外墙保温材料的应用

外墙保温材料的应用

0建筑外墙保温挡墙剂的应用建筑能耗占整个社会总能耗的1.3%以上，是能耗最高的行业。因此，有必要发展和开发绿色建筑材料，减少建筑能耗，节能。其中，节能环保墙的使用是实现建筑节能最重要的手段。保温节能墙体一般是指使用导热系数较低的建筑材料构筑的建筑物墙体,由于材料本身的低导热性使得整个墙体的传热系数很低,能够起到很好的保温隔热效果。目前,应用于建筑外墙的保温材料主要是有机保温材料,如EPS(Expandedpolystyrene,模塑聚苯乙烯泡沫)、XPS(Extrudedpolystyrene,挤塑聚苯乙烯泡沫)、PU(Polyurethanes,聚氨酯泡沫)、PF(Phenolicfoam,酚醛泡沫)等,这些材料具有密度低、吸水率小、保温性能好等优点,应用于建筑外墙能起到很好的保温节能效果。同时,这些有机保温材料也存在粘结性能差、尺寸稳定性不高、易老化、易燃烧等问题,特别是由此引发的火灾事件时有发生,近年来相继发生的几起大火造成了严重的人员伤亡和财产损失,引起了各界对建筑保温材料防火安全性能的思考。建筑外墙保温材料根据材料的不同可分为3大类:有机类、无机类和有机/无机复合类。本文综述了几种常用的建筑外墙保温材料,从保温性能、安全性能、抗老化性能、尺寸稳定性方面,分析了它们的研究与应用情况以及存在的不足,无机保温材料因其优异的综合性能将成为未来建筑保温材料的首选。1机类污染物的类型目前建筑外墙常用的保温材料包括:有机类的EPS、XPS、PU和PF等;无机类的岩棉、泡沫玻璃(陶瓷)、泡沫混凝土以及最新研制的无机空心球泡沫。1.1无卤阻燃和无机阻燃EPS为模塑聚苯乙烯泡沫,简称模塑聚苯板或膨胀聚苯板。EPS板是以可发性聚苯乙烯颗粒为原料,经加热预发泡,在模具中加热成型而制成的具有微细闭孔结构的泡沫塑料板材。泡沫由约98%的空气和2%的聚苯乙烯组成,蜂窝孔的直径为0.2~0.5mm,壁厚为0.001mm,分为普通型和阻燃型两种类型,表1是其性能指标。与EPS板相同,XPS板的主要原料也是聚苯乙烯,由美国DowChemical公司于1941年发明,是以聚苯乙烯树脂为原料,添加阻燃剂等材料经特殊工艺连续挤出发泡成型的硬质板材,其内部具有紧密的闭孔蜂窝结构,表2是XPS板的性能指标。EPS/XPS板具有表观密度小、质量轻、导热系数小、吸水率低、容易加工、价格低廉等优点,是目前应用最广的建筑保温材料。EPS/XPS板也存在使用温度不能超过75℃、氧指数低、遇明火极易燃烧的不足,因此人们在对其进行阻燃处理方面做了大量研究工作。聚苯乙烯的阻燃方法包括本体阻燃、卤素阻燃、磷系阻燃、无机阻燃、膨胀阻燃、黏土阻燃等,本体阻燃是指在聚苯乙烯分子链上引入具有阻燃效应的氮、磷、卤族元素,达到阻燃的效果,其他几种阻燃方法都属于添加型阻燃。卤系阻燃剂阻燃效率高,是一种传统的阻燃剂,其中以溴系为主导产品,比如六溴环十二烷(HBCD)、2,4,6-三溴苯基烯丙基醚、十溴二苯醚、四溴双酚A等,但是卤系阻燃剂燃烧时会生成大量对人体和环境有害的烟、腐蚀性气体和有毒气体。随着世界范围内环保意识的增强,各国陆续出台各种法规限制和禁止含卤阻燃剂的使用。因此,从长期发展的角度看,无卤阻燃是阻燃剂今后发展的主要方向。膨胀阻燃和无机阻燃近年来发展较快,贾娟花等研究了聚磷酸铵(APP)、季戊四醇(PER)、三聚氰胺(MEL)混合体对聚苯乙烯的阻燃作用,结果表明:高温下三者协同作用,形成一层膨松多孔的炭层,阻隔了热传递及O2扩散,达到阻燃目的,同时减少了可燃气体和烟雾的释放,阻止聚合物燃烧产生熔融滴落。氢氧化铝和氢氧化镁是主要的无机阻燃剂,配合使用无机阻燃改性剂后能够取得很好的阻燃效果。聚氨酯(PU)是聚氨基甲酸酯的简称,是由多元醇和多异氰酸酯反应制得的一类主链上带有重复-NHCOO-基团的聚合物的总称。聚氨酯泡沫材料是以聚醚多元醇、聚酯多元醇和多异氰酸酯或改性异氰酸酯预聚物为原料,加入一定比例的发泡剂、催化剂、泡沫稳定剂等,在一定的温度条件下,经混合均匀发泡所制得的泡沫材料。20世纪40年代,德国Bayer实验室用二异氰酸酯及多元醇为原料,首次制得了聚氨酯硬质泡沫。聚氨酯泡沫的隔热、隔音性能是目前所有合成材料中最优异的,并具有极佳的耐磨性、耐油性、防水性,是目前国际上公认的性能较理想的保温材料。其热导率低,仅为0.018~0.023W/(m·K),相当于EPS的1/2,是目前保温材料中热导率最低的材料,20世纪90年代开始在节能建筑上被逐步使用,种类有聚氨酯泡沫板、喷涂聚氨酯和浇筑聚氨酯。未经阻燃处理的PU硬质泡沫氧指数仅为17%左右,且燃烧过程中放出大量HCN、CO2等有毒气体,作为建筑保温材料使用时,一旦着火会给灭火和火场逃生带来很大困难。因此许多学者对PU的阻燃进行了研究,其中,AliRzaTarakclar研究了由聚磷酸铵(APP)、季戊四醇(PER)粉末组成的膨胀阻燃体系在硬质泡沫塑料中的应用,当添加5%的组成比为2∶1(APP、PER)的膨胀阻燃剂时,硬质泡沫塑料的综合性能最好。M.Thirumal等以氢氧化铝和磷酸三苯酯作为复配阻燃剂填充硬质PU泡沫塑料,当氢氧化铝和磷酸三苯酯的质量分数比为5∶1时,硬质泡沫塑料的氧指数(OI)达到最大值(29.5%)。研究发现,化学改性后的蒙脱土对聚氨酯燃烧性能有显著作用。除膨胀阻燃外还有卤系阻燃、有机磷系阻燃、有机硼系阻燃、氮系阻燃等。酚醛泡沫(PF)是由酚醛树脂、发泡剂、表面活性剂和固化剂、不燃填料组成的一种泡沫塑料,与EPS/XPS和PU相比,PF氧指数一般为35%~40%,属难燃材料,具有优异的耐火性,燃烧性能为难燃B1级。酚醛树脂用于隔热保温领域,可以在130℃下长期工作,瞬时工作温度可达200~300℃。市面上的酚醛板表观密度在47~65km/m3,导热系数在0.033W/(m·K)左右。酚醛由于其分子结构的原因(酚醛树脂芳核之间仅有亚甲基相连,彼此不能够很好地链接在一起),存在大量的粉状物,同时酚羟基和亚甲基易氧化,导致酚醛泡沫塑料存在脆性大、粉化程度高的缺点,针对这一问题,有大量学者进行了增韧研究。酚醛泡沫增韧主要有以下3种方式:(1)加入外增韧剂,如橡胶弹性体改性剂、热塑性树脂以及短切玻璃纤维;(2)用部分带有韧性的改性苯酚代替苯酚合成树脂,即用含有与苯酚类似官能团的韧性物质部分代替苯酚与甲醛缩合,如间苯二酚、邻甲酚、对甲酚、对苯二酚、烷基酚和腰果壳油等;(3)化学增韧甲阶酚醛树脂,即通过酚羟基和羟甲基的化学反应接枝柔性链,其中聚氨酯改性酚醛泡沫是增韧效果最好的化学增韧方法。黄剑清等研究发现聚氨酯预聚体能有效提高酚醛泡沫的韧性,改善酚醛泡沫的耐高温性和泡孔分布,聚氨酯用量为酚醛树脂的9%时,其物理性能最佳。在酚醛中引入聚氨酯后会发生2种反应:异氰酸酯基团和组分中的多羟基化合物的羟基进行交联或扩链反应;异氰酸酯基团和甲阶酚醛树脂中的羟甲基进行交联反应。这2种反应通过引入柔性链段都能够改善酚醛树脂的分子结构,提高了泡沫制品的韧性,降低了脆性。1.2无机性1.2.1密度0.0m岩棉是一种性能良好的无机高效保温材料,是最早应用于建筑外墙的无机保温材料之一。它以玄武岩、辉绿岩为主要原料,外加一定数量的辅助料,在冲天炉或其他池窑内熔化(温度为2000℃以下),用50个大气压的压力进行强吹,骤冷成纤维状,或用甩丝法,将熔融液流脱落在多级回转转子上,借助离心力甩成纤维,纤维直径一般为3~9μm,密度为50~200kg/m3。根据目前的生产工艺,岩棉板可分为沉降法岩棉板、摆锤法岩棉板和三维法岩棉板。表3是不同方法制备的岩棉板性能指标。岩棉的酸度系数(MK)是衡量其性能指标的重要参数:MK=[m(SiO2)+m(Al2O3)]/[m(CaO)+m(MgO)]熔体配方的酸度系数是纤维内在的因素,也是最重要的因素,酸度系数偏低的情况下,产品的机械强度达不到要求,老化后强度更达不到要求。生产外墙外保温用岩棉应该满足如下要求:(1)酸度系数应大于1.8;(2)比较高的密度,如板材在140~200kg/m3,隔离带应大于100kg/m3;(3)适当的纤维立体分布;(4)采用特殊处理过的粘合剂。岩棉属纤维类保温材料,吸水率大,制品容易吸水致使其导热系数急剧增大,失去保温隔热性能,因此,降低岩棉的吸水率非常重要。在欧洲,岩棉作为保温材料应用于外墙保温也只占有保温材料市场的20%左右,原因是外墙保温用岩棉的质量要求高,价格昂贵。另外,岩棉作为外墙保温材料,对其施工操作规程和质量保证措施的要求严格,在雨季和冬季施工受到限制。1.2.2多孔材料的利用泡沫玻璃是以废玻璃、粉煤灰和非金属矿等为主要原料,加入发泡剂、稳泡剂、助熔剂和改性剂等,经粉碎后混合均匀形成配合料,放置在特定模具中,在加热炉内经过预热、750~900℃熔融、发泡、冷却和退火等工艺形成一种内部充满无数均匀气泡的多孔玻璃材料,其密度为200~300kg/m3,泡沫玻璃气孔率达80%~95%,气孔直径为0.1~2mm,常温下导热系数为0.060~0.085W/(m·K)。1935年,法国Saint-Gobain公司首次成功制备出泡沫玻璃,该泡沫玻璃是以玻璃为主要原料,碳酸钙为发泡剂,在耐火模具中加热发泡而制成的轻石状材料。泡沫玻璃在工业领域保温隔热工程中应用较多,建筑领域应用较少,在外墙保温领域占有的份额不到千分之一,主要原因是泡沫玻璃生产过程中能耗成本巨大,致使成品价格昂贵。如何提高泡沫玻璃的成品率,降低成本将是其在建筑外墙保温领域扩大应用需要解决的关键问题。1.2.3导热系数及抗压强度泡沫混凝土是主要由钙质材料(水泥、石灰)和硅质材料(石英砂、粉煤灰、矿渣粉、页岩等)组成,并掺加适宜的加气剂、外加剂等,经混合搅拌、浇筑成形和养护而成的一种多孔材料,是目前发展非常迅速的一种建筑外墙外保温材料。闫振甲对我国泡沫混凝土的发展进行了详细的论述,从1952年开始试制到现在,泡沫混凝土年产量已突破600万m3,其总产量的90%应用于建筑保温。应用于建筑外墙外保温的泡沫混凝土要求其密度较低,一般是200~400kg/m3,导热系数为0.051~0.076W/(m·K),抗压强度为0.2~0.5MPa。泡沫混凝土有现浇和预制品2种形式,发展初期以现浇泡沫混凝土为主,目前则以泡沫混凝土外墙保温板及其制品为主。泡沫混凝土存在强度低的问题,尤其是在密度较低的情况下。徐文等研究了用化学发泡法制备的泡沫混凝土板的性能,表明在密度低于200kg/m3的低密度泡沫混凝土外墙外保温材料的制备中,化学发泡相较于物理发泡具有更大的优势,是目前的主流方法,高强度等级水泥和适宜掺量的硅灰、纤维可以提高其抗压强度,适宜掺量的有机胶和纤维可以提高其抗拉强度,改善脆性,掺加粉煤灰、矿粉后(不论掺量大小),其抗压强度都降低了,密度相近时,对于导热系数的影响则不显著。泡沫混凝土是一种无机硅酸盐材料,在强度、防火、耐久性等方面与有机材料相比具有巨大优势,但在密度、绝热性等方面则有所不足,因此需要寻求进一步降低其密度和导热系数的方法,使之在外墙外保温体系中得以应用。许多泡沫混凝土工作者都在研制开发超低密度的泡沫混凝土,即密度低于200kg/m3,甚至更低,以期在密度降低的同时导热系数也随之降低。众所周知,对于泡沫混凝土而言,密度越低则气孔率越高,绝热性能也越好,即导热系数越低。不过当密度过低时,泡沫混凝土孔结构的完整性遭到破坏,孔壁过薄而出现裂纹甚至形成连通孔,如图1所示(某公司生产的密度为140kg/m3的泡沫混凝土),这对降低导热系数非常不利,反而会使导热系数升高,因此降低密度不能以牺牲热工性能为代价。2建筑材料的要求建筑保温材料的应用日益广泛,推广其应用已经成为我国建筑节能的主要措施,因此对保温材料的性能要求也越来越高。尤其是近年来由建筑保温材料引发的火灾事故逐渐增加,引起人们对建筑保温材料安