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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250 kg／m3；③粉煤灰漂珠：0．1~1mm，堆积密度260 Kg／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。