聚苯乙烯塑料(PS)由于具有优良的保温性能以及较低的成本等优点，在建筑节能材料领域广泛应用[1-2]。然而PS的阻燃性能较低，不符合现行保温材料标准[3-4]，因此需要对PS进行耐火改性，得到具有优异阻燃耐火性能的保温材料。目前，针对PS保温材料阻燃改性，常用的方法为在PS基体中添加阻燃剂或对PS进行阻燃处理[5]。周国梁等[6]采用熔融共混法在PS中加入改性坡缕石，制备坡缕石/PS阻燃材料，结果表明：坡缕石的添加量为10%，坡缕石/PS的热释放速率最低(651 W/m2)，相比纯PS(763 W/m2)热释放速率明显下降。唐鑫等[7]将溴化丁苯橡胶与PS混合，制备阻燃PS材料。结果表明：当溴化丁苯橡胶中溴原子含量为33.17%，PS材料具有最佳的阻燃性能，极限氧指数达到30.8%。然而针对PS复合材料的保温性能研究较少。氧化石墨烯(GO)具有大π共轭结构，可以与高分子聚合物之间有效结合[8]。此外，GO具有二维层间结构，可以作为壁垒减少热量释放，阻止可燃气体与聚合物基体之间的接触，增加材料的阻燃性[9]。本实验在PS中加入GO烯制备PS/GO复合材料，并探究GO的不同加入量对复合材料热稳定性、保温性能以及阻燃性能的影响。1实验部分1.1主要原料氧化石墨烯(GO)，纯度95%片径40~500 μm，厚度约1 nm，，深圳市粤创进化科技有限公司；聚苯乙烯(PS)，Bycolene 158K，扬子石化-巴斯夫有限责任公司；乙醇，分析纯，国药制药试剂有限公司；二氧化碳，纯度99.5%，宁波万里气体有限公司。1.2仪器与设备扫描电子显微镜(SEM)，SU8220，日本日立公司；氧指数测定仪(LOI)，38A，苏州阳屹沃尔奇检测技术有限公司；燃烧试验仪，FIA16000，江阴市仪器制造厂；万能电子试验机，CMT-5，美斯特工业系统有限公司；热导率测试仪，DRH-Ⅲ，湘潭市仪器仪表有限公司。1.3样品制备GO的分散：将10 g GO与500 mL无水乙醇混合，并超声6 h得到均一分散液，将分散液通过液氮冷冻12 h。将冷冻的分散液在冷冻干燥机中干燥48 h，得到GO粉末。PS/GO复合材料的制备：表1为PS/GO复合材料的配方。按照表1的配方将PS粉末、GO粉末放入密炼机中熔融混匀，设置温度200 ℃、时间15 min。将混合的粉末在膜压机中压片成型，设置压力10 MPa、温度200 ℃，保压时间12 min，得到PS复合片。将PS复合片置于高压釜，以二氧化碳作为发泡剂对其进行发泡，饱和压力为4.5 MPa，饱和时间36 h。饱和完成后迅速放气，将样品快速从高压釜中取出，并放置在预先设置120 ℃的油浴锅中进行发泡，发泡36 s，得到PS/GO复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.017.T001表1PS/GO复合材料的配方Tab.1Formula of PS/GO composites样品PSGO110002982396449465928%%1.4性能测试与表征SEM分析：样品粘贴在导电胶上，对样品喷金处理，观察样品表面形貌。阻燃性能测试：按GB/T 2408—2008进行测试，样品尺寸20 mm×20 mm×10 mm。燃烧性能测试：按GB/T 2408—2008进行测试，热流为10 kW/m2，样品尺寸40 mm×5 mm×5 mm。热导率测试：按ASTM D 5930—2001进行测试，样品为直径20 mm、厚度1 mm的圆盘。吸水率测试：样品（100 mm×100 mm×50 mm）浸入水中，保持96 h，按GB/T 8810—2005进行测试，计算其吸水前后的质量，得出吸水率。水蒸气透过系数测试：按GB/T 21332—2008进行测试，将试样密封在装有干燥剂的上端开口容器，将容器放置在温度30 ℃，湿度30%环境中，放置24 h，称量样品增重，测定水蒸气透过系数。2结果与讨论2.1SEM分析图1为纯PS材料和不同PS/GO复合材料的SEM照片。从图1可以看出，经过发泡后，PS形成明显的多孔结构，使PS基体中存在较多的空气，空气热导率较低可以有效隔绝热量传播，使PS具有较好的绝热性能。然而燃烧过程中，发泡PS中较多的空气，起助燃作用，从而降低PS的阻燃性能。GO的加入复合材料仍呈现多孔结构，与1号样品相比复合材料更蓬松。此外，随着GO含量的增加，复合材料的孔径逐渐变小。这是由于GO含量的增大，GO片层之间由于共轭作用发生堆叠而减小孔径。相比其他样品，4号样品的多孔结构分布较均匀，说明GO与PS基体之间相容性较好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.017.F001图1纯PS和不同PS/GO复合材料的SEM照片Fig.1SEM images of pure PS and different PS/GO composites2.2垂直燃烧及LOI分析表2为纯PS材料和不同PS/GO复合材料的LOI值和UL-94结果。从表2可以看出，随着GO含量的增加，PS/GO复合材料的垂直燃烧等级提升至V-1，并且燃烧滴落状态变为不滴落，说明GO的加入可以有效增强PS/GO复合材料的阻燃性能。此外，随着GO含量的增加，PS/GO复合材料的LOI值先增加后降低，并4号样品的LOI值最大(33.4%)。纯PS的LOI值仅为18.6%，这是由于PS中较多的空气使其不具有阻燃性，因此无垂直燃烧等级。而4号样品中，GO与PS之间分散良好，使GO可以较好地覆盖于PS基体表面，在燃烧过程中GO的二维层间结构可以作为壁垒降低热量释放，有效阻止可燃性气体与PS基体进行接触。5号样品的LOI值降至31.3%，这是由于GO含量较多，部分GO由于共轭作用发生堆积，在PS基体中分散性较差，使部分PS暴露。《绝热用模塑聚苯乙烯泡沫塑料》(GB/T 10801.1—2002)中规定绝热材料的LOI值应大于30%，因此4号样品和5号样品满足标准。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.017.T002表2纯PS和不同PS/GO复合材料的LOI值和UL-94结果Tab.2LOI value and UL-94 results of pure PS and different PS/GO composites样品UL-94等级是否滴落LOI/%1无等级是18.62V-2是24.93V-2是28.84V-1否33.45V-1否31.32.3锥形量热分析图2为不同PS材料的热释放速率(HRR)曲线。从图2可以看出，1号样品在点燃后燃烧过程剧烈，其HRR在60 s内迅速上升，并在180 s达到热释放速率峰值(pHRR)877.89 kW/m2。而加入GO，相较1号样品，PS/GO复合材料的HRR曲线更平缓，pHRR发生下降，并且燃烧时间延长，说明燃烧过程变缓慢。这是由于在燃烧过程中，GO表面的含氧官能团发生还原反应，吸收较多热量而降低热量传导。并且GO在基体表面形成连续的炭层，从而减缓热释放，从而降低复合材料在燃烧过程中释放热量[10-11]。4号样品HRR升高最缓慢，并且燃烧时间最长，约660 s，pHRR为525.76 kW/m2，说明其在燃烧过程中最缓慢，具有较好的阻燃性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.017.F002图2纯PS和不同PS/GO复合材料的HRR曲线Fig.2HRR curves of pure PS and different PS/GO composites烟雾产生量是衡量建筑保温材料火灾危险系数的重要指标之一[12]，因此对PS/GO复合材料的总产烟量(TSP)进行测试，图3为纯PS和不同PS/GO复合材料的TSP结果。从图3可以看出，在600 s内，1号样品的TSP最多，为764.06 m2。GO加入后，复合材料中TSP均发生下降，并且4号样品的TSP最低，为629.37 m2，说明GO的加入可以有效减少PS在燃烧过程中的TSP。这是原因为GO的残炭覆盖在PS表面，从而阻隔聚合物在降解过程中产生的挥发性气体，因此GO的加入有效降低材料的TSP，降低火灾危险系数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.017.F003图3纯PS和不同PS/GO复合材料的TSPFig.3TSP of pure PS and different PS/GO composites2.4残炭分析由于4号样品具有最佳的阻燃性能，因此对1号样品和4号样品的残炭进行分析，图4为1号样品和4号样品残炭的SEM照片。从图4可以看出，1号样品（纯PS）的炭层较蓬松，并且出现较多裂痕，使基体在燃烧过程中暴露在空气中，加剧燃烧。而4号样品燃烧后表面存在一层膜状物。这是GO燃烧后在PS表面形成炭层，炭层可以有效阻隔热量向基体传递。图41号样品和4号样品残炭的SEM照片Fig.4SEM images of residual carbon of samples 1 and 410.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.017.F4a1（a）1号样品10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.017.F4a2（b）4号样品2.5保温性能分析图5为纯PS和不同PS/GO复合材料的导热系数，导热系数越低，说明材料的保温性能越好。从图5可以看出，随着GO含量的增加，复合材料的导热系数逐渐增大。这是由于GO的导热系数比PS大。1号样品的导热系数最低，为0.021 W/(m·K)，说明其保温性能最好。5号样品的导热系数最大，为0.042 1 W/(m·K)，这是GO含量较多导致。《绝热用模塑聚苯乙烯泡沫塑料》(GB/T 10801.1—2002)规定，保温材料的导热系数不大于0.041 W/(m·K)，因此1号、2号、3号和4号样品的导热系数均满足标准。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.017.F005图5纯PS和不同PS/GO复合材料的导热系数Fig.5Thermal conductivity of pure PS and different PS/GO composites表3为纯PS和不同PS/GO复合材料的吸水率以及水蒸气透过系数。从表3可以看出，随着GO含量的增加，由于GO表面的含氧官能团增大亲水性，使材料的吸水率以及水蒸气透过系数均增加，且5号样品达到最大值，分别为6.13%和4.60 ng/(Pa·m·s)。《绝热用模塑聚苯乙烯泡沫塑料》(GB/T 10801.1—2002)中规定，保温材料的吸水性以及水蒸气透过率低于6%和6 ng/(Pa·m·s)，该配比不适合用于保温材料。而在其他的配比中，PS/GO保温材料的吸水率以及水蒸气透过系数均低于规定值，说明其具有良好的保温性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.01.017.T003表3纯PS和不同PS/GO复合材料的吸水率以及水蒸气透过系数Tab.3Water absorption and water vapor transmittance of pure PS and different PS/GO composites样品吸水率/%水蒸气透过系数/［ng·（Pa·m·s）-1］14.653.1524.893.4935.244.0145.874.4256.134.603结论（1）GO的加入使PS的阻燃性能明显增强。GO添加量为6%时，4号样品具有最佳的阻燃性能，其LOI值达到33.4%，并且HRR最低，pHRR仅为525.76 kW/m2，燃烧过程缓慢。由于GO可以有效抑制挥发性气体产生，4号样品的TSP最低，为629.37 m2，说明GO有效降低PS火灾危险性。（2）4号样品的导热系数为0.034 2 W/(m·K)，并且其吸水率以及水蒸气透过系数也满足相关标准，说明4号样品可以有效用于保温建筑材料。