关于环氧泡沫保温材料的配方研究

环氧泡沫保温材料的配方研究吕平摘要：采用双酚A环氧树脂，以铝粉和NaOH溶液为发泡剂，添加空心微珠等材料制得环氧保温材料。结果表明，该材料具有保温性好、防火、无毒、吸水率低等优点，并兼有吸声和阻尼效果。通过材料性能分析，提出了较佳配方及工艺参数。该材料在建筑、交通、工业及国防等领域有广阔的应用前景。关键词：保温材料环氧泡沫空心微珠1前言环氧树脂具有粘结性好、强度高、无毒、常温固化、可发泡以及稳定性好等特点。以其为基料，添加空心微珠，并用铝粉发泡，可制成环氯泡沫保温材料。这种保温材料具有保温性好、吸水性小、无毒、耐热性及防火性好等优点，并兼有吸声及阻尼效果。该材料的研究和应用，弥补了我国有机保温材料防火性差、有毒性以及适用范围窄等不足。它在建筑、交通、工业及国防等领域具有广阔的应用前景。2实验2．1原料(1)双酚A环氧树脂(2)固化剂。采用2种固化剂：聚酰胺固化剂(固化剂-1)及脂肪酸改性多元胺固化剂(固化剂-2)进行实验。(3)发泡材料。一般国产有机发泡剂的毒性较大，不能采用；而铝粉在碱性条件下反应，生成的氢气及A1(OH)3胶体，均无毒，A1(OH)3还有很好的阻燃性，对提高保温材料的阻燃性有益。故采用铝粉和NaOH溶液为发泡材料。(4)空心微珠。提高保温材料孔隙率是改善保温材料性能的有效措施之一。提高孔隙率可以采用以下2种方法：一是发泡，二是选用空心填料。单纯依靠发泡来提高孔隙率会造成材料的强度及硬度降低，力学性能下降。因此，在发泡的同时，有必要引入合适的空心微珠作填料，在不影响力学性能的基础上，改善保温性能。常用的空心微珠有：空心玻璃微珠、活性碳、粉煤灰漂珠和酚醛微珠等。实验时我们对前3种空心微珠进行了研究。空心微珠指标：①空心玻璃微珠：粒径10~180µm，堆积密度120kg／m3；②活性炭：粒径1.0~2.5mm，堆积密度250kg／m3；③粉煤灰漂珠：0．1~1mm，堆积密度260Kg／m3。(5)其它材料。采用95％乙醇(工业纯)为稀释剂，阻燃剂为海洋化工研究院生产的无毒性阻燃剂。2．2配方实验配方如表1所示。2．3工艺及成型将环氧树脂用乙醇稀释，加入铝粉、空心微珠及固化剂，搅拌均匀；然后滴人适量NaOH溶液，迅速搅拌均匀，将形成的混合料注入模具中；混合料在60~110min以内逐渐发泡、膨胀并硬化成型，脱模后即为所需保温材料。工艺参数：成型温度和湿度：10~30℃，相对湿度70％~95％；搅拌：转速300次／min，时间10min；浇注成型，固化时间60~110min。2．4实验方法(1)表观密度(ρo)：采用静水天平置换法，仪器：分析天平(感量0．01g)。(2)孔隙率(P)：采用李氏比重瓶法测出密度(ρ)，孔隙率P=(1-ρo/ρ)×100％。(3)导热系数：采用DRP-1双平板导热仪测试，40℃。(4)强度：在万能材料试验机上测定材料的抗压和抗折强度。(5)吸水率(W)：W＝(Gl—G)／G×100％，Gl、G分别表可试件在吸水饱和及绝对干燥条件上下的质量。(6)阻燃性：采用氧指数仪测定材料的氧指数。(7)吸声性能及阻尼性能：委托中科院声学所检测吸声系数及阻尼损耗因子。3实验结果与讨论3．1固化剂种类及用量的影响固化剂-1及固化剂-2在不同掺量条件下的实验结果列于表2。由表2可见，2种固化剂中，固化剂-l的固化速度较慢。其掺量为5％~20％，固化时间为l10~50min。由于固化时间长，混合料有足够的时间充分发泡，有利于形成数量多且分布均匀的孔隙。因此，所形成材料的孔隙率较高，表观密度较低，但强度偏低。固化剂-2的固化速度快，掺量为5％~15％时，固化时间仅为65~30min，混合料粘度迅速增加，影响了气泡的形成，故材料密度较大，孔隙率小，强度较高。根据上述结果，选择固化速度较慢的固化剂-1，以便材料充分发泡，提高孔隙率，降低表观密度，使材料具有优良的保温性能。固化剂-l的用量为10％~15％，材料不仅孔隙较多，而且还具有一定的强度。3．2发泡材料的影响发泡材料铝粉及饱和NaOH溶液用量与材料表现密度、孔隙率、吸水率及抗压强度的关系列于表3。表3实验结果说明，当铝粉用量由0．3％增至0．6％时，发泡数量增加，因此，表观密度明显降低，孔隙率提高，而强度降低。孔隙(包括开口孔隙)增多，吸水率增大。为使保温材料具有较好的保温性能，同时具有一定的强度，且吸水率较低，铝粉的用量以0．4％~0.5％为宜。饱和NaOH溶液的实验结果与铝粉类似，但它对吸水率及强度的影响更显著，掺量为0．5％时性能较好。3．3空心微珠的影响解决保温性能与其它性能矛盾的有效措施是引入空心微珠。空心微珠本身是多子孔的(且孔隙封闭)，堆积密度小，可明显提高材料的孔隙率，并且填充粗大孔隙，使材料的孔隙构造发生变化，在改善保温性能的同时，不会造成吸水率增大或强度降低。空心玻璃微珠用量以及它与活性炭、粉煤灰漂珠搭配使用，材料表观密度、吸水率、抗压强度及发泡的影响见表4。由表4可见(1)当空心玻璃微珠掺量在8％~40％时，随着微珠用量增加，材料的表观密度降低，吸水率也降低，而强度提高。说明引入空心微珠确实可以改善材料的综合性能。但当空心玻璃微珠用量超出40％，达到56％时，由于混合料过干，造成发泡困难，影响了性能。所以空心玻璃微珠掺量不宜超过40％。(2)当将不同的空心微珠搭配使用时，其效果比掺等量同一种的空心玻璃微珠更好。如空心微珠掺量均为24％时，掺3种空心微珠(等量)的材料要比单独掺空心微珠的材料更轻，强度也略有增加。而且，当3种空心微珠的用量(质量比)为：活性炭：粉煤灰漂珠：空心玻璃微珠=1：(1~2)：(3~4)时，效果更好。3．4性能检测结果较佳配比的环氧泡沫材料表观密度不大于265kg／m3，孔隙率不大于45％，吸水率为2．7％，抗压强度不小于0．28MPa，抗折强度大于0．1MPa，导热系数不小于0．042W／(m·K)，氧指数不小于28，耐热性：100℃不降解，吸声系数不小于0．12，损耗因子不小于0．11。4结论(1)以双酚A环氧树脂为基料，添加空心微珠，用铝粉和饱和NaOH溶液发泡，并加固化剂-1及适量阻燃剂，可制成任意尺寸和形状的环氧泡沫保温材料制品。(2)较佳配比：固化剂—1掺量为10％一15％；铝粉用量为0．4％~0．5％；饱和NaOH溶液用量0．5％；空心微珠掺量8％~40％，3种微珠用量比为活性炭：粉煤灰漂珠：空心玻璃微珠=1：(1~2)：(3~4)，阻燃剂适量。(3)材料具有保温性好、吸水率低、防火性好、无毒等特点，具有较高的强度、耐热性，并兼有吸声、阻尼减振等效果。