挤塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）的主要性能及应用领域分析

王 勇，王向东，李 莹

（1.环境保护部环境保护对外合作中心，北京100035；2.轻工业塑料加工应用研究所，北京100048）

挤塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）的主要性能及应用领域分析

王 勇1，王向东2，李 莹2

（1.环境保护部环境保护对外合作中心，北京100035；2.轻工业塑料加工应用研究所，北京100048）

详细介绍了挤塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）的热导率、压缩强度、长期热阻、防潮性能等主要性能指标。阐述了XPS板材的主要应用领域，包括在建筑外墙外保温、屋面保温、地面保温、冷库保温、公路、铁路、渠道工程等领域的应用。详细分析了提高XPS板材阻燃性能的必要性和紧迫性，并提出了在含氢氯氟烃替换过程中XPS泡沫行业的发展趋势。

挤塑聚苯乙烯泡沫塑料；保温材料；热导率；阻燃性能；应用领域

0 前言

XPS是20世纪60年代研制成功的一种新型绝热材料，其制备过程是将聚苯乙烯（PS）树脂、发泡剂和相关助剂通过挤出机进行连续挤出发泡成型，由于具有闭孔的泡体结构，因此其综合性能十分优异，如绝热性能优异、持久、吸水率较低、尺寸稳定性好、抗蒸汽渗透性优良、压缩强度高等，在诸多领域得到了广泛应用［1］。

中国的XPS泡沫行业起步较晚，1999年美国欧文斯科宁公司在南京投资建立了中国境内的第一条XPS生产线，投产后产品迅速打开了市场，XPS逐渐获得市场的广泛认可［1］。此后，伴随中国经济的快速发展以及国家实施的建筑物节能改造工作的深入开展，XPS得到迅速发展，市场需求迅速增大。大量民营企业看准了迅速扩大的国内市场需求纷纷投入XPS的生产，XPS产量迅速增长，为实现国家建筑节能目标作出了巨大贡献。

经过多年发展，中国XPS泡沫行业已经实现了生产设备的完全国产化。XPS在中国建筑保温材料市场的份额呈逐年上升势头，其在铁路、公路、冷库等领域的应用也在逐年增加。据不完全统计，中国2010年XPS总产量超过1.5×107m3，约450kt；行业生产线保有量约900条，企业数量约500家。XPS生产的重点地区为华东、华北和东北地区［1］。

1 XPS板材的主要性能

XPS板材的闭孔蜂窝状结构决定了其在吸水率、热导率以及水蒸气渗透系数等方面均低于传统保温材料，因此XPS具有高抗压、轻质、不透气、耐腐蚀等优点。XPS板材最主要的性能指标是热导率，决定着XPS板材的保温性能，其他一些主要的物理、力学性能包括尺寸稳定性、阻燃性能、弯曲强度和压缩强度等［2］。

（1）热导率

XPS板材具有优异的隔热保温性能，其热导率远远低于模塑聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）。根据GB/T 10801.2—2002的要求，XPS板材的热导率通常应低于0.030W/m·K（25℃），而EPS的热导率一般要求低于0.040W/m·K。

总体来说，XPS板材的热导率主要由4个因素决定，分别是泡孔壁（PS）的热导率（λs）、气泡内气体（主要指发泡剂）的热导率（λg）、泡孔壁和气泡的辐射热导率（λr）以及气泡内气体的对流热导率（λc）。因此，XPS板材的热导率应当是上述4种热导率的加和［3］，如式（1）所示。

每一种热导率都受XPS板材自身性能的影响，λs受XPS板材密度和泡孔壁厚度的影响；λg受发泡剂种类和含量的影响；λr受泡孔结构和泡孔壁厚度的影响；由于XPS的泡孔直径很小，因此λc的大小可以忽略不计。其中，λg对XPS的热导率贡献最大，约为60%。由于空气在PS中的扩散系数很大，当XPS板材生产出来之后，空气会立即向XPS板材内部的泡孔扩散，很快泡孔内空气的分压就会与大气压相同。同时，如果发泡剂在PS中的扩散系数很大的话，那么发泡剂也会逐渐向气泡外部扩散；相反，如果发泡剂在PS中的扩散系数很小，就会贮存在气泡内部，那么气泡内的气体就是空气与发泡剂气体的混合物。由于λg对XPS板材的热导率贡献很大，那么选择一种能够在气泡内停留较长时间的发泡剂就显得尤其重要，如果发泡剂气体的λg足够低，就可以得到热导率较低的XPS板材［3］。

采用含氢氯氟烃（HCFCs）作为发泡剂生产的XPS板材，泡孔内是HCFCs与空气的混合气体。HCFC－22和HCFC－142b的热导率约为0.010W/m·K，远远低于空气的热导率（0.026W/m·K），且λg与各种气体所占的比例有关，因此，混合气体的λg要远低于空气的热导率。故采用HCFCs生产的XPS板材的热导率较低，保温性能很好。各种常用发泡剂的热导率如表1所示［3］。

表1 XPS板材常用发泡剂的热导率Tab.1 Thermal conductivity of blowing agents commonly used in XPS boards

（2）长期热阻（R 值）

泡孔中发泡剂和空气发生交换的过程可能持续几个小时到若干年，这取决于外部条件，最终泡孔中完全是空气，由于不同发泡剂的特性差别较大，发泡剂扩散系数会影响制品的性能。XPS板材一旦生产完毕，泡孔内即是发泡剂和空气的混合物，其比例随时间发生变化。因此，XPS板材的长期热阻也会随时间发生变化，这种现象通常被称为“熟化”。研究表明，HCFCs发泡剂在XPS板材泡孔内的停留时间很长，其在长期高湿度和浸水条件下，仍能保持优良的保温隔热性能，在70%的湿度下保持2年，热阻保留率超过80%，密度较大的EPS却不到60%，密度较低的EPS差距更大。

（3）防潮性能

XPS板材具有优越的抗水、防潮性能，其内部具有紧密的闭孔结构，PS分子本身不吸水，板材的正反面又都没有缝隙，因此，吸水率极低，防潮和防渗透性能极佳。根据GB/T 10801.2—2002的要求，XPS板材的吸水率最低可降到1%，而EPS的吸水率最低为2%，绝热用硬质聚氨酯泡沫塑料的吸水率最低为3%。

（4）压缩强度

由于泡孔结构紧密相连且壁间无缝隙，XPS板材的压缩强度极高，即使长时间浸在水中其压缩强度仍维持不变。据悉，XPS板材的压缩强度范围在150～1000kPa之间，EPS的压缩强度一般不超过400kPa，绝热用硬质聚氨酯泡沫塑料的压缩强度一般不超过180kPa。

（5）耐腐蚀性能

XPS板材因具有优异的耐腐蚀、耐老化性及保温性能，其使用寿命可达30～50年。

2 XPS板材的主要应用领域

2.1 建筑保温领域

目前，我国城镇民用建筑运行耗电为我国总发电量的22%～24%，北方地区城镇采暖消耗的燃煤为中国非发电用煤的15%～18%。据介绍，在2020年前，我国每年城镇新建建筑的总量将持续保持在2×109m2左右，到2020年，新增城镇民用建筑面积将为1.5×1010m2左右［4］。

由于人们生活水平提高，采暖需求线不断南移，新建建筑中将有7×109m2以上需要采暖，以目前的建筑能耗水平，则每年需要增加1.4×108t标煤用于采暖，增加用电量4000～4500亿度，这对中国能源供应将产生巨大压力。根据近30年来能源界的研究，目前普遍认为建筑节能是各种节能途径中潜力最大、最为直接有效的方式，是缓解能源紧张、解决经济发展与能源供应不足的矛盾的最有效措施之一［4］。

2.1.1 墙体保温

建筑物的能源损耗一般发生在屋顶、门窗、墙壁、通风口、地板等部位，其中能源损失较大部分来源于墙体。为了有效减少墙体能源损失，达到保温效果，采用墙体保温措施是非常必要且有效的。

外墙外保温系统是建筑节能的重要组成部分，该技术于20世纪70年代初期在欧洲开始发展。70年代初期第一次石油危机发生时，欧洲国家开始重视建筑节能技术的研究，如德国政府对私有房主给予经济上的补偿，鼓励其在建房时采用外墙外保温系统，这项措施对外墙外保温技术的发展起到了极大的促进作用。从1973年到1993年，德国约有3×108m2的新建建筑采用了外墙外保温系统，从而大量节约了冬季的供暖用油［5］。

20世纪80年代中期，我国开始进行外墙外保温技术的推广，20世纪90年代初期，建设部和各省市加大了外墙外保温的推进力度，国内一些科研单位和企业也开发了各种外墙外保温技术。1996年，全国第一次建筑节能工作会议召开，对外保温技术起到了进一步的推进作用。目前，中国的外墙外保温市场正在日益繁荣［4］。

外墙外保温系统既可用于新建工程，又适用于旧房改造，从而备受推崇；与此同时，外墙外保温系统还能保护建筑物结构，基本消除热桥影响，改善墙体的防水和透气性，延长建筑物寿命，在达到相同保温效果的前提下，可相对减少保温材料用量或增加房屋的使用面积。外墙保温技术已经成为我国建筑节能的生力军。

外墙外保温系统的优势在于使室内的温度和湿度在气候条件转换时更加稳定，显著提高了居住的舒适度。该系统通过保温材料的应用，可以明显地节约能源，同时通过减少建筑外墙的温度变化和湿气冷凝，减小了建筑物老化损坏的可能性。

外墙外保温系统主要由聚合物胶黏剂、XPS毛面保温板、界面处理剂、聚合物抹面砂浆、耐碱玻璃纤维网格布和机械固定件组成，如图1所示［4］。

图1 外墙外保温系统Fig.1 External thermal insulation system

市场上主要有2种XPS板材，一种是带表皮的，另外一种是不带表皮的（即毛面板）。在外墙外保温应用上，毛面的XPS板材可以提供更好的表面平整度，提高其与墙体基层、面层砂浆的黏结能力，而且毛面的XPS板材对界面处理剂的依赖性较低，可以大大降低施工现场界面剂漏涂带来的风险。有些XPS板材的品质较差，导致尺寸稳定性差，在环境中存放一段时间或经过环境温度变化后，容易产生大的翘曲变形，有可能引起抹面砂浆开裂。因此，应用于外墙外保温系统的XPS板材的尺寸稳定性必须严格控制在1.5%以下。

目前，应用于外墙外保温系统的XPS板材的型号主要为 W200和 W300，其相关性能指标严格按照GB/T 10801.2—2002来执行。

2.1.2 屋面保温

屋面保温系统主要有2种形式，即钢结构屋面和倒置式屋面。倒置式屋面是将防水层置于保温层之下，让防水层获得充分的保护，使防水层免受温差、紫外线和外力的破坏，使防水层表面温度变化幅度明显减小，避免防水层由于温度变化造成的破坏，同时使防水层免受紫外线照射、外界或人为撞击的破坏，给建筑物提供良好的防水保温功能，如图2所示。倒置式屋面不需要增设排气孔使施工变得简单，且不受气候的影响，是一种当前最理想的屋面保温系统，特别适合钢筋混凝土结构多功能屋面。

图2 倒置式屋面保温系统Fig.2 Thermal insulation system for inversion type roof

在钢结构屋面中使用XPS板材不仅会使钢结构屋面持久耐用，而且可以避免冷桥发生，切实保证建筑物内部不结露、不滴水，并可以增强结构的牢固性和隔音减噪功能，钢结构屋面保温系统如图3所示。

图3 钢结构屋面保温系统Fig.3 Thermal insulation system for steel structure roof

2.1.3 地面保温

通常在建筑物中约有15%～20%的热量是从建筑物地面散发的，对地面进行有效的保温隔热处理，从而避免冷凝结霜，给建筑物使用者一个舒适的环境就显得尤为重要。同时，从楼体结构安全的角度考虑，防止水蒸气从楼地面的渗透、侵蚀也十分重要。

XPS板材用作建筑物地面保温隔热材料有着其他材料无法比拟的优越性。XPS板材的高抗压性能使其适用于各种建筑物地面的长期荷载要求，高抗水性使其能适应混凝土浇铸等潮湿施工环境的要求，并在建筑物体长期使用过程中保持保温隔热性能恒定不变，广泛用于强化复合地板、实木多层地板、实木免漆刨地板的铺装，地面保温系统如图4所示。

图4 地面保温系统Fig.4 Thermal insulation system for ground

2.2 冷链物流领域

冷库建筑内外环境温差大，水蒸气渗透压力严重，使应用于冷库建筑的保温材料面临极为严峻的考验。XPS板材具有卓越的抗水蒸气渗透和抗压性能，使其在冷库建筑及冷藏车应用中更具有优势，可应用于地面、内外墙、屋顶或吊顶等，使冷库及冷藏车性能恒久不变，防止冷凝结露［6］。冷库保温系统如图5所示。

图5 冷库保温系统Fig.5 Thermal insulation system for cold store

冷库用XPS板材的厚度一般要求为100、150、200mm，由于生产工艺的限制，目前多采用几块XPS板材叠加的方法以满足厚度的要求。同时，XPS板材应用于冷库时，要求其－20℃下的热导率应该达到0.022W/（m·K），尺寸稳定性达到1.5%左右。冷库地面用XPS板材的压缩强度应大于350kPa，屋面用XPS板材的压缩强度应大于250kPa。

2.3 土工领域

2.3.1 公路工程

在高寒地区，由于天气的寒冷、水汽、冰霜等对地面的侵蚀使许多公路出现高低不平的问题，使得安全出现了一系列的隐患。因此必须控制地面的冻胀。XPS板材可以阻止水蒸气、冰霜等的渗透，使路基结冰情况降至最低，有效地控制地面冻胀，延长其使用寿命。

交通部于2004年出台了公路工程用XPS板材的行业标准JT/T 538—2004，对其各项性能指标进行了严格的规定，其中增加了－30℃下的热导率和尺寸稳定性的要求，同时还提出了低温耐久性的要求，即冻融循环25次后XPS板材的压缩强度损失率不超过8%，尺寸变形不超过2%。

2.3.2 铁路工程

我国已制定高速铁路发展宏伟目标，至2020年将建成约20000km的高速铁路，届时中国高铁总长度将占全世界一半以上。高强度XPS板材作为轨道板下有效的承重和弹性缓冲层可以减弱震动和噪音。目前，高强度XPS板材已成功应用于京沪线、石武线、京石线和沪杭线等高速铁路，其施工过程如图6所示。

铁道部于2009年出台了客运专线铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道高强度挤塑板暂行技术条件，对其各项性能指标进行了严格的规定，其中压缩强度必须大于700kPa，还增加了密度、闭孔率、剪切强度、弹性模量、断裂弯曲负荷、压缩蠕变、冻融循环300次后的吸水率等要求。

图6 高强度XPS板材在铁路中的应用Fig.6Application of high strength XPS board in railway field

2.3.3 渠道工程

南水北调工程中的输水渠道主要采用现浇混凝土衬砌防渗。然而，对于冬季气温较低、负温持续时间较长的地区，混凝土输水渠道存在着严重的冻害问题，冻害将导致混凝土衬砌板出现冻胀开裂，直接影响了渠道的正常使用，严重制约了工程效益的发挥。因此，在寒冷地区应对渠道采取防冻胀措施。在南水北调东线南干渠工程中首次采用XPS板材作为渠道防冻胀材料，其结构如图7所示。

图7 XPS板材在渠道工程中的应用Fig.7 Application of XPS board in channel

3 XPS板材的阻燃性能分析

XPS板材的成型温度较高，在此高温下，绝大多数阻燃剂均会分解，失去应有的阻燃性。所以阻燃XPS板材的生产难度远远大于EPS，目前国内最常用的XPS阻燃剂是六溴环十二烷。

阻燃级XPS板材的生产有一定的技术难度，国内绝大多数厂家无技术能力生产阻燃级XPS板材。阻燃级XPS板材的生产要求尽量降低螺杆温度，温度过高，会导致阻燃剂分解；温度过低，会导致螺杆抱死。因而，必须选择分解温度较高的阻燃剂，且阻燃剂的分散性要好。加入大量阻燃剂后，XPS板材表面易变形、开裂，必须调整工艺参数［7］。

按照原标准GB 8624—1997，建筑材料燃烧性能等级应分为4级：A级为不燃性建筑材料，B1级为难燃性建筑材料，B2级为可燃性建筑材料，B3级为易燃性建筑材料。XPS板材执行B2级，即属于可燃性建筑材料。目前市场上通常将B2级的XPS板材称为阻燃级XPS。而GB/T 10801.2—2002和 GB 8624—2006中均没有给出阻燃级XPS板材的定义，所谓的阻燃级XPS板是通俗的叫法。阻燃级XPS板材含有阻燃剂，可以阻止因小火而引起的意外起火，由于产品本身属于可燃材料，如直接暴露在强火源中就会迅速燃烧，阻燃剂的作用也十分有限。

为确保新旧标准体系的平稳过渡，公安部消防局于2007年5月21日发文《关于实施国家标准GB 8624—2006建筑材料及制品燃烧性能分级若干问题的通知》，其中规定：在有些规范尚未完成相关修订的情况下，为保证现行规范和GB 8624—2006的顺利实施，各地可暂参照以下分级对比关系，规范修订后，按规范的相关规定执行：按GB 8624—2006检验判断为A1级和A2级的，对应于相关规范和GB 8624—1997的A级；按GB 8624—2006检验判断为B级和C级的，对应于相关规范和GB 8624—1997的B1级；按GB 8624—2006检验判断为D级和E级的，对应于相关规范和GB 8624—1997的B2级。值得一提的是，实验室的检验只是对小的XPS板材试块进行阻燃试验，因此并不一定能反应出材料在实际火灾情况中出现的反应。

2011年3月以前，中国对于XPS阻燃等级的要求为B2级别（通常氧指数达到26%即可），但由于2009年的中央电视台大火和2010年上海的11.15特大火灾，中国公安部消防局于2011年3月14日颁布了公消［2011］65号文件，暂时规定民用建筑外保温材料需要采用燃烧性能为A级的材料。由此，中国XPS泡沫行业当前正面着极为严峻的消防法规要求，对XPS泡沫制品的阻燃等级要求也更加严格，目前，中国XPS挤塑发泡板材制品的阻燃要求一般需要达到B1级（通常氧指数要达到30%以上）才能满足基本要求。

4 结语

从2013年开始，中国将冻结HCFCs的生产和消费，2015年，削减基准消费量的10%，2020年削减基准消费量的35%，2025年削减基准消费量的67.5%，2030年全面停止使用HCFCs。因此在相当长的一段时间内，选择合适的HCFCs替代技术事关XPS企业的生存和发展。很多XPS泡沫企业目前出于降低成本考虑，而并非从环保角度考虑使用非HCFCs发泡剂，品种繁多，可以部分替代HCFCs，但对产品品质和生产安全的负面影响较大。只有选择和使用更加高效、更加环保和更加经济的新型发泡体系才能使企业在未来的市场竞争中立于不败之地。

最近国内火灾事故频发，这对XPS板材的阻燃性能提出了更加严格的要求，消防管理部门决定提高建材的阻燃要求，以减少火灾事故的发生，如果继续发生因XPS板材造成的火灾事故，将会对全行业造成重大的负面影响。因此，更加环保、经济、阻燃，更高品质是XPS板材未来发展的必然趋势。

［1］ 王 勇.中国挤塑聚苯乙烯（XPS）泡沫塑料行业现状与发展趋势［J］.中国塑料，2010，24（4）：12－16.

［2］ Barbara A F，Susan H，Alisa H.The Environmental and Societal Value of Extruded Polystyrene Foam Insulation［EB/OL］.2004［2011－05－20］.http：//www.xpsa.com/enviro/PDFs/Fabian＿Hoffee＿Herrenbruck＿Earthtech＿2004.pdf.

［3］ Youichi Ohara，Kenkichi Tanaka，Takahiro Hayashi.The Development of a Non－fluorocarbon－based Extruded Polystyrene Foam Which Contains a Halogen－free Blowing Agent［J］.The Chemical Society of Japan，2004，77：599－605.

［4］ 陶氏化学公司.陶氏化学XPS外墙外保温系统［Z］.上海：陶氏化学公司，2009.

［5］ 汪晓明，林海华，吴梅群.适合于外墙外保温的XPS保温板［J］.建设科技，2009，（6）：88－91.

［6］ Zhu Zhenjin.Effect of Loss of Blowing Agents on Thermal Insulation Properties of Polystyrene Foams［J］.Journal of Heat Transfer，2009，131：1－8.

［7］ 沈 娇，李德英，介鹏飞.XPS板的性能分析及应用研究［J］.节能，2009，（8）：13－16.

Research on Properties and Applications of XPS Boards

WANG Yong1，WANG Xiangdong2，LI Ying2
（1.Foreign Economic Cooperation Office，Ministry of Environmental Protection of the People′s Republic of China，Beijing 100035，China；2.Institute of Plastics Processing ＆Application of Light Industry，Beijing 100048，China）

Main properties of extruded polystyrene foam （XPS）were reviewed including thermal conductivity，compression strength，long－term thermal resistance，moisture－proofing etc.XPS boards could be applied in thermal insulation for building and cold store，as well as geofoam for road，railway and channel.The necessity of improving flame retardancy of XPS boards was discussed.Developing trend of XPS foam sector was put forward in the background of phase－out of HCFCs.

extruded polystyrene foam；thermal insulating material；thermal conductivity；flame retardancy；application filed

TQ325.2

A

1001－9278（2011）08－0075－06

2011－05－30

联系人，wang.yong＠mepfeco.org.cn