在日益严峻的能源缺乏环境下，能源供需问题越来越严重。在大力发展可再生能源的同时，寻找全新的节能减排的方法成为目前解决能源短缺危机的有效措施。建筑外墙保温材料技术作为建筑节能领域的重要环节，已经获得广泛的研究[1-2]。聚氨酯塑料泡沫(PUF)由于具有良好的保温隔热和一定的防水功能，在保温材料中具有较好的应用前景[3-4]。尽管PUF具有较好的保温性能，但将其单独作为保温材料使用时，其力学性能以及阻燃性能较差，限制其在建筑保温材料中的应用[5]。通过在聚氨酯中添加增强相能够提高其阻燃性和力学性能。Yan等[6]通过在聚氨酯中添加石墨烯和碳纳米管制备聚氨酯复合材料。结果表明：聚氨酯/石墨烯复合材料的力学性能以及耐热性能优于聚氨酯/碳纳米管复合材料。Yang等[7]将二氧化硅颗粒和玻璃纤维混杂制备增强型聚氨酯材料。结果表明：聚氨酯复合材料的力学性能增强。然而，多数聚氨酯的力学性能和阻燃性能增强，但保温性能下降，无法有效用于建筑保温材料。因此，开发具有较高阻燃性能以及力学性能的PUF保温材料，对于提高PUF材料在建筑保温材料中的应用具有重要意义。纳米孔硅气凝胶作为一种轻质、多孔的纳米结构，具有极低的导热系数以及较好的阻燃性能，可以有效用于保温材料[8-9]。然而纳米孔硅气凝胶的生产工艺十分复杂，成本较高，难以实际应用。将纳米孔硅气凝胶与PUF进行复合，可以有效降低生产成本，并获得具有较好阻燃性能的保温PUF材料，对拓展PUF在建筑保温材料领域的应用具有重要意义。本实验将纳米孔硅气凝胶与PUF混合，发泡制备PUF/纳米孔硅复合保温建筑材料，并研究不同纳米孔硅的添加量对复合材料的力学性能、阻燃性能以及保温性能的影响。1实验部分1.1主要原料纳米孔硅气凝胶粉体，YTAP-Y40U，孔径约20 nm，孔隙率90%，导热系数≤0.012 W/(m·K)，湖南岩拓科技新材料有限公司；聚醚多元醇，N-303，工业级，南京钟山化工有限公司；甲苯二异氰酸酯(TDI)，分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；乙二醇、二丁基二月桂酸锡(DBTL)、三乙醇胺，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。1.2仪器与设备高速混合机，GH-100Y，北京塑料机械厂；UL94垂直水平燃烧测试仪，PX-03-001，苏州菲尼克斯仪器有限公司；锥形量热仪，FT-5，英国防火测试技术公司；万能电子试验机，CMT-5，美斯特工业系统有限公司；冲击试验机，ZBC 1251-C，美斯特工业系统有限公司；热重分析仪(TG)，TGA SDTA851，瑞士梅特勒托利多公司。1.3样品制备表1为PUF和PUF/纳米孔硅复合材料配方。将纳米孔硅气凝胶粉体在80 ℃下烘干6 h去除残余水分，按照表1比例将N-303型聚醚多元醇（单体），TDI（催化剂），DBTL（催化剂），纳米孔硅（增强相），乙二醇（扩链剂），以及三乙醇胺（发泡剂）等组分充分搅拌混匀，搅拌1 min，将上述混合物倒入自制模具中，静置发泡，发泡时间为30 min。发泡结束后，将产物置于100 ℃的烘箱中熟化4 h。自然冷却后取下模具，得到PUF和PUF/纳米孔硅复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.014.T001表1PUF和PUF/纳米孔硅复合材料配方Tab.1Formula of PUF and PUF/nanoporous silicon composites样品聚醚多元醇TDI纳米孔硅乙二醇DBTL三乙醇胺091501.520.5188531.520.5285561.520.5382591.520.54795121.520.5%%1.4性能测试与表征TG测试：N2气氛，温度范围25~675 ℃，升温速率15 ℃/min。阻燃性能测试：按GB/T 2408—2008进行测试，样品尺寸80 mm×20 mm×10 mm。燃烧性能测试：按GB/T 2408—2008进行测试，热流15 kW/m2，样品尺寸80 mm×10 mm×10 mm。冲击强度测试：按GB/T 1843—2008进行测试，样品厚度4 mm。保温性能测试：将PUF材料制成尺寸30 cm×30 cm×30 cm的空心块体，内部放置感应热电偶测量内部温度，将其开口密封，置于恒温箱，从初始温度加热至60 ℃，关闭加热，记录加热所需时间和降温所需时间。热节省率测试：采用静态热箱法进行测试，将样品安装在热箱上方开口处，样品一侧进行加热，另一侧进行冷却，两侧分别达到稳定的温度、气流后，测定样品表面流经的热流量和两侧空气温度，得到热节省率[10]。压缩性能测试：按GB/T 1041—2008进行测试，压缩速率12 mm/min。冲击性能测试：按GB/T 1043.1—2008进行测试，摆锤的能量设置10 J。2结果与讨论2.1PUF/纳米孔硅复合材料的热导率分析图1为PUF和PUF/纳米孔硅复合材料的热导率。从图1可以看出，随着纳米孔硅含量逐渐增加，复合材料的热导率逐渐下降，从0号样品的0.056 W/(m·K)降至4号样品的0.037 W/(m·K)。这是因为纳米孔硅气凝胶作为轻质纳米多孔材料，其纳米级的孔隙结构以及连续的空间网络结构使其具有较低的热导率0.013 W/(m·K)，将其加入PUF中，可使复合材料的热导率降低[11]。在PUF中加入纳米孔硅气凝胶，可以得到具有低热导率的PUF复合材料，使其应用于保温材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.014.F001图1PUF和PUF/纳米孔硅复合材料的热导率Fig.1Thermal conductivity of PUF and PUF/nanoporous silicon composites2.2PUF/纳米孔硅复合材料的TG分析图2为PUF和PUF/纳米孔硅复合材料的TG曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.014.F002图2PUF和PUF/纳米孔硅复合材料的TG曲线Fig.2TG curves of PUF and PUF/nanoporous silicon composites从图2可以看出，不同PUF/纳米孔硅复合材料的热稳定性均随着纳米孔硅含量的增加而增强，说明纳米孔硅的加入可以有效增强PUF的热稳定性。0号样品的最大质量损失温度为351 ℃，而4号样品的最大质量损失温度达到521 ℃。这是由于纳米孔硅内部的纳米孔结构可以有效隔绝热量传递，使温度传递速率减小，从而提高PUF的热稳定性。并且纳米孔硅的含量越高，其隔绝热量效应越强，因此4号样品表现最佳的热稳定性。2.3PUF/纳米孔硅复合材料的力学性能分析图3为PUF和PUF复合材料的压缩强度和冲击强度。从图3a可以看出，随着纳米孔硅含量的增加，复合材料的压缩强度呈现先升高后降低的趋势，3号样品达到最大值15.87 MPa。这是由于纳米孔硅作为一种无机纳米材料，具有较好的力学强度，并且部分纳米孔硅在发泡的过程中会填充PUF的泡孔，使体系内部间隙逐渐减小，使结构更紧密，从而提高材料的压缩性能。而4号样品的压缩强度发生下降。这是由于纳米孔硅的含量过大使部分填料分布不均而发生团聚，降低PUF的发泡效果，使PUF内部结构塌陷较严重[12]。此外，团聚的纳米孔硅受到压缩时粒子之间容易发生滑移。从图3b可以看出，不同样品的冲击强度随着纳米孔硅含量的增加呈现先增加后下降的趋势，3号样品达到最大值4.87 kJ/m2，相比0号样品(3.25 kJ/m2)，增加49.85%。而4号样品的冲击强度相比3号样品发生下降，为4.51 kJ/m2。这是因为在适当含量的纳米孔硅填充下，PUF体系内部更紧密，因此其冲击强度提高。而4号样品中部分纳米孔硅填料分布不均，使样品冲击强度下降。由此得出，3号样品具有最佳的压缩强度和冲击强度，且具有较好的实际应用前景。图3PUF和PUF/纳米孔硅复合材料的力学性能Fig.3Mechanical properties of PUF and PUF/nanoporous silicon composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.014.F3a1（a）压缩强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.014.F3a2（b）冲击强度2.4PUF/纳米孔硅复合材料的保温性能分析评估PUF和PUF/纳米孔硅复合材料的保温性能，表2为测试结果。从表2可以看出，0号样品由于热导率最大，其保温性能最差，从25 ℃升至60 ℃的时间为43 min，降温时间为32 min。而随着纳米孔硅含量逐渐增加，样品的升温时间和降温时间均逐渐增加，说明样品的保温性能增强。其中4号样品升温和降温时间最长，分别为76 min和50 min，说明其具有最佳的保温性能。并且3号样品的升温时间、降温时间与4号样品相差较小，分别为72 min和48 min，说明3号样品同样具有较好的保温性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.014.T002表2PUF和PUF/纳米孔硅复合材料的升温时间和降温时间Tab.2Heating time and cooling time of PUF and PUF/nanoporous silicon composites样品初始温度/℃升温时间/min降温时间/min02543321255338225654332572484257650通过热节省率同样可以表征样品的保温性能，热节省率越高，保温性能越好。图4为PUF和PUF/纳米孔硅复合材料的热节省率。从图4可以看出，随着纳米孔硅含量逐渐增加，不同PUF/纳米孔硅的热节省率逐渐增加，4号样品达到最佳值42.8%，说明其具有最佳的保温性能。0号样品的热节省率为32.3%，与0号样品相比4号样品的热节省率提高32.5%，说明4号样品具有较好的保温节能效果。这一结果与热导率一致，说明加入纳米孔硅可以有效降低材料的热导率，使样品保温性能增加。3号样品的热节省率为42.1%，与4号样品相差较小，说明其具有较好的保温性能。因此，基于低成本的原则，3号样品具有优异的力学强度，其可以有效应用于建筑保温材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.014.F004图4PUF和PUF/纳米孔硅复合材料的热节省率Fig.4Heat saving rate of PUF and PUF/nanoporous silicon composites2.5PUF/纳米孔硅复合材料的阻燃性能分析图5为PUF和PUF/纳米孔硅复合材料的LOI值。从图5可以看出，随着纳米孔硅含量的增加，PUF/纳米孔硅复合材料的LOI呈现先增大后减小的趋势，且3号样品达到最大值40.32%，说明3号样品阻燃性最佳，达到难燃材料的标准[13]。这是由于纳米孔硅作为一种绝热材料，可以有效减缓热量的传导从而减缓燃烧。而0号样品中，由于PUF是一种易燃材料，其LOI值较低，为19.62%。这说明加入一定量的纳米孔硅可以有效增强PUF的阻燃性。而4号样品的LOI值发生下降，为35.45%，说明纳米孔硅的含量较大时，会使PUF的阻燃性能下降。尽管纳米孔硅含量较大时，PUF/纳米孔硅复合材料的热导率会发生下降，然而部分团聚的纳米孔硅与PUF基体结合较差，与外界发生接触，其多孔结构中的富余的空气可以有效加速材料的燃烧，因此LOI发生下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.014.F005图5PUF和PUF/纳米孔硅复合材料的LOI值Fig.5LOI values of PUF and PUF/nanoporous silicon composites为了进一步探讨PUF和PUF/纳米孔硅复合材料的燃烧过程，对其热释放速率(HRR)进行研究，图6为测试结果。从图6可以看出，由于PUF是一种易燃材料，0号样品在较快的时间内便达到热释放速率峰值(PHRR)，说明其燃烧过程较剧烈，达到峰值所需的时间仅为92 s。而随着纳米孔硅含量的增加，相比0号，不同PUF/纳米孔硅复合材料的PHRR均下降，且3号样品达到最低值。相较0号样品，不同PUF/纳米孔硅复合材料达到PHRR的时间均增加。3号样品的峰值热流逐渐平缓，其达到峰值的时间最长，为156 s，说明其在燃烧过程较缓慢。这一结果与上述LOI值趋势一致，说明3号样品具有最佳的阻燃性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.014.F006图6PUF和PUF/纳米孔硅复合材料的HRRFig.6HRR of PUF and PUF/nanoporous silicon composites3结论（1）聚氨酯中加入纳米孔硅气凝胶粉末制备PUF/纳米孔硅泡沫塑料，纳米孔硅有效提高PUF复合材料的保温性能、力学性能以及隔热性能。（2）3号样品表现最佳的压缩强度以及冲击强度，分别为15.87 MPa和4.87 kJ/m2；并且其阻燃性能在所有样品中最佳，其LOI值达到40.32%，说明纳米孔硅的优异绝热性可以有效提升PUF材料的阻燃性能。3号样品具有较好的热稳定性，保温实验中其升温和降温时间分别为72 min和48 min，具有较好的热节省率，说明其具有较好的保温节能性。综上所述，3号样品可以有效用于建筑保温材料。