可发性聚苯乙烯(EPS)具有密度低、尺寸稳定性好、保温隔热和裁切加工性好等优点，被广泛应用为建筑外墙和屋面保温材料。但是普通EPS是一种可燃塑料，遇火迅速熔融、剧烈燃烧，且产生大量浓烟和有毒气体，不能满足节能环保要求，且存在严重的消防安全隐患[1-2]。目前主要通过六溴环十二烷等卤素阻燃剂改性EPS，提高其阻燃性能，降低燃烧风险[3-4]。林玉芳等[5]采用六溴环十二烷和炭黑作为阻燃剂，制备EPS泡沫板，使其阻燃等级达到B1级。虽然含卤素阻燃剂改性后，EPS阻燃等级得到显著提高，但是遇火时，阻燃剂依然释放大量有毒、腐蚀性烟气，因此这类阻燃剂已经被欧盟等国家和组织禁止[6-7]。另外，随着《建筑节能工程施工质量验收标准》(GB 50411—2019)的实施，加强对建筑保温材料的节能环保和防火要求，因此，利用环保型阻燃剂制备EPS保温材料受研究者关注。膨胀石墨(EG)具有耐高温、遇火体积膨胀、低烟无毒、阻燃效率高等特点。EG受热膨胀后，在材料表面形成石墨炭层，炭层阻隔材料与氧气接触，发挥隔氧、隔热等作用，因此EG可以作为一种新型环保型高效阻燃剂[8-9]。张淼等[10]利用EG作为阻燃剂，制备热固性EPS保温板，研究表明，阻燃剂EG显著提高EPS保温板的阻燃性能。随着EG的加入，将保温板的极限氧指数(LOI)提高至29.4%，残炭率提高至40%，垂直燃烧等级可达到V-0级。本实验利用EG作为阻燃剂加入EPS基体，制备EPS/EG保温材料，并通过测试导热系数、保温隔热性能、热稳定性和阻燃性能，研究复合材料的节能环保效应。1实验部分1.1主要原料可发性聚苯乙烯颗粒(EPS)，粒径约1.0 mm，东莞市思威尔塑胶原料有限公司：膨胀石墨(EG)，100目，青岛富雷克石墨新材料有限公司。1.2仪器与设备密炼机，X(S)N-5，欧亚橡塑机械有限公司。平板硫化机，HZ-7014A，东莞市力显仪器科技有限公司；导热系数测试仪，DRH，山东龙煤工矿机械有限公司；热重分析仪(TG)，TGA-2，梅特勒托利多集团；扫描电子显微镜(SEM)，EVA，北京普瑞赛司仪器有限公司；氧指数测试仪(LOI)，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；单体燃烧测试仪，JCRS-SBI，东莞市昆仑工业技术有限公司。1.3EPS保温材料制备表1为EPS/EG保温材料的配方。按照表1配方准确称取EPS和EG，放入温度为120 ℃密炼机中进行熔融混匀，时间为20 min。向电热锅中加入1 L水加热至100 ℃，将物料加入电热锅中利用水蒸气进行预发泡，发泡时间为10 min。将发泡的EPS和EG混合物倒入模具，将模具放在平板硫化机上模压成型，成型压力为8 MPa，持续5 min，得到EPS/EG复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.014.T001表1EPS/EG保温材料的配方Tab.1Formula of thermal insulation material of EPS/EG样品编号EPSEG110002982396449465928gg1.4性能测试与表征导热系数测试：按GB/T 10294—2008进行测试，试样尺寸为300 mm×300 mm×10 mm。TG分析：空气气氛下，升温速率为10 ℃/min，温度范围50~750 ℃。SEM分析：对样品喷金处理，观察样品表面形貌。LOI测试：按GB/T 2406.2—2009进行测试，试样尺寸为100 mm×10 mm×4 mm，氧气流速为(40±2) mL/s。按GB 8624—2012判定B1级材料LOI不低于30%。可燃性测试：按GB/T 8626—2007进行测试，试样尺寸为250 mm×90 mm×10 mm，按GB/T 8624—2012中B1级判定，点火30 s，60 s内焰尖高度Fs≤150 mm，且无燃烧滴落物引燃滤纸现象。单体燃烧性能测试：按GB/T 20284—2006进行测试，试样的长翼1 000 mm×1 500 mm×10 mm，短翼500 mm×1 500 mm×10 mm。按GB 8624—2012中B1级判定，燃烧增长速率指数(FIGRA0.4MJ)≤250 W/s，火焰横向蔓延未到达长翼边缘，600 s总放热量(THR600s)≤15 MJ/m2，总产烟量(TSP600s)≤200 m2。保温隔热性能测试：制作3个中空边长100 mm的C25混凝土房屋模型，1个壁厚100 mm，另2个壁厚90 mm；壁厚90 mm的模型外侧分别利用砂浆粘贴10 mm厚的1号和4号样。模型内部中心位置、外侧面四角和中心贴1个热电偶，外表面温度为外侧面平均温度。模型顶面1 m处放2 500 W热源，加热4 h。再将模型移入20 ℃实验室中自然冷却。2结果与分析2.1EPS试样SEM分析图1为加入EG前后EPS试样的SEM照片。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.014.F001图1加入EG前后EPS试样的SEM照片Fig.1SEM images of EPS samples before and after adding EG从图1a可以看出，未加EG时，EPS发泡后的泡孔较少且尺寸不同，孔壁厚度不均匀。从图1b~图1e可以看出，随着EG的加入，EPS试样内部泡孔逐渐增多，且分布均匀。2号样和3号样的EPS泡孔比1号样多，但是孔径尺寸仍然不均匀。与1号样、2号样和3号相比，4号样和5号样的孔数量明显增多，而且孔分布相对均匀。但是5号样内部的孔较4号样大，而且有些孔相连在一起，孔壁较薄，甚至有些孔洞破损或贯通，而破损或贯通的孔受热时引起内部气体热对流，对材料保温性能不利。因为加入一定量EG，均匀分散在EPS基体中，提高EPS的分散性，有助于EPS发泡，使EPS发泡更均匀、成孔更多；但是过量的EG，使EPS成孔太多且孔径太大，造成孔与孔间隔缩小，孔壁太薄，导致有些孔破损或贯通[11]。2.2节能效应分析通过测试EPS复合材料的导热系数、保温隔热性能、热稳定性，评价EPS复合材料的节能效应。2.2.1导热系数分析图2为不同试样导热系数测试结果。从图2可以看出，随着EG加入量增加，EPS保温材料导热系数先降低后增大，但是过多的EG使EPS产生的泡孔过大或贯通，容易造成泡孔内气体热对流，导致导热系数增大。当EG加入量为6%，保温4号样导热系数最低，为0.030 8 W/(m·K)，表明EPS保温材料具有较好的保温性能。根据GB/T 10801.1—2002，EPS保温材料导热系数不超过0.041 W/(m·K)，所有试样的导热系数均满足标准要求，加入6%的EG，EPS导热系数最低，保温性能最好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.014.F002图2不同EPS试样的导热系数Fig.2Thermal conductivity of different EPS samples2.2.2保温隔热性能分析为了模拟实际房屋使用过程中，EPS保温材料的节能保温效果，制作房屋模拟模型，并测试材料保温效果。EG加入6%时，导热系数最低，因此选择3种模型测试，分别为不贴EPS模型，贴1号样的模型和贴4号样的模型，图3为房屋模型外表面平均温度和内部温度。从图3a可以看出，不同模型外部温度曲线基本重合，说明模型外部温度变化基本一致，模型外部直接与加热环境相连，模型外表面温度相同。从图3b可以看出，未贴EPS的纯混凝土模型内部温度上升较快，1.5 h达到50 ℃；贴1号样的模型内部升温较慢；贴4号样的模型内部温度变化更慢，加热4 h，贴1号样和4号样的模型内部温度分别为33.1 ℃和28.3 ℃。自然降温阶段，纯混凝土模型内部温度下降较快，1.5 h降至20 ℃；贴1号样的模型内部降温减慢，贴4号样的模型内部温度降低速率更慢，4 h后贴1号样和4号样的模型内部温度分别为23.2 ℃和25.9 ℃。说明加入EG的EPS保温材料显著提高房屋模型的保温隔热性能。因为EPS塑料的导热系数较低，EPS提高模型的保温隔热性能，EG加入后，使EPS保温材料的保温性能进一步提高[12-13]。图3房屋模型外表面平均温度和内部温度Fig.3Average surface temperature of and internal temperature of building model10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.014.F3a1(a)外表面平均温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.014.F3a2(b)内部温度2.2.3热稳定性分析图4为EPS试样的TG曲线。从图4可以看出，1号样在260 ℃失重急剧减少；350 ℃时，EPS基本完成分解，残炭率为2.9%。加入EG后，不同试样的EPS初始热分解温度和分解完成温度逐渐增大，残炭率也逐渐增大。4号样的热分解温度达到450 ℃，残炭率为29.0%。5号样热分解温度达到490 ℃，残炭率为32.8%，5号样热稳定性相对于4号样继续提高，但提高幅度不大。说明随着EG的加入，EPS热分解温度逐渐升高，提高EPS的热稳定性。EG受热分解膨胀，形成炭层覆盖在EPS基体表面，抑制EPS的分解，随着EG的加入，EPS试样的分解温度滞后[14]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.014.F004图4EPS试样的TG曲线Fig.4TG curves of EPS samplesEG加入量为6%时，EPS保温材料的导热系数最低，保温性能最好，热稳定性较高，综合节能效应最好。2.2.4阻燃性能分析表2为不同EPS保温材料的阻燃性能。从表2可以看出，1号样、2号样和3号样未达到B1级，4号样和5号样都达到B1级要求。与1号样相比，4号样和5号样LOI分别高13.4%和15.2%，说明EG的加入，提高保温材料的阻燃性能。因为EG受热膨胀吸热降低材料表面温度，且膨胀炭层覆盖在EPS基体表面起隔热和阻隔氧气作用，提高LOI，阻碍EPS继续降解和燃烧[12,15]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.014.T002表2不同EPS试样的阻燃性能Tab.2Flame retardancy of different EPS samples项目样品编号12345Fs≤150 mm否否是是是是否引燃滤纸是是是否否燃烧现象熔融/发烟熔融/发烟熔融/发烟熔融熔融FIGRA0.4MJ/（W‧s-1）280266238201189LOI/%18.622.928.832.033.8火焰横向蔓延至长翼边缘是是否否否达到B1级否否否是是图5为加入EG前后EPS试样的燃烧SEM照片。从图5可以看出，1号样燃烧后，表面出现褶皱和滴落熔融现象；加入EG后，4号样的EG残炭包裹在EPS基体表面，使EPS的六边形骨架清晰可见，说明EG阻止EPS进一步降解和燃烧，提高EPS的阻燃性能[15]，与表2结果一致。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.014.F005图5加入EG前后EPS试样的燃烧SEM照片Fig.5SEM images of combustion of EPS samples before and after adding EG图6为EPS/EG复合保温材料燃烧TSP600s结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.014.F006图6不同EPS试样总产烟量Fig.6Total smoke production of different EPS samples从图6可以看出，600 s内1号样的TSP600s最大，为493.69 m2，说明在燃烧过程中产生大量烟雾。随着EG的加入，试样TSP600s逐渐降低，但是2号和3号样的TSP600s未达到B1级要求；4号样的TSP600s为1 65.41 m2，满足B1级要求；5号样达到最低TSP600s (104.22 m2)。说明EG可以有效减少EPS燃烧过程中的产烟量。因为EG受热膨胀炭层覆盖在EPS基体表面阻隔氧气和热量传播，阻碍EPS的燃烧和挥发性气体的释放，因此EG加入有效降低复合材料的产烟量[12,15]。3结论（1）EG的加入，提高EPS内部泡孔的均匀性。随着EG加入量增加，EPS保温材料导热系数先减小后增大，EPS保温材料的热稳定性逐渐提高，EPS保温材料的阻燃性能不断提高。（2）当EG加入量为6%，EPS保温材料的综合节能环保效应较好，保温隔热性能和热稳定性较好；阻燃性达到B1级，与纯EPS相比，LOI提高13.4%，TSP600s降低328.28 m2。