性酚醛树脂，济南益鸿化工有限公司生产。阻燃剂Al（OH）3，粒径12.0~14.0μm，合肥中科阻燃新材料有限公司生产。固化剂：对甲苯磺酸，H3PO4，HCl按比例复配而成。

1.2  仪器与设备

JF-3型氧指数测定仪，南京江宁区仪器分析厂生产；im-DRY3001型导热系数测定仪，天津英贝尔科技发展有限公司生产；PENTAPYC 5200e型全自动开孔闭孔测定仪，美国Quantachrome仪器公司生产；S-3400型扫描电子显微镜，日本日立公司生产。

1.3  测试方法

密度按GB/T 6343-2009测试；导热系数按GB/T 10294-2008测试；垂直于板面方向的抗拉强度按JG149-2003测试；压缩强度按GB/T8813-2008测试；尺寸稳定性按GB/T 8811-2008测试；吸水率按GB/T 8810-2005测试；氧指数按GB/T 2406.1-2008测试；燃烧性能等级按GB 8624-2012测试。

1.4  技术路线

酚醛树脂改性模塑PS泡沫板是采用预发后PS颗粒与改性酚醛树脂复合阻燃剂通过包膜、干燥形成的微复合体系，从而实现材料的保温性能，遇火后表面阻燃、不熔融及不滴淌性能，达到了防火保温的目的。酚醛树脂改性模塑PS泡沫板制备路线见图1。

 

图1  酚醛树脂改性模塑PS泡沫板制备路线

复合阻燃剂由改性酚醛树脂和Al（OH）3复配而成，涂覆过程中将热固性酚醛树脂/Al（OH）3均匀涂覆在PS颗粒表面，实验过程中对材料的整体结构进行复配优选，通过实验对比，形成最优配方，有效提高材料阻燃特性，保证材料的保温效果。

1.5  主要制备工艺优化研究

可发性PS颗粒在发泡过程中，加工工艺参数（压力、温度、时间等）直接影响发泡体的结构和性能。本工作结合实际生产过程中的经验，主要讨论预发泡和熟化工艺的参数控制。同时，热固性酚醛树脂/Al（OH）3阻燃液的涂覆工艺对改性模塑PS泡沫板的制备也起到至关重要的作用。

1.5.1  预发泡工艺

实验采用蒸汽预发泡，使可发性PS颗粒膨胀到一定程度。预发泡过程中，蒸汽不断深入泡孔，使泡孔内压力不断增大，颗粒的体积也不断增大。生产中必须妥善控制好蒸汽压力及受热时间，否则会因过热遇冷而使发泡颗粒收缩，同时也应避免过高倍率，以免成型品收缩、变形。预发泡压力控制在0.15~0.20MPa，时间控制在180~200s较为合适，可得到理想状态的可发性PS颗粒。实际操作过程中需不断测量可发性PS颗粒的堆密度，以不断做出适当的微调。

1.5.2  熟化工艺参数控制

预发后，可发性PS颗粒内产生真空，表面带有水分，不符合成型要求。熟化的目的就是使空气进入颗粒内使发泡剂挥发，颗粒表面水分干燥。熟化处理过程中，泡孔内形成真空。同时，泡孔内压力与外界压力平衡使预发后的颗粒具有弹性。熟化周期决定于颗粒的密度、潮湿程度及贮存环境的温度等因素，最佳的熟化时间为16~24h。熟化温度也是重要的控制因素，预发可发性PS颗粒熟化的环境温度最佳值为20~25℃。当环境温度为18~22℃时，外界空气向泡孔渗入，泡孔内戊烷气体基本不向外扩散；当温度高于22℃，空气渗入的速率加快，泡孔内戊烷向外扩散而损耗。

1.5.3  热固性酚醛树脂/Al（OH）3阻燃液的涂覆工艺

泡粒包覆技术应确保使每一个泡粒都形成独立的阻隔层。阻隔层具有极强的阻燃效果，可减少热量、可燃物质和氧气的传递，即使在外界强火源持续作用下也不熔融滴淌。当Al（OH）3粉末投入到酚醛树脂中搅拌时，首先发生固体珠粒表面润湿过程，接着在搅拌作用下发生分散。热固性酚醛树脂/Al（OH）3的混合搅拌速率应根据实际工作温度以及酚醛树脂的动态黏度确定。在确定混合搅拌速率后，以高于临界搅拌速率的速率进行混合搅拌，制成热固性酚醛树脂/Al（OH）3阻燃液，然后完成涂覆。

2  结果与讨论

2.1  改性PS颗粒微观结构分析

由图2可知：包覆层为胶状物，主要为含碳元素的物质。经过包覆处理后，每个PS颗粒都实现了阻燃涂料的独立包裹，包裹层较均匀。良好的包覆效果使整个PS保温板具有良好的阻燃性能，热固性酚醛树脂/Al（OH）3阻燃液的使用保证了热固性PS泡沫的阻燃性能。

 

图2  改性PS颗粒扫描电子显微镜照片及能谱分析图

2.2  酚醛树脂和Al（OH）3含量对泡沫保温板保温性能的影响

在酚醛树脂含量不同的条件下（相对于PS颗粒，其质量为20g），具有不同Al（OH）3含量（相对于PS颗粒，其质量为20g）的改性PS泡沫保温材料的导热系数测试结果见表1。由表1和图3可知：将PS颗粒与阻燃液质量比限定在20：120以下的条件下，当Al（OH）3含量相同时，酚醛树脂改性模塑PS泡沫板的导热系数随着酚醛树脂含量的增加而不断增大。这说明采用泡粒包覆技术进行阻燃处理时，热固性酚醛树脂能够明显提高材料的导热系数。这可能是因为热固性酚醛树脂发泡后导致导热系数增大。

表1  不同酚醛树脂和Al（OH）3含量的保温材料的导热系数

Al（OH）3含量/g	酚醛树脂含量/g
	50	60	70	80	90	100
0	0.0326	0.0332	0.0337	0.0341	0.0345	0.0351
5	0.0335	0.0335	0.0338	0.0343	0.0346	0.0352
10	0.0343	0.0344	0.0346	0.0348	0.0350	0.0353
15	0.0348	0.0349	0.0352	0.0354	0.0354	0.0357
20	0.0355	0.0357	0.0357	0.0359	0.0362	0.0365

2.3  酚醛树脂和Al（OH）3含量对泡沫保温板氧指数的影响

在酚醛树脂含量不同的条件下（相对于PS颗，其质量为20g），具有不同Al（OH）3含量（相对于PS颗粒，其质量为20g）的改性PS泡沫保温材料的氧指数测试结果见表2。

表2  不同酚醛树脂和Al（OH）3的配比的保温材料的氧指数

Al（OH）3含量/g	酚醛树脂含量/g
	50	60	70	80	90	100
0	22.2	23.9	25.2	26.5	27.4	28.3
5	23.7	26.6	27.5	29.1	30.4	30.6
10	25.6	28.6	30.1	31.4	32.6	32.8
15	28.1	30.4	32.5	33.4	34.6	34.8
20	21.2	22.5	24.4	25.5	26.7	26.9

将PS颗粒与阻燃液的质量比限定在20：120以下，在酚醛树脂含量不同的条件下，考察Al（OH）3的含量对泡沫保温板氧指数的影响。当酚醛树脂质量一定时，保温材料的氧指数随着Al（OH）3含量的增加而不断增大，当Al（OH）3含量超过某一数值后，氧指数不再增加，反而急剧减小。这说明采用泡粒包覆技术进行阻燃处理时，Al（OH）3含量要控制在一定范围内才能够有效地提高改性模塑PS泡沫板的氧指数。当Al（OH）3含量相同时，氧指数随着酚醛树脂含量的增加而增大。这说明酚醛树脂在一定程度上能够提高保温板的氧指数。综合导热系数和氧指数指标，得出酚醛树脂含量和Al（OH）3最佳含量分别为100，15 g。

2.4  酚醛树脂改性模塑PS泡沫板燃烧性能测试

用喷枪1700℃火焰下喷射5min，记录燃烧过程现象从图4看出：包覆后的PS泡沫板燃烧后不熔融、无滴落，只是表面炭化而没有被烧穿，实现了热固性的燃烧性能，阻燃包覆后的PS保温板燃烧性能由热塑性改性为热固性；通过配制热固性酚醛树脂/Al（OH）3阻燃液，解决了保温板阻燃和保温相互制约的难题。

 

图4  酚醛树脂改性模塑PS泡沫板燃烧性能测试

2.5  酚醛树脂改性模塑PS泡沫板综合性能测试

从表3看出：阻燃包覆后的改性PS保温板燃烧性能可达B1级，热值为20.3MJ/kg，远小于普通PS热值（46.0MJ/kg）；保温系数小于0.0360W/（m·k），优于普通PS保温板的0.0390W/（m·k）。

 

 

表3  热固性PS泡沫保温板综合性能测试

项目	技术指标	检测结果
表观密度/（kg·m-3）	≤40.0	37.4
尺寸稳定性，%	≤2	1
压缩强度/kPa	≥150	162
导热系数/[W·（m·K）-1]	≤0.040	0.036
吸水率，%	≤2.0	1.8
氧指数，%	≥30.0	34.8

3  结论

a）通过配制热固性酚醛树脂/Al（OH）3阻燃液，解决了保温板阻燃和保温相互制约的难题。

b）阻燃包覆后的PS保温板燃烧性能由热塑性改性为热固性。

c）酚醛树脂改性模塑PS泡沫板各项性能参数均满足标准要求，导热系数为0.0330~0.0360W/（m·k），燃烧性能得到有效改善。

 

 

 

  

 

 

---摘自《合成树脂及塑料》2015年第32卷第5期