可发性聚苯乙烯(EPS)具有密度低、保温隔热性能好、吸水率低、尺寸稳定性好、耐酸碱、透波性能高等优点，在建筑节能保温材料和吸波材料中广泛应用[1-3]。但是，EPS塑料的抗压强度较低、抗折强度较低、阻燃性能较差，部分应用范围受到限制[4-5]。水泥是一种常用的胶凝材料，水化变硬后力学强度高，属于不燃材料，另外，水泥原料易得且价格低廉，通常将水泥进行发泡或加入保温性能较好的塑料，制备水泥基保温材料[6-8]。水泥与水接触后会形成浆体，浆体可以均匀包裹在其他材料表面，随着水泥的水化，水泥浆体硬化形成一层坚固的外壳，当受热或接触火源时，水泥外壳能够阻隔热量和空气进入聚合物基体，抑制聚合物热分解或燃烧，提高聚合物的阻燃性能[8-9]。将水泥与EPS复合，可以将水泥与EPS的优点相结合，并且弥补了水泥和EPS性能的不足[10-11]。另外，由于水泥比较致密，电磁波透过率较低，水泥的吸波能力差，而EPS具有良好的透波性能，EPS与水泥复合后，可以显著提高复合材料的阻抗与空间波阻抗的匹配程度，电磁波通过EPS容易进入复合材料内部，而电磁波再经过水泥层和EPS多次反射、散射，导致电磁波能量不断损失，从而提升了复合材料的吸波性能[12-15]。水泥与EPS复合可以制备出兼顾优异的保温节能性能、阻燃性能、力学性能和吸波性能的复合材料。陈国忠等[9]用硅酸盐水泥与B1级阻燃EPS等原料制备了防水防火保温板，结果表明，保温板的热传导率和吸水率低，且不燃性能达到A2级。管洪涛等[14]研究了水泥基EPS复合材料的吸波性能和力学性能，EPS占复合材料体积的60%，复合材料对波的吸收达到-8~-15 dB，吸波性能较好。本实验制备了水泥增强EPS复合材料，研究了复合材料的吸波性能、阻燃性能、保温性能和力学性能，旨在制备兼顾保温节能和吸波性能的水泥增强EPS复合材料。1实验部分1.1主要原料可发性聚苯乙烯树脂(EPS)，E-SB，中国石油化工股份有限公司；发泡剂，193L，东莞市樟木头鸿基塑化商行；三乙醇胺，工业级，巴斯夫有限责任公司；水泥，普通硅酸盐水泥，P·O 42.5，原阳县同力水泥有限公司；固化剂，5235，绿联（济宁）化学科技有限公司。1.2仪器与设备EPS发泡机，DH-CP-700，杭州登华塑料机械有限公司；超声波分散仪，F-009S，苏州北科纳米科技有限公司；干燥箱，SPRHX-1200，上海思派瑞环境试验设备有限公司；泡沫塑料成型机，SYD，辛集广鑫泡塑机械厂；板材切割机，RB-40，张家港科勒斯机械有限公司；接触角测定仪，SZ-CAMB1，上海轩准仪器有限公司；建筑材料可燃性检测装置，SSX-JRS-08，绍兴市容纳测控技术有限公司；燃烧量热仪，ZDHW-4，鹤壁市华晨电子科技有限公司；建筑材料烟密度测定仪，ZKHW-207，青岛中科恒维智能科技有限公司；不燃性试验炉，JCB-2，抚州金时速仪器设备有限公司；导热系数测定仪，CD-DR3030，河北华伟试验仪器有限公司；拉力试验机，BOS-5000NS，厦门搏仕检测设备有限公司。1.3样品制备1.3.1EPS表面改性将100份EPS树脂与3份发泡剂在EPS发泡机中发泡，发泡温度为105 ℃，蒸汽压力为0.08 MPa，制得直径约1 mm的EPS塑料颗粒；将10份三乙醇胺与1 000份水在60 ℃的超声波分散仪中搅拌3 min，加入100份发泡EPS颗粒，继续搅拌5 min；将过滤的EPS颗粒在30 ℃干燥箱中烘干，得到改性EPS颗粒。1.3.2水泥增强EPS复合材料的制备表1为水泥增强EPS复合材料配方。水泥与去离子按水质量比1:0.40制备水泥浆体[14, 16]；按表1配比称量改性EPS、固化剂、水泥浆体，注入模具中成型，所有试样在(20±5) ℃下放置28 d后进行性能测试。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.012.T001表1水泥增强EPS复合材料配方Tab.1Formula of cement reinforced EPS composites试样改性EPS固化剂水泥浆体1#95502#805153#655304#505455#35560%%1.4性能测试与表征润湿性测试：吸取去离子水，测试改性前后的EPS塑料颗粒的接触角，表征EPS的润湿性。吸波性能测试：使用矢量网络分析仪，采用弓形反射法测试复合材料吸波性能，试样尺寸为200 mm×200 mm×20 mm，测试频率为8~18 GHz。阻燃性能测试：按GB/T 8627—2007测试可燃性和产烟量，试样尺寸为250 mm×90 mm×10 mm；按GB 8624—2012划分阻燃等级。保温性能：按GB/T 10294—2008进行测试。力学性能：按JG/T 536—2017测试抗压强度和抗折强度，抗压强度试样尺寸为100 mm×100 mm×25 mm，速率10 mm/min；抗折强度试样尺寸为240 mm×100 mm×25 mm，速率10 mm/min。2结果与讨论2.1润湿性分析表2为EPS颗粒改性前后的接触角。从表2可以看出，EPS颗粒改性前，EPS与水的接触角为89.5°，说明EPS颗粒表面极性较差，与水的亲和性差，即润湿性较差；EPS颗粒经过改性后，EPS与水的接触角为51.1°，说明改性后的EPS的润湿性大幅提高。因为，三乙醇胺属于极性有机物，三乙醇胺覆盖到EPS颗粒表面，提高了EPS的极性，因此改性后EPS与水的润湿性好，接触角显著降低[17-18]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.012.T002表2EPS改性前后的接触角Tab.2Contact angle of EPS before and after modification样品接触角EPS改性前89.5EPS改性后51.1°°2.2吸波性能分析图1为水泥增强EPS复合材料的吸波性能。从图1可以看出，在8~18 GHz频段内，纯EPS的吸波能力基本稳定；2#试样的吸波能力为-16.0~-16.4 dB，3#试样的吸波能力为-16.5~-17.6 dB，4#试样的吸波能力为-17.8~-19.8 dB，5#试样的吸波能力为-10.1~-11.5 dB。随着水泥的加入，试样的吸波性能先增强后减弱；4#试样的吸波性能最好，继续增加水泥掺量，5#试样的吸波性能显著减弱。因为，EPS是良好的透波材料，电磁波在EPS内部的闭孔之间入射时，由于孔壁方向相位改变而发生干涉现象，导致电磁波能量衰减，体现吸波性能。加入水泥后，水泥浆体均匀分散到EPS颗粒表面，提高了复合材料的阻抗与空间波阻抗的匹配程度，电磁波入射到材料内部会散射部分电磁波，另外电磁波在EPS颗粒的闭孔蜂窝结构中发生多次反射和散射，大部分的电磁波能量被消耗，在一定水泥浆体掺量下，复合材料的吸波性能逐渐增强[14]。但是，当水泥浆体掺量超过一定量时，水泥浆体之间出现明显的聚集或胶结，而水泥浆体比较致密，电磁波等透过率较低，EPS对电磁波的反射和散射能力也减弱，从而降低复合材料的吸波性能[19-20]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.012.F001图1水泥增强EPS复合材料的吸波性能Fig.1Microwave absorbing property of cement reinforced EPS composites2.3阻燃性能分析表3为水泥增强EPS复合材料阻燃等级。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.012.T003表3水泥增强EPS复合材料阻燃等级Tab.3Flame retardant grade of cement reinforced EPS composites试样阻燃等级1#B2级2#B1级3#B1级4#A2级5#A2级从表3可以看出，1#试样阻燃等级只能达到B2级，2#试样和3#试样阻燃等级达到B1级，4#试样和5#试样的阻燃等级达到A2级，随着水泥浆体掺量的增加，试样的阻燃等级不断提高。因为，水泥属于无机不燃物，水泥浆体包裹EPS表面，水泥水化后形成了一层阻隔热量、空气的保护壳层，抑制了EPS颗粒燃烧，水泥浆体量越大，阻隔作用越强，因此随着水泥浆体掺量的增加，试样的阻燃等级越高[21-22]。图2为水泥增强EPS复合材料总产烟量。从图2可以看出，在600 s内，随着水泥浆体掺量的增加，试样的总产烟量TSP600 s逐渐降低。1#试样的总产烟量TSP600 s最大，高达197.8 m2；而2#试样、3#试样、4#试样和5#试样的总产烟量TSP600 s分别为159.8、140.3、109.1和97.3 m2。与其他试样相比，4#试样和5#试样的总产烟量处于较低水平。因为水泥浆体分散和包裹EPS表面形成保护壳，受热时水泥壳层抑制了EPS燃烧和分解，减少了燃烧产物生成，降低了试样的产烟量[22-23]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.012.F002图2水泥增强EPS复合材料总产烟量Fig.2Total smoke production of cement reinforced EPS composites2.4保温性能分析图3为水泥增强EPS复合材料导热系数。从图3可以看出，随着水泥浆体掺量的增加，各试样的导热系数逐渐增大。根据JG/T 536—2017中要求，保温材料对导热系数的要求为不超过0.060 W/(m‧K)。1#试样~4#试样导热系数都低于0.060 W/(m‧K)，4#试样的导热系数最大，为0.052 2 W/(m‧K)；5#试样的导热系数为0.061 9 W/(m‧K)。这说明1#试样~4#试样导热系数都满足标准要求，而5#试样的导热系数已经无法满足标准要求。根据JG/T 536—2017中导热系数的要求，水泥浆体掺量不超过45%时，复合材料的保温性能均能满足标准要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.012.F003图3水泥增强EPS复合材料导热系数Fig.3Thermal conductivity of cement reinforced EPS composites2.5力学性能分析图4为水泥增强EPS复合材料的力学性能。从图4可以看出，随着水泥浆体掺量增加，各试样的抗压强度和抗折强度逐渐增大。1#试样~5#试样的抗压强度分别为0.10、0.17、0.27、0.31和0.33 MPa，抗折强度分别为0.09、0.14、0.24、0.27和0.28 MPa。与1#试样相比，2#试样~5#试样的力学性能得到增强。因为，EPS的力学性能较差，水泥水化后的力学性能优异，远高于EPS，水泥浆体加入EPS中，水泥浆体水化硬化后能够承担大部分的外力荷载，从而提高了复合材料的力学性能[24-26]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.012.F004图4水泥增强EPS复合材料力学性能Fig.4Mechanical properties of cement reinforced EPS composites3结论改性EPS颗粒与水的接触角降至51.1°，说明三乙醇胺改性EPS，提高了EPS的润湿性。随着水泥浆体掺量的增加，水泥增强EPS复合材料的吸波性能先增强后减弱；阻燃等级由B2逐渐提高到A2，燃烧总产烟量逐渐降低，阻燃性能不断提高；导热系数逐渐增大，保温性能逐渐降低；力学性能逐渐增大。水泥浆体掺量为45%时，可以制备出吸波性能、阻燃性能、保温性能和力学性能等综合性能较好的水泥增强EPS复合材料。