聚苯乙烯(PS)是保温性能良好的热塑性塑料。以PS为原材料，加入发泡、改性助剂等制备PS复合材料，其密度一般为14~28 kg/m3，具有良好的保温隔热性能、缓冲性能和较低的吸水率，被广泛应用于保温工程，包括屋面、地面、外墙等[1-3]。但是，纯PS易燃烧且产生有毒黑烟，其阻燃性能无法满足《建筑节能工程施工质量验收规范》(GB 50411—2019)对建筑节能保温材料阻燃等级的要求[4-5]。添加改性助剂可提高PS复合材料阻燃性能[6-7]。林玉芳等[8]采用六溴环十二烷为阻燃剂，制备PS复合材料，显著提高其阻燃性，达到B1级。含卤素阻燃剂对提高阻燃等级效果显著，但是其遇火会产生有毒物质，国际组织已禁止向有机物中添加卤素阻燃助剂[9]。目前主要采用无卤改性助剂，制备阻燃型PS复合材料。陈巧玲[10]制备了磷酸化壳聚糖(CA)，并用于提高可发性聚苯乙烯泡沫(EPS)的阻燃性能。结果表明：20 g CA包覆25 g EPS，与传统膨胀型阻燃剂包覆样品相比，EPS表现出更好的阻燃性能。然而，对PS复合材料的保温性能或力学性能等研究较少。碳纤维(CF)是一种轻质高强、阻燃性能强、热稳定性高的纤维材料。然而，纯CF的表面能较低，与聚合物基体的相容性较差，通常需要加入偶联剂对CF表面进行改性处理，提高CF与聚合物基体的相容性[11-13]。本实验制备保温阻燃型PS/CF复合材料，并研究PS/CF复合材料的保温性能、阻燃性能、力学性能和热稳定性。1实验部分1.1主要原料碳纤维(CF)，3~5 mm，盐城市翔盛碳纤维科技有限公司；聚苯乙烯(PS)，RG-525B，济南顺意鑫新材料科技有限公司；增塑剂，邻苯二甲酸二丁酯，DBP，工业级，上海凯赛化工有限公司；发泡剂，异戊烷，纯度98%，成都宏锦化工有限责任公司；固化剂，PKA602，东莞江兴实业有限公司；硅烷偶联剂，KH-560，纯度99%，济南佳华化工科技有限公司。1.2仪器与设备EPS预发泡机，EPS-650，佛山市南海汇莱机械模具制造厂；真空干燥箱，DZF-6250N，无锡玛瑞特科技有限公司；抗冲击试验机，JDB-750W，济南联工测试技术有限公司；EPS板材成型机，HS-CXJ-K，浙江华昇机械设备有限公司；平板导热仪，TSWL-DR3030、建筑材料单体燃烧试验装置，TSWL-SBI，天津赛威朗仪器设备有限公司；全自动锥形量热仪，ZDHW-5000C，鹤壁市先锋仪器仪表有限公司；可燃性试验炉，ZY6017F，东莞市中诺质检仪器设备有限公司；氧指数测定仪(LOI)，HC-2，上海高致精密仪器有限公司；电子万能试验机，WDW-5，长春新试验机有限责任公司；扫描电子显微镜(SEM)，SX-4，日本JEOL公司；热重分析仪(TG)，HTG-2，北京恒久实验设备有限公司。1.3样品制备表1为PS/CF复合材料配方。按表1配方将PS和发泡剂投入混料机内混合；将PS和发泡剂混合物投入压力0.4 MPa、温度90 ℃的预发泡机内进行预发泡；将预发泡的PS放入80 ℃条件下真空干燥箱中烘10 h；将表面处理的CF、发泡PS、固化剂、增塑剂投入混料机内混合，在60 ℃条件下真空干燥箱中干燥6 h；将干燥的混合物放入90~100 ℃的板材成型机中，并向模具内注入100 ℃的蒸汽，压力0.1 MPa保持10 min，排除蒸汽并送入冷水快速冷却，脱模得到PS/CF复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.007.T001表1PS/CF复合材料配方Tab.1Formula of PS/CF composites样品PSCF发泡剂DBP固化剂KH-560Y1#93.003.20.82.01.0Y2#89.04.03.20.82.01.0Y3#85.08.03.20.82.01.0Y4#81.012.03.20.82.01.0%%1.4性能测试与表征表观密度测试：按GB/T 6343—2009进行测试，样品厚度20 mm。导热系数测试：按GB/T 10294—2008进行测试，样品厚度20 mm。SEM分析：对样品表面喷金处理，加速电压20 kV。阻燃性能测试：可燃性按GB/T 8626—2007进行测试；单体燃烧按GB/T 20284—2006进行测试：锥形量热按ANSI/UL 94进行测试；LOI值按GB/T 2406.2—2009进行测试。样品厚度均为10 mm。力学性能测试：压缩强度按GB/T 8813—2020进行测试，压缩速度5 mm/min，样品厚度50 mm；抗拉强度按GB/T 29906—2013进行测试，拉伸速度5 mm/min，样品厚度30 mm；断裂弯曲负荷按GB/T 8812.1—2007进行测试，弯曲速度50 mm/min，样品厚度20 mm；抗冲击强度按GB/T 1843—2008进行测试，采用A型缺口，样品尺寸80 mm×10 mm×4 mm。尺寸稳定性测试：按GB/T 8811—2008进行测试，70 ℃下保持48 h，样品尺寸100 mm×100 mm×25 mm。TG分析：N2气氛，升温速率10 ℃/min从室温升至700 ℃。2结果与分析2.1保温性能图1为PS/CF复合材料的表观密度和导热系数。图2为PS/CF复合材料的SEM照片。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.007.F001图1PS/CF复合材料的表观密度和导热系数Fig.1Apparent density and thermal conductivity of PS/CF composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.007.F002图2PS/CF复合材料的SEM照片Fig.2SEM images of PS/CF composites从图1可以看出，复合材料表观密度和导热系数均随CF掺量的增加不断增大。原因包括两方面：（1）CF的加入增加了反应混合物的黏度，使PS发泡时不易体积膨胀，导致PS发泡的气泡直径变小。（2）CF的导热系数大于PS泡沫塑料的导热系数，CF掺量增加会增大PS/CF复合材料的导热系数[14-15]。《绝热用模塑聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)》(GB/T 10801.1—2021)和《模塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统材料》(GB/T 29906—2013)要求PS的导热系数分别不超过0.037 W/(m·K)和0.039 W/(m·K)。CF掺量8%时，PS/CF复合材料导热系数为0.035 9 W/(m·K)，满足这两个标准要求。CF掺量达到12%时，PS/CF复合材料导热系数为0.040 9 W/(m·K)，无法满足这两个标准要求。从图2可以看出，随着CF掺量的增加，样品微观气孔逐渐变小，孔壁变厚，造成PS/CF复合材料表观密度变大。CF密度大于PS密度，CF掺量增加，增加了PS/CF复合材料表观密度，这与图1中密度变化规律一致，而对于同种材料，表观密度越大，导热系数越大。2.2阻燃性能表2为PS/CF复合材料阻燃性能。从表2可以看出，样品Y1#的阻燃性能最差。随着CF掺量增加，样品Y2#~Y4#的燃烧焰尖高度(Fs)逐渐降低，LOI值不断增大，燃烧增长速率指数(FIGRA0.4 MJ)逐渐减小。CF掺量达到8%时，样品Y3#燃烧未引燃滤纸，火焰横向蔓延未到达试样长翼边缘，且阻燃等级达到B1级。继续增加CF掺量，PS/CF复合材料的阻燃性能进一步提高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.007.T002表2PS/CF复合材料的阻燃性能Tab.2Flame retardant properties of PS/CF composites样品Fs/mm是否引燃滤纸FIGRA0.4 MJ/（W·s-1）LOI/%火焰横向蔓延到试样长翼边缘达到B1级Y1#170.0是281.018.6是否Y2#158.0是254.024.5是否Y3#126.0否204.032.1否是Y4#105.0否185.033.6否是主要原因是CF作为一种耐高温的不燃材料，分散和覆盖在PS表面，当热源或火源接近PS/CF复合材料时，CF在PS表面形成一层炭层，覆盖在复合材料表面，导致氧气和热量难以进入复合材料深层部位，抑制PS/CF复合材料继续燃烧。随着CF掺量的增加，PS/CF复合材料的阻燃性能逐渐提高[16]。火灾发生时，燃烧产生的有毒烟雾危害人体生命安全[17]。图3为PS/CF复合材料总产烟量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.007.F003图3PS/CF复合材料总产烟量Fig.3Total smoke production of PS/CF composite从图3可以看出，在600 s内，样品Y1#的燃烧总产烟量(TSP600 s)最大，达到354.5 m2，达不到GB 8624—2012标准中建筑材料s2产烟特性等级要求（TSP600 s不超过200 m2）。随着CF掺量增加，样品的TSP600 s不断降低，且降低幅度较大，样品Y3#和Y4#的TSP600 s均满足GB 8624—2012中s2产烟特性等级要求。因为受热时CF在PS表面形成炭层覆盖在复合材料表面，抑制复合材料继续燃烧和PS降解，减少了烟雾[18]。图4为PS/CF复合材料总热释放量。从图4可以看出，随着时间的延长，所有样品的总热释放量(THR)均不断增大；THR曲线在100 s后，样品Y1#逐渐上升，随着CF的加入，样品Y2#~Y4#的THR曲线增长速率逐渐变小。同一时间，随着CF掺量的增加，THR值不断降低，说明CF的加入抑制样品的燃烧。因为未加CF时，样品Y1#快速降解和燃烧，热量释放不断进行；加入CF后，其受热形成炭层覆盖在PS/CF复合材料表面，抑制复合材料降解或燃烧[16-17]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.007.F004图4PS/CF复合材料总热释放量Fig.4Total heat release of PS/CF compositeCF掺量的增加，提高了PS/CF复合材料的阻燃性能，当CF掺量达到8%时，PS/CF复合材料阻燃性能达到GB 8624—2012中阻燃等级B1级和建筑材料s2产烟特性等级，满足建筑用保温材料的阻燃性能要求。2.3力学性能图5为PS/CF复合材料的力学性能。图5PS/CF复合材料力学性能Fig.5Mechanical properties of PS/CF composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.007.F5a1(a)压缩强度和抗拉强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.007.F5a2(b)断裂弯曲负荷和抗冲击强度从图5可以看出，随着CF掺量增加，PS/CF复合材料的压缩强度、抗拉强度、断裂弯曲负荷和抗冲击强度均逐渐增大。当CF掺量8%时，复合材料的压缩强度、抗拉强度、断裂弯曲负荷和抗冲击强度分别为110 MPa、0.15 MPa、25 N和1.1 kJ/m2。与Y1#相比，Y2#~Y4#的压缩强度分别增长了7.2%、13.4%、16.4%；Y2#~Y4#的抗拉强度分别增长了50%、150%、183%；Y2#~Y4#的断裂弯曲负荷分别增长了30%、67%、80%；Y2#~Y4#的抗冲击强度分别增长了133%、267%、333%。CF对PS/CF复合材料的压缩强度有所提高，但提高程度不显著；对抗拉强度、断裂弯曲负荷和抗冲击强度提高幅度较大。CF掺量低于8%时，复合材料的抗拉强度、断裂弯曲负荷和抗冲击强度增大速率较大。原因是压缩强度体现样品承受垂直于表面的荷载，而CF主要是承受纵向荷载力，CF对压缩强度的直接贡献不大。但是，CF的加入降低了PS/CF复合材料气孔直径、增加了气孔壁厚，增大了PS/CF复合材料表观密度，因此随着CF增加，PS/CF复合材料的压缩强度逐渐增大，但增大不显著。对于抗拉强度、断裂弯曲负荷和抗冲击强度，在受力时，PS/CF复合材料中分散的CF都直接承受了荷载，当外部荷载传递到CF时，由于CF的高强度，能够提高PS/CF复合材料的抗拉、抗弯和抗冲击荷载。因此，CF掺量越高，PS/CF复合材料的抗拉强度、断裂弯曲负荷和抗冲击强度越大。当CF掺量超过8%，PS/CF复合材料的抗拉强度、断裂弯曲负荷和抗冲击强度增长缓慢。可能是因为CF为8%时，CF在PS基体中的分散基本达到饱和，继续增加CF对PS/CF复合材料承受荷载的贡献有限[19]。总体分析，CF的加入使PS/CF复合材料的力学性能得到提高。2.4热稳定性图6为PS/CF复合材料尺寸稳定性。从图6可以看出，随着CF掺量增加，样品尺寸稳定性值变小，当CF掺量8%时，样品尺寸稳定性为0.9%，说明尺寸稳定性得到提高。主要原因是：CF的化学性能稳定、热稳定性高、热膨胀系数低，CF分散到PS基体中降低了复合材料受热时的体积膨胀；另外，CF属于纤维状，分散到PS基体中形成交错的网状结构，抑制了PS分子受热时的移动，使PS/CF复合材料受热时体积变化更小。因此，CF的加入提高了PS/CF复合材料的尺寸稳定性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.007.F006图6PS/CF复合材料尺寸稳定性Fig.6Dimensional stability of PS/CF composites图7为PS/CF复合材料TG曲线。从图7可以看出，未加CF时，样品Y1#在265 ℃时，TG曲线出现下降，309 ℃后，曲线开始急剧下降，至398 ℃时，PS基本热降解结束，残炭率为1.2%。随着CF掺量的增加，样品的热降解温度逐渐提升，残炭率逐渐增大。样品Y3#在315 ℃时，TG曲线开始下降，449 ℃时残炭率基本稳定，达到28.1%；继续增加CF，样品Y4#在319 ℃时，TG曲线开始下降，在455 ℃残炭率基本稳定，达到32.2%，相比Y3#提高幅度不大。因为CF的热稳定性好，热降解温度大于PS热降解温度[20]，在加入CF后，CF与PS基体相互包裹，CF会抑制PS进一步热降解，增加了PS的残炭率。而且随着CF含量的增加，提高了样品的残炭率；另外，CF达到一定量（如CF掺量为8%），CF与PS基体可以形成较完整的相互包裹网络结构，继续增加CF对PS的分散包裹效果改善有限，因此掺入过多的CF对PS残炭率影响不大，增大的残炭率主要是CF的增加量。CF的加入，提高了PS/CF复合材料的尺寸稳定性、热降解温度及残炭率，改善了其热稳定性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.007.F007图7PS/CF复合材料的TG曲线Fig.7TG analysis of PS/CF composite3结论（1）复合材料的导热系数随着CF掺量增加不断增大，CF掺量不超过8%，PS/CF复合材料的导热系数能够满足建筑用聚苯乙烯保温材料相关标准要求。CF掺量达到12%时，PS/CF复合材料导热系数无法满足相关标准要求。（2）CF掺量的增加，提高了PS/CF复合材料的阻燃性能。当CF达到8%时，PS/CF复合材料的阻燃性能达到GB 8624—2012对建筑用保温材料的阻燃等级要求。（3）随着CF掺量增加，PS/CF复合材料的压缩强度、抗拉强度、断裂弯曲负荷和抗冲击强度逐渐增大，提高了PS/CF复合材料的力学性能。（4）CF的加入，提高了PS/CF复合材料的尺寸稳定性、热降解温度及残炭率，改善了其热稳定性。（5）CF掺量8%时，可以制备保温性能、阻燃性能、力学性能和热稳定性都较优异的建筑用PS/CF复合材料，且性能指标都能满足建筑保温材料相关标准要求。