CN107383662A - 一种节能保温聚苯乙烯复合板材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种节能保温聚苯乙烯复合板材及其制备方法，涉及材料技术领域。一种节能保温聚苯乙烯复合板材，主要由按重量份数计的以下原料制成：聚苯乙烯50～100份，相变材料20～80份，石墨烯5～20份，发泡剂10～25份，添加剂20～50份。添加剂包括无机添加剂、有机添加剂中的一种或两种。有机添加剂包括乙烯‑甲基丙烯酸共聚物、乙烯‑丙烯酸共聚物中的一种或两种。无机添加剂包括TiO2、硅基氧化物、A12O3中的一种或多种。石墨烯利用其高导热能力，能够将外界的热量或冷量快速传导至相变材料，相变材料吸收热量或冷量，以减弱复合板材所在建筑物内外环境的温度传递，使建筑物的保温性能更好。

Description

一种节能保温聚苯乙烯复合板材及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，具体而言，涉及一种节能保温聚苯乙烯复合板材及其制备方法。
背景技术
聚苯乙烯(PS)是一种性能良好、价格低廉的通用塑料。聚苯乙烯泡沫具有质轻、无毒、隔热、减震等优点，广泛用于各类包装、保温、防水、防震材料，仪表和家用电器材料。其中一个重要应用领域就是建筑物的隔热。随着社会的发展，人们对建筑物的能耗和绿色环保要求越来越高，对建筑物的保温性、能耗性提出了新的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种节能保温聚苯乙烯复合板材，该复合板材能够减少建筑物的能耗，提高建筑物的保温能力。
本发明的另一目的在于提供一种节能保温聚苯乙烯复合板材的制备方法，该方法简便易行且制得的复合板材综合性能较好。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种节能保温聚苯乙烯复合板材，主要由按重量份数计的以下原料制成：聚苯乙烯50～100份，相变材料20～80份，石墨烯5～20份，发泡剂10～25份，添加剂20～50份。
添加剂包括无机添加剂、有机添加剂中的一种或两种。有机添加剂包括乙烯-甲基丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物中的一种或两种。无机添加剂包括TiO2、硅基氧化物、A12O3中的一种或多种。
本发明提出一种节能保温聚苯乙烯复合板材的制备方法。包括：将聚苯乙烯、相变材料、石墨烯的第一混合物与发泡剂、添加剂置于模具中，并在100～120℃的温度下进行成型。
本发明实施例提供的节能保温聚苯乙烯复合板材及其制备方法的有益效果是：
本发明实施例提供一种节能保温聚苯乙烯复合板材，主要由以下原料制成：聚苯乙烯、相变材料、石墨烯、发泡剂以及添加剂。添加剂能够有效加强复合板材的附着能力，从而有效防止因复合板材的松动造成的渗水、腐蚀以及保温能力下降等情况。发泡剂能够在聚苯乙烯材料内部形成闭孔，孔内是气体。气体的导热系数非常小，这样不仅减小了复合板材的密度，还提高了复合板材的保温能力。同时，在复合板材废气后进行生物降解时，气孔有利于为微生物提供多个通道，加速聚苯乙烯的降解，提高复合板材的环保性。石墨烯利用其高导热能力，能够将外界的热量或冷量快速传导至相变材料，相变材料吸收热量或冷量，以减弱建筑物内外环境的温度传递，使建筑物的保温性能更好。
本发明实施例还提供一种节能保温聚苯乙烯复合板材的制备方法。包括：将聚苯乙烯、相变材料、石墨烯的第一混合物与发泡剂、添加剂置于模具中，并在100～120℃的温度下进行成型。方法简单，且所得复合板材发泡程度较好。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的节能保温聚苯乙烯复合板材和制备方法进行具体说明。
一种节能保温聚苯乙烯复合板材，主要由按重量份数计的以下原料制成：聚苯乙烯50～100份，相变材料20～80份，石墨烯5～20份，发泡剂10～25份，添加剂20～50份。
添加剂包括无机添加剂、有机添加剂中的一种或两种，有机添加剂包括乙烯-甲基丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物中的一种或两种；无机添加剂包括TiO2、硅基氧化物、A12O3中的一种或多种。
进一步，原料包括按重量份数计的如下组分：聚苯乙烯70～90份，相变材料30～60份，石墨烯10～15份，发泡剂14～21份，添加剂30～40份。
乙烯-甲基丙烯酸共聚物(EMAA)或乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)的气体透过性、耐环境应力开裂性随甲基丙烯酸含量增加而提高，其透明性、韧性、耐低温性、粘接性、着色性好，抗腐蚀性、防老化性优异。EMAA或EAA分子主链上存在大量羧基，分子极性强，添加于聚苯乙烯中能够提高聚苯乙烯的粘结性能。例如，当本实施例的复合板材与合金、钢材、建筑物进行粘接时，添加剂能够有效加强复合板材的附着能力，进而能够进一步防止因复合板材的松动造成的渗水、腐蚀以及保温能力下降等情况发生。
纳米硅基氧化物(SiO2-X)为无定型白色粉末，表面存在不饱和的残键和不同键合状态的羟基，故分子式为SiO2-X，其中X在0.4～0.8之间。纳米SiO2-x可以大幅度提高塑料制品的强度、韧性、耐磨性和抗老化性能。纳米TiO2具有高紫外屏蔽性能，可以大大延缓塑料的老化速度。纳米A12O3能增强塑料的耐磨损性能。无机纳米粒子单独使用较少，一般是用作添加剂改善基体的力学性能。无机添加剂TiO2、SiO2-x、A12O3能够利用超强的表面吸附能力，以及与高分子间的分子间作用力，使聚苯乙烯在其他材料表面的附着力增大，从而有效提高复合板材的保温能力。
本发明实施例中，发泡剂选用物理发泡剂。物理发泡剂可以包括可膨胀微球、空心玻璃微珠中的一种或两种。
当然发泡剂也可以选用化学发泡剂。化学发泡剂可以包括偶氮二甲酰胺、4，4’-氧代双苯磺酰肼中的一种或两种。
化学发泡剂经加热分解后能释放出二氧化碳和氮气等气体，并在聚合物中形成细孔；物理发泡剂是通过某一种物质的物理形态的变化，即通过压缩气体的膨胀、液体的挥发或固体的溶解而在聚合物中形成细孔。发泡剂能够在聚苯乙烯材料内部形成闭孔，孔内是气体。气体的导热系数非常小，这样不仅减小了复合板材的密度，还提高了复合板材的保温能力。同时，在复合板材废气后进行生物降解时，气孔有利于为微生物提供多个通道，加速聚苯乙烯的降解，提高复合板材的环保性。
本发明实施例中，相变材料可以包括聚乙二醇、石蜡、癸酸、Mn(NO3)2·6H2O中的一种或多种。
相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。以固-液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变。熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热。当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变潜热。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。
相变过程材料保持恒温，可以充分利用材料的这个优点选择合适相变温度的相变物质，将居住温度控制在舒适的温度范围。据预计，若是能在建筑行业使用相变材料节能，能量的损耗可以减少至少15％。将相变材料填充在聚苯乙烯中，聚苯乙烯能够为相变材料提供相变支撑。当相变材料进行物理状态的更替时，聚苯乙烯能够限制相变材料的流动，使相变材料的使用更安全，方便。石墨烯利用其高导热能力，能够将外界的热量或冷量快速传导至相变材料，相变材料吸收热量或冷量，以减弱建筑物内外环境的温度传递，使建筑物的保温性能更好。
聚乙二醇、石蜡、癸酸均属于有机类相变材料。聚乙二醇根据分子量的不同，其相转变温度大致在30～60℃之间，适合工业建筑、民房建筑等。石蜡根据分子量的不同，其相转变温度大致在40～60℃之间。本发明实施例中，聚乙二醇均选用同一种市购产品，相变温度大致在30～35℃，石蜡均选用同一种市购产品，相变温度大致在40～45℃。癸酸的相转变温度在36℃左右。Mn(NO3)2·6H2O作为无机水合盐类的相变材料，其相转变温度约为25.5℃，该温度与日常生活温度较为接近。
上述原料还可以进一步包括9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物5～15份，三聚氰胺5～10份。两者分别作为磷系阻燃剂和氮系阻燃剂，不仅能够提高复合板材的阻燃性能，且能够发挥磷、氮的协效阻燃，使复合板材的阻燃效果更好。
阻燃剂的阻燃机理有多种，如：吸热作用、覆盖作用、抑制链反应、不燃气体使燃烧窒息等。磷系阻燃剂9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(DOPO)在受热时能捕获自由基以终止反应，且在燃烧表面能产生结构更趋稳定的交联状固体物质或碳化层。碳化层的形成一方面能阻止聚合物进一步热解，另一方面能阻止其内部的热分解产生物进入气相参与燃烧过程。
上述原料还可以进一步包括聚乙烯20～40份，碳纤维3～10份。聚乙烯以及碳纤维能够对聚苯乙烯进行增韧增强，提高复合板材的综合力学性能。碳纤维分布于聚苯乙烯中，当聚苯乙烯受到外力作用时，碳纤维能够吸收外力，防止材料裂纹的扩展，从而提供聚苯乙烯的力学性能。同时，碳纤维还能够在聚苯乙烯内形成导热通道，辅助相变材料快速进行热量或冷量的吸收，使复合板材的保温性能更好。
本发明实施例还提供一种节能保温聚苯乙烯复合板材的制备方法，主要包括以下步骤：
在120～150℃下将聚苯乙烯、相变材料、石墨烯进行熔融共混，制得第一混合物。熔融共混能够将材料混合的更为均匀，有利于提高聚苯乙烯的生物降解速率。
再将第一混合物与发泡剂、添加剂进行混合得第二混合物。第二混合物先在30～50℃的条件下通风熟化2～5小时后，再将第二混合物置于模具中，并在100～120℃的温度下进行成型。最后冷却得到环保聚苯乙烯复合板材。通风熟化能够对第二混合物进行小体积的预先发泡，以提高后续加热过程的发泡完整性、均匀性以及发泡率。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种节能保温聚苯乙烯复合板材及其制备方法，具体如下：
称取原料如下:
聚苯乙烯50g，相变材料20g，石墨烯5g，发泡剂10g，添加剂20g。其中相变材料包括聚乙二醇20g；发泡剂包括可膨胀微球10g；添加剂包括乙烯-甲基丙烯酸共聚物20g。
将聚苯乙烯、相变材料、石墨烯、发泡剂、添加剂进行混合。将混合物置于模具中，并在100℃的温度下进行成型。最后冷却得到环保聚苯乙烯复合板材。
实施例2
本实施例提供一种节能保温聚苯乙烯复合板材及其制备方法，具体如下：
称取原料如下:
聚苯乙烯100g，相变材料80g，石墨烯20g，发泡剂25g，添加剂50g。其中相变材料包括Mn(NO3)2·6H2O 80g；发泡剂包括空心玻璃微珠25g；添加剂包括硅基氧化物50g。
在120℃下将聚苯乙烯、相变材料、石墨烯进行熔融共混，制得第一混合物。再将第一混合物与发泡剂、添加剂进行混合得第二混合物。再将第二混合物置于模具中，并在120℃的温度下进行成型。最后冷却得到环保聚苯乙烯复合板材。
实施例3
本实施例提供一种节能保温聚苯乙烯复合板材及其制备方法，具体如下：
称取原料如下:
聚苯乙烯70g，相变材料30g，石墨烯10g，发泡剂21g，添加剂30g。其中相变材料包括石蜡15g、癸酸15g；发泡剂包括空心玻璃微珠15g、可膨胀微球6g；添加剂包括TiO2 10g、A12O3 20g。
在120℃下将聚苯乙烯、相变材料、石墨烯进行熔融共混，制得第一混合物。再将第一混合物与发泡剂、添加剂进行混合得第二混合物。第二混合物先在30℃的条件下通风熟化2小时后，再将第二混合物置于模具中，并在100℃的温度下进行成型。最后冷却得到环保聚苯乙烯复合板材。
实施例4
本实施例提供一种节能保温聚苯乙烯复合板材及其制备方法，具体如下：
称取原料如下:
聚苯乙烯90g，相变材料60g，石墨烯15g，发泡剂12g，添加剂40g。其中相变材料包括石蜡20g、聚乙二醇40g；发泡剂包括偶氮二甲酰胺12g；添加剂包括乙烯-丙烯酸共聚物15g、TiO2 15g、A12O3 10g。
在150℃下将聚苯乙烯、相变材料、石墨烯进行熔融共混，制得第一混合物。再将第一混合物与发泡剂、添加剂进行混合得第二混合物。第二混合物先在50℃的条件下通风熟化5小时后，再将第二混合物置于模具中，并在120℃的温度下进行成型。最后冷却得到环保聚苯乙烯复合板材。
实施例5
本实施例提供一种节能保温聚苯乙烯复合板材及其制备方法，具体如下：
称取原料如下:
聚苯乙烯80g，相变材料40g，石墨烯12g，发泡剂10g，添加剂35g，9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物15g，三聚氰胺10g。
其中相变材料包括石蜡15g、聚乙二醇20g、癸酸5g；发泡剂包括4，4’-氧代双苯磺酰肼10g；添加剂包括硅基氧化物15g、TiO2 10g、A12O3 10g。
在130℃下将聚苯乙烯、相变材料、石墨烯进行熔融共混，制得第一混合物。再将第一混合物与发泡剂、添加剂、9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物、三聚氰胺进行混合得第二混合物。第二混合物先在40℃的条件下通风熟化3小时后，再将第二混合物置于模具中，并在110℃的温度下进行成型。最后冷却得到环保聚苯乙烯复合板材。
实施例6
本实施例提供一种节能保温聚苯乙烯复合板材及其制备方法，具体如下：
称取原料如下:
聚苯乙烯60g，相变材料25g，石墨烯8g，发泡剂14g，添加剂35g，9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物5g，三聚氰胺5g。
其中相变材料包括石蜡15g、聚乙二醇20g、癸酸5g；发泡剂包括4，4’-氧代双苯磺酰肼9g、可膨胀微球5g；添加剂包括乙烯-甲基丙烯酸共聚物20g、乙烯-丙烯酸共聚物15g。
在140℃下将聚苯乙烯、相变材料、石墨烯进行熔融共混，制得第一混合物。再将第一混合物与发泡剂、添加剂、9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物、三聚氰胺进行混合得第二混合物。第二混合物先在45℃的条件下通风熟化4小时后，再将第二混合物置于模具中，并在115℃的温度下进行成型。最后冷却得到环保聚苯乙烯复合板材。
实施例7
本实施例提供一种节能保温聚苯乙烯复合板材及其制备方法，具体如下：
称取原料如下:
聚苯乙烯60g，相变材料25g，石墨烯8g，发泡剂14g，添加剂35g，聚乙烯20g，碳纤维3g。
其中相变材料包括石蜡5g、聚乙二醇6g、癸酸5g、Mn(NO3)2·6H2O 9g；发泡剂包括4，4’-氧代双苯磺酰肼7g、偶氮二甲酰胺7g；添加剂包括乙烯-甲基丙烯酸共聚物10g、A12O325g。
在140℃下将聚苯乙烯、相变材料、石墨烯进行熔融共混，制得第一混合物。再将第一混合物与发泡剂、添加剂、聚乙烯、碳纤维进行混合得第二混合物。第二混合物先在45℃的条件下通风熟化4小时后，再将第二混合物置于模具中，并在115℃的温度下进行成型。最后冷却得到环保聚苯乙烯复合板材。
实施例8
本实施例提供一种节能保温聚苯乙烯复合板材及其制备方法，具体如下：
称取原料如下:
聚苯乙烯60g，相变材料25g，石墨烯8g，发泡剂14g，添加剂35g，聚乙烯40g，碳纤维10g。
其中相变材料包括石蜡5g、聚乙二醇6g、癸酸5g、Mn(NO3)2·6H2O 9g；发泡剂包括4，4’-氧代双苯磺酰肼5g、偶氮二甲酰胺6g、可膨胀微球3g；添加剂包括乙烯-甲基丙烯酸共聚物20g、TiO2 15g。
在125℃下将聚苯乙烯、相变材料、石墨烯进行熔融共混，制得第一混合物。再将第一混合物与发泡剂、添加剂、聚乙烯、碳纤维进行混合得第二混合物。第二混合物先在35℃的条件下通风熟化4.5小时后，再将第二混合物置于模具中，并在105℃的温度下进行成型。最后冷却得到环保聚苯乙烯复合板材。
实施例9
本实施例提供一种节能保温聚苯乙烯复合板材及其制备方法，具体如下：
称取原料如下:
聚苯乙烯60g，相变材料25g，石墨烯8g，发泡剂14g，添加剂35g，聚乙烯30g，碳纤维6g，9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物10g，三聚氰胺7g。
其中相变材料包括石蜡8g、聚乙二醇8g、Mn(NO3)2·6H2O 9g；发泡剂包括4，4’-氧代双苯磺酰肼5g、偶氮二甲酰胺3g、可膨胀微球3g、空心玻璃微珠3g；添加剂包括乙烯-甲基丙烯酸共聚物10g、乙烯-丙烯酸共聚物5g、TiO2 5g、硅基氧化物9g、A12O3 6g中。
在125℃下将聚苯乙烯、相变材料、石墨烯进行熔融共混，制得第一混合物。再将第一混合物与发泡剂、添加剂、聚乙烯、碳纤维、9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物、三聚氰胺进行混合得第二混合物。第二混合物先在35℃的条件下通风熟化4.5小时后，再将第二混合物置于模具中，并在105℃的温度下进行成型。最后冷却得到环保聚苯乙烯复合板材。
对比例
本对比例提供一种市购聚苯乙烯板材。
试验例
提供10个房间，每个房间面积相同。房间1～9号分别采用本发明实施例1～9提供的节能保温聚苯乙烯复合板材进行封闭。房间10号采用市购聚苯乙烯板材进行封闭。10个房间置于同一环境温度下，环境温度为38℃。将10个房间内部的起始温度均调节为25℃后，每隔3小时测量一次房间内部温度。测量结果如表1所示。
表1房间1～10号的温度变化
对比表1的测试结果可知，本发明实施例1～9提供的节能保温聚苯乙烯复合板材的保温效果均优于市购聚苯乙烯板材。市购聚苯乙烯板材密封的房间在3小时后就已经开始急剧升温，9小时后就已经与环境温度相同。房间1～9号基本没有急剧升温的现象，部分只在12小时后才出现升温现象，部分在3小时后出现了升温现象，但升温也较为平缓。因此，本发明实施例1～9提供的节能保温聚苯乙烯复合板材，其节能保温效果优异。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种节能保温聚苯乙烯复合板材，其特征在于，主要由按重量份数计的以下原料制成：
聚苯乙烯50～100份，相变材料20～80份，石墨烯5～20份，发泡剂10～25份，添加剂20～50份；
所述添加剂包括无机添加剂、有机添加剂中的一种或两种，所述有机添加剂包括乙烯-甲基丙烯酸共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物中的一种或两种；所述无机添加剂包括TiO2、硅基氧化物、A12O3中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的节能保温聚苯乙烯复合板材，其特征在于，所述原料包括按重量份数计的如下组分：
所述聚苯乙烯70～90份，所述相变材料30～60份，所述石墨烯10～15份，所述发泡剂14～21份，所述添加剂30～40份。
3.根据权利要求1所述的节能保温聚苯乙烯复合板材，其特征在于，所述相变材料包括聚乙二醇、石蜡、癸酸、Mn(NO3)2·6H2O中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的节能保温聚苯乙烯复合板材，其特征在于，所述发泡剂包括物理发泡剂，所述物理发泡剂包括可膨胀微球、空心玻璃微珠中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的节能保温聚苯乙烯复合板材，其特征在于，所述发泡剂包括化学发泡剂，所述化学发泡剂包括偶氮二甲酰胺、4，4’-氧代双苯磺酰肼中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的节能保温聚苯乙烯复合板材，其特征在于，所述原料还包括9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物5～15份，三聚氰胺5～10份。
7.根据权利要求1所述的节能保温聚苯乙烯复合板材，其特征在于，所述原料还包括聚乙烯20～40份，碳纤维3～10份。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的节能保温聚苯乙烯复合板材的制备方法，其特征在于，包括：将所述聚苯乙烯、所述相变材料、所述石墨烯的第一混合物与所述发泡剂、所述添加剂置于模具中，并在100～120℃的温度下进行成型。
9.根据权利要求8所述的节能保温聚苯乙烯复合板材的制备方法，其特征在于，所述第一混合物的制备方法包括：在120～150℃下将所述聚苯乙烯、所述相变材料、所述石墨烯进行熔融共混。
10.根据权利要求8所述的节能保温聚苯乙烯复合板材的制备方法，其特征在于，将所述第一混合物与所述发泡剂、所述添加剂进行混合得第二混合物，第二混合物先在30～50℃的条件下通风熟化2～5小时，再将第二混合物置于所述模具中，并在100～120℃的温度下进行成型。
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