王学东 （内蒙古呼伦贝尔学院 建筑工程学院，内蒙古 呼伦贝尔 021008）
摘要：综述了纤维增强聚氨酯板的制备方法和性能，以及在建筑外墙中的应用研究进展。聚氨酯泡沫在制备过程中加入纤维可以提高力学性能，从而可以制备轻质低成本的聚氨酯板。在硬质聚氨酯泡沫颗粒与玻璃纤维混合过程中，磷系阻燃剂混合物与阻燃玻璃纤维混合物于模具中分层铺展，得到外墙保温用阻燃聚氨酯隔热芯。聚氨酯在岩棉板与铝板之间进行发泡得到分层式聚氨酯岩棉保温防火一体夹芯板，可用于建筑物墙体建造。由玻璃纤维增强硬质聚氨酯泡沫和氧化镁板组成的预制墙板可用于建筑物的复合墙体。
关键词：聚氨酯，纤维增强，外墙，夹芯板
前言
聚氨酯是主链上含有重复氨基甲酸酯基团的大分子化合物的统称，由二羟基或多羟基化合物与有机二异氰酸酯或多异氰酸酯聚合而成。聚氨酯具有导热系数低、保温性能好(是传统岩棉的2~3倍，是聚苯板的2倍)、防潮、防水、耐老化等优点，可用于墙体保温材料。本文综述了纤维增强聚氨酯板的制备方法和性能，以及在建筑外墙中的应用研究进展。
01、纤维增强聚氨酯生产技术
多孔材料作为轻质结构材料广泛用于运输和能源工业。聚氨酯泡沫是高度非线性材料，其性能由密度和内部气腔决定，此外还取决于分子结构中存在的交联类型。聚氨酯泡沫通常分为柔性、半柔性或半刚性、刚性。聚氨酯泡沫的泡孔结构有开孔和闭孔。在开孔结构泡沫中，孔是相互连通的，导致相对高的柔韧性、低密度、低压缩性能、良好的吸声性能和高弹性，呈海绵状外观；闭孔结构泡沫中孔不相互连通，通常具有相对的尺寸稳定性、更高的压缩性能和更低的吸湿性。由闭孔和开孔组成的泡沫具有刚性和柔性特征。聚氨酯泡沫的压缩应力-应变行为表现为初始线性增加的均匀弹性压缩，随后由于泡孔结构的塌陷而屈服和应力软化。用纤维增强聚合物泡沫可获得轻质和低成本的材料。与其他泡沫和天然产品相比，聚氨酯泡沫具有更好的力学性能，成本更低，可用性更高。
山西百澳幕墙装饰有限公司[1]公开了一种添加植物纤维的聚氨酯阻燃隔热材料的制备方法。首先，制备改性植物纤维，将平均长度为2 mm的 芦苇纤维与水按体积比1∶30混合均匀，静置40.0 min，用55 kHz超声处理8.0 min后经过滤、水洗、干燥，得到预处理纤维。将1.000 kg预处理纤维加入 8 L冰乙酸溶液中混合均匀，用400 W微波处理6.0 min后取出冷却至室温，加入10 L乙酸酐和50 mL 浓硫酸混合均匀，用320 W微波酯化反应1.5 min， 经过滤、水洗、干燥得到纤维素纳米纤维。将2.0 phr纤维素纳米纤维与100.0 phr水混合，以1 200 r/ min搅拌5 h;将1.8 phr蒙脱土与100.0 phr水混合，以1 200 r/min搅拌5 h。将以上2种悬浮液混合均匀，得到混合液。将2.0 phr三聚氰胺与混合液混合均匀得到复合液，复合液于液氮/乙醇浴(-116 ℃)中冷冻30.0 min，取出后在真空度1 Pa、冷阱温 度-55 ℃条件下冷冻干燥72 h，得到改性植物纤维。其次，制备聚氨酯阻燃隔热材料，将15.000 kg 羟基含量为535 mg/g的聚乙二醇、10.000 kg氢氧化铝、2.000 kg二甲基硅油、0.500 kg水、0.025 kg三乙烯二胺、1.000 kg十二烷基硫酸钠、8.000 kg改性植物纤维混合均匀后加入25.000 kg 4,4'-二苯基甲 烷二异氰酸酯混合均匀，静置1 h，加热至60 ℃反 应12 h，得到聚氨酯阻燃隔热材料。该阻燃隔热材料的压缩强度389.4 kPa，拉伸强度303.2 kPa，氧指数34.7%，导热系数0.027 5 W/(m·K)。该阻燃隔热材料导热系数低，且阻燃性能、保温性能和力学性能优异，可作为建筑保温材料。
硬质聚氨酯泡沫使用低导热率的气体发泡剂，通过制造小尺寸泡孔减少辐射传热。硬质聚氨酯泡沫耐冷热性能优异，在建筑施工中通常作为隔热板。硬质聚氨酯泡沫可在现场用来覆盖不规则的形状，通过喷涂、浇注密封缝隙。尽管聚氨酯泡沫应用范围广，但也存在诸如保温效果有待提高、阻燃性不理想、材料易脱落等问题。娄底潇-湘职业学院[2]公开了一种阻燃玻璃纤维增强聚氨酯保温隔热芯材的制备方法。将10 phr磷系阻燃剂[三磷酸甲酯基氧化膦酸酯与三(磷酸二乙醇二酯基)甲酯基氧化膦酸脂质量比为1.5∶1.0]，3 phr磷改性木质素，1 phr有机硅防水剂TS-7,3 phr 胶黏剂(环氧树脂胶E-44、三聚氰胺树脂胶、脲醛 树脂胶质量比为2∶1∶1)搅拌混合均匀，得到磷系阻燃剂。将60 phr硬质聚氨酯泡沫颗粒与4 phr玻璃纤维[(长度2~10 cm、硅烷偶联剂改性、不同直径(6,9,12 μm)的玻璃纤维等比例混合)]混合，在混合过程中，喷涂磷系阻燃剂于硬质聚氨酯泡 沫颗粒和玻璃纤维表面，在2.0 MPa的压力条件下压成板状粗胚。将2 phr三聚氰胺、4 phr氢氧化镁、 4 phr玻璃纤维干混后喷洒9 phr胶黏剂得到阻燃玻璃纤维混合物。将50%(w)的阻燃玻璃纤维混合物铺展在模具底部，上面铺上板状粗胚，再将剩余50%(w)阻燃玻璃纤维混合物浇注在板状粗胚表面，振荡铺展，于1.5 MPa压合，经固化成型，脱模修边，得到阻燃聚氨酯保温隔热芯材。该阻燃聚氨酯保温隔热芯材极限氧指数29.8%，残炭量 36.4%(w)，导热系数0.020 W/(m·K)，防火等级B1级，压缩强度400 kPa，吸水率0.1%，具有高阻燃性能、低导热系数、高压缩强度、低吸水性等特点，可用于建筑外墙保温。
悌埃深冷(上海)海洋工程有限公司[3]提供了一种添加静电纺丝的纤维增强聚氨酯保温材料的制备方法。制备阻燃剂：将质量比13∶4∶3∶38∶7 的鳞片石墨，KMnO4，Al2O3，98%(w)H2SO4，三聚磷酸钠放入130 mL蒸馏水中混合均匀，于38 ℃恒温水浴锅中反应35 min，产物水洗至无色放入蒸馏水中浸泡6 h，水洗，抽滤，于70 ℃烘干，得到改性石墨;将8.0 g的2-甲基咪唑放入160 mL甲醇中搅拌10 min;4.0 g的Zn(NO3 )·6H2O加入170 mL 甲醇中搅拌10 min；将2种甲醇溶液混合搅拌12 h，再用甲醇离心洗涤，所得产物于70 ℃干燥12 h得到沸石咪唑醇盐框架-8(ZIF-8)金属有机框架。将改性石墨和ZIF8金属有机框架按质量比3∶2混合均匀，用300 W微波超声反应4 min，得到阻燃剂。制备纤维增强剂：将7.0 g聚乙烯醇(PVA)加入90 mL去离子水中于70 ℃搅拌4 h，然后加入 8 mL硅酸乙酯、4.0 g硝酸铈、3 mL盐酸，室温条件下搅拌9 h后得到静电纺丝的前驱体溶液；将前驱体溶液装入静电纺丝装置得到PVA/Si-Ce纺丝薄膜，将该纺丝薄膜置于马弗炉中以5 ℃/min升至 780 ℃保温2 h，降至室温即得到Si-Ce增强纳米纤维氧化物。将110.0 g聚醚多元醇、55.0 g聚酯多元醇、22.0 g环氧树脂、3.0 g硅油、0.6 g五甲基二乙烯 三胺、3.0 g三乙烯二胺、4.0 g乙酸钾、9.0 g阻燃剂、 5.0 g Si-Ce增强纳米纤维氧化物、8.0 g蒸馏水、42.0 g一氟二氯乙烷混合均匀获得发泡组分。发泡组分快速加入80.0 g多亚甲基多苯基多异氰酸酯搅拌，倒入模具发泡30 min，得到纤维增强聚氨酯保温材料。该纤维增强聚氨酯保温材料拉伸强度 3.9 MPa，断裂伸长率390%，撕裂强度13.8 N/mm，密度0.34 g/cm3，邵氏硬度56 HD，力学性能和阻燃效果优异，密度低，可用于建筑外墙外保温材料。
02、纤维增强聚氨酯板生产技术
纤维增强聚氨酯板是通过在聚氨酯泡沫中引入玻璃纤维或其他类型的纤维使用成型工艺制备而成。具有良好的耐化学药品腐蚀性和耐热性能，强度高，质量轻，广泛应用于建筑领域。夹芯复合材料广泛应用于商业、工业和住宅建筑工业等领域。其用途包括外墙、隔墙、框架、地板、屋顶和结构框架，具有易于处理、质量轻、隔热、隔音、防潮等性能。夹芯复合材料通过聚合物泡沫芯与2层或更多层的结构表层黏合在一起，黏合质量影响夹芯复合材料的性能。
江苏逸欣节能科技有限公司[4]公开了一种分层式聚氨酯岩棉保温防火一体夹芯板的制备方法。将岩棉板浸没到疏水溶胶中，于120 MPa保压5 min，于80 ℃干燥12 h，得到30 mm厚的岩棉芯材；将2 mm厚铝板涂覆环氧树脂黏结剂与岩 棉芯材黏合，于2 MPa压制60 min；将另外一块铝板固定在岩棉芯材的另一侧，保留60 mm发泡空间，长度方向的侧边用铝材封边，得到夹芯板半成品。将5.0 phr甲苯二异氰酸酯、4.0 phr烯丙基羟乙基醚搅拌升至70 ℃反应45 min，再升至85 ℃反 应3 h；降至50 ℃，加入10.0 phr聚氧乙基甘油醚，搅拌升至70 ℃反应45 min，再升至85 ℃反应3 h；降至50 ℃，加入0.5 phr偶氮二异丁腈、5.0 phr苯乙烯、5.0 phr丙烯酰胺，搅拌升至80 ℃反应5 h，结束反应，自然冷却至室温，得到改性聚醚多元醇C。将15.0 phr聚醚多元醇A(牌号HF-4110Y)， 10.0 phr聚醚多元醇B(牌号H4110S)，10.0 phr改性聚醚多元醇C，17.5 phr改性二氧化硅，15.0 phr 阻燃剂(三氧化二锑、尿素、甲基磷酸二甲酯质量比为4∶3∶1)，1.0 phr N,N-二甲基环己胺，20.0 phr 一氟二氯乙烷，2.0 phr硅油(牌号AK8805)加入到容器内混合均匀，加入50.0 phr多苯基多亚甲基异 氰酸酯，得到聚氨酯预发泡液。将聚氨酯预发泡液喷入到夹芯板半成品中，于55 ℃发泡熟化18 h，经修整得到94 mm厚分层式聚氨酯岩棉保温防火一体夹芯板。该夹芯板的导热系数0.019 8 W/ (m·K)，极限氧指数33.4%，吸水率0.07%，低温变形率0.11%，高温变形率0.14%。该夹芯板具有良好的尺寸稳定性和优良的防火性能，适用于大型冷库和保温要求较高的建筑物墙体建造。
Manalo[5]探讨了由玻璃纤维增强硬质聚氨酯泡沫和氧化镁板组成的新兴预制墙系统的结构性能。制备了由38个刚性硬质聚氨酯泡沫柱组成的 1.2 m宽、2.4 m高的预制复合墙体试样，并在横向弯曲、压缩和剪切下进行测试，其弯矩承载力为 5 kN/m，有效抗弯刚度为1 048 MPa，抗剪强度为32 kN/m，刚度为1 650 kN/m。使用系紧锚杆可使抗剪强度提高15%。使用水平和/或斜撑聚氨酯泡沫墙钉，复合墙体的强度和刚度可进一步提高。该预制板可作为住宅模块化建筑中的复合墙体。
Mohamed等[6]采用真空辅助树脂转移模塑工艺，使用双组分热固性聚氨酯作为基体，制备了玻璃纤维增强低密度箱型结构和梯形结构聚氨酯泡沫复合材料夹层结构，以及玻璃纤维增强高密度硬质聚氨酯泡沫复合材料夹层结构。对3种材料的刚度、承载能力和抗压强度进行了评价。通过岩心剪切、平面和边压试验，3种材料的抗压强度分别为6.10，21.52，6.41 MPa，抗弯破坏应变分别 为0.19%，0.16%，0.07%，最大载荷分别为4 478，16 371，4 708 N，面层极限应力分别为22.84， 41.78，27.67 MPa，核心剪切应力分别为0.57， 2.02，0.60 MPa，岩心剪切破坏载荷分别为4 100，16 300，5 200 N。结果表明，梯形结构柱芯夹芯板可用于墙面板、桥面板设计。
Shams等[7]将数千根直径14~27 mm的耐碱玻璃长丝捆扎成粗纱，整理铺设成稀松布，用环氧树脂浸渍，得到网状增强结构。浇注混凝土得到织物增强混凝土层。添加7 mm碳纤维浇注得到碳纤维增强混凝土层。2种混凝土层分别置于模具两边，中间浇注含聚氨酯组分混合物，关闭模具，含聚氨酯组分混合物发泡固化，得到三明治结构的混凝土聚氨酯泡沫夹芯板，可用于墙体和屋顶。
王广凤[8]以涤纶为接结纱进行三维织造作为间隔织物，填充聚氨酯泡沫，设计加工了7种泡沫填充密度不同的三明治结构复合板材，并对复合板材的力学性能进行分析研究。结果表明，平压性能由填充的泡沫与接结纱共同作用，增加接结纱细度可以大幅提高三明治结构复合板材的平压强度，改善板材质量。复合板材的平压强度随着泡沫填充密度的提高而增大，但有一个极值点，当泡沫填充密度为0.134 5 g/cm3 时，复合板材最大平压强度为0.206 9 MPa。
03、结语
聚氨酯泡沫在制备过程中加入纤维可以提高力学性能，从而可以制备轻质低成本的聚氨酯板。聚氨酯板保温性能好，用于建筑物外墙保温能够减轻墙体的质量。聚氨酯夹芯板外形美观且隔热、隔音、防潮，铺装工艺简单。
来源： 《合成树脂及塑料》 2024， 41（6）：71
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