无机保温材料的分类与应用

无机保温材料的分类与应用

一、建筑材料的定义、分类和家庭(一)原料/材料复合保水性材料材料是指对热流有显著抗逆性的材料或材料的组合。材料保温性能的好坏,由材料的导热系数λ的大小决定,导热系数越小,保温性能就越好。一般将导热系数不大于0.23W/m·K的材料称为绝热材料,通常将其中导热系数λ值小于0.14W/m·K的绝热材料称为保温材料,将导热系数λ值在0.05W/m·K以下的材料称为高效保温材料。(二)分类保温材料的种类很多,分类方法也很多。目前常用的分类方法有:材质、形态、容重、温度范围、应用领域、用途六类。(三)环保材料家族二、无机材料的种类无机保温材料按照可加工性可分为硬质保温材料和柔性保温材料,如岩棉制品、玻璃棉制品、玻璃纤维制品、硅酸铝纤维制品、复合硅酸盐绝热制品属柔性无机保温材料,而泡沫水泥、泡沫玻璃、泡沫陶瓷、微晶发泡等属于硬质无机保温材料,保温砂浆属于复合保温材料。无机保温材料按照不同的施工方法还可细分为湿抹式、填充式、绑扎式、包裹缠绕式、砌筑式、装配式等种类。(一)主要肌力指标1、非晶体导电材料的导热系数导热系数是反映材料的导热能力或保温性能的最主要热物理特性指标。材料的导热系数λ是指在稳定传热条件下,1m厚的材料,两侧表面的温差为1度(K,°C),在1小时内,通过1平方米面积传递的热量。它与材料的内部组成结构、密度、温度、含水率、保温层厚度等物理因素密切相关。一般保温材料的导热系数随温度、含水率、容重的增大而上升,保温效果下降;非晶体结构、密度较低的材料,导热系数较小;材料的含水率、温度较低时,导热系数较小。常见的无机保温材料的导热系数如下表3:从上表可以看出,主要无机保温材料的导热系数λ值一般在0.03~0.1W/(m·k)。2、最佳容重的确定容重是表征保温材料性能的一个重要指标。容重是指在温度为110℃时经过烘干且呈松散状态的保温材料其单位体积的重量。同样的保温材料,它具有一个最佳容重值,即在最佳容重下,它才具有较小的导热系数和较好的保温效果。在工程上为了节约能源和减少保温材料对管道或支吊架结构的荷重,应尽量采用容重小的保温材料。一般软质和半硬质材料的容重不得大于150kg/m3,硬质材料的容重不得大于220kg/m3。常见的无机保温材料的容重值如上表3所示。除泡沫混凝土以外,绝大多数无机保温材料的容重值在80~250kg/m3之间,属轻质保温材料。3、做法一:无机外墙保温性能分级材料的防火性能是材料耐火极限和材料燃烧性能的综合表述。耐火极限用时间表示,是指对任一材料按时间-温度标准曲线进行耐火试验,从受到火的作用时起,到失去支持能力或完整性被破坏或失去隔火作用时为止的这段时间。燃烧性能是指材料燃烧或遇火时所发生的一切物理和化学变化。按照GB8624-1997分级标准,材料的燃烧性能等级划分为:A、B1、B2、B3,分别为不燃性、难燃性、可燃性和易燃性材料(等级划分详见《建筑内部装修设计防火规范》GB50222-95范附录A)。《中华人民共和国消防法》第11条规定:“建筑构件和建筑材料的防火性能必须符合国家标准或者行业标准。建筑材料应满足GB8624—2006《建筑材料及制品燃烧性能分级》的规定。GB8624-2006规定了A1、A2、B、C、D、E、F七级分类,在B、C、D级中增加了烟气毒性附加分级。无机保温材料除了具有一定的保温性能外,主要特点是防火性能较好,一般都能达到A1级防火保温材料标准,如,气凝胶毡、玻璃棉、岩棉、泡沫玻璃、泡沫陶瓷、膨胀珍珠岩、微晶发泡材料等,可广泛用于密集型住宅、公共建筑、大型公共场所、易燃易爆场所及对防火要求严格的场所,还可作为防火隔离带施工,提高建筑防火标准。有机类保温材料中仅酚醛泡沫复合保温板能达到复合A1级防火性能。4、建筑物的性能无机保温材料一般具有良好的抗风化、抗老化、抗干缩、抗紫外线性能,化学稳定性好,能够与建筑物同寿命。少数无机保温材料抗干缩性能欠佳。5、防火、防潮、防霉无机保温材料具有良好的抗酸雨、抗雾霾影响,耐腐蚀,耐虫蛀等性能,可以防止冷热桥传导,防止室内结露后产生的霉斑。6、呼吸功能的测定无机保温材料具有天然的亲水性,具有良好的透气性和呼吸功能,既容易吸水受潮,又容易自然干燥,对提高建筑物的舒适度有益,但在寒冷地区抗冻融性稍差。一般有机保温材料的含(吸)水率较低。7、抗弯抗压强度无机保温材料的抗压强度一般在0.4~1.0MPa,强度大大高于有机保温材料,但抗折强度不高,脆性大,不耐冲击。8、能吸收声音9、环境保护的性能无机保温材料一般没有异味和甲醛挥发,属无毒、无味、无放射性、无污染的环保节能型保温材料。10、无机材料的性能特性(1)具有一定的透气性和舒适性。采用无味、无污染的天然绿色环保优质无机材料,保温层具有一定的透气性、相变性和蓄热性,人居其中,冬季不会产生闷气感,夏季不会产生烘烤感,房屋通过保温隔热达到冬暖夏凉、绿色健康、舒适宜人。(2)具有较好的热稳定性和物理化学稳定性。无机保温材料长期安全可靠工作所承受的极限温度即最高使用温度,一般耐热温度比较高。由于系纯无机材料制成,耐酸碱、耐腐蚀、不开裂、不脱落,物理稳定性和化学稳定性较高,不存在老化问题,与建筑墙体同寿命。(3)热工性能好。无机保温材料蓄热性能远大于有机保温材料,可用于南方的夏季隔热。且适用于各种墙体基层材质,各种形状复杂墙体和各种场所的保温,适用范围广,全封闭、无接缝、无空腔,没有冷热桥产生。同时适用于外墙外保温、外墙内保温或外墙内外同时保温及屋顶保温、地热隔热层,为节能体系的设计提供一定的灵活性。(4)具有良好的施工性能。与基层墙体有较好的结合性,粘结强度高,不产生裂纹,不开裂,不脱落,不易形成空鼓。与传统的有机保温系统相比,施工简便,综合成本可节约10-30%,性价比较高。(二)一些主要的无机材料性能分析1、岩棉板保温系统岩棉板是以天然火成岩等为主要原料,经高温熔融、离心法等制棉、以热固型树脂为粘结剂生产的板材。岩棉用于保温材料开发较早,生产工艺相对成熟,具有较好的保温性能,但其生产过程对人体有害,施工时还易引起工人瘙痒,岩棉吸水后容易坍落并失去保温性能,目前国内市场岩棉的供应量和质量都达不到使用的要求。岩棉作为传统防火材料,广泛应用于多种领域。因其吸水性强,材料生产能耗高,自身强度低,施工时粉尘对工人损害较大,未能在外保温领域大面积推广。近年随着摆锤法生产工艺和纤维表面处理工艺的引进,使岩棉板的综合性能得到了很大程度的提高。因其综合性能的相对突出,岩棉板保温系统成为目前A级保温系统的主打产品。岩棉为无机材料,经煅烧抛丝粘合而成,导热系数约为0.05W/m·K,抗压强度较低,纤维为开孔,透气性好,经表面处理具有一定的防水防潮性能;但它与墙体基层粘结力较差,施工时岩棉板表面须经界面剂处理后使用,对粘结、抗裂砂浆性能要求较高,大面积施工时平整度控制较难,施工粉尘对工人损害较大,板材切割时易出现毛边,施工后板材边角突起隐患较大,因岩棉纤维非闭孔结构,应用过程中墙体透出水汽对抗裂层砂浆透气性、耐候性影响较大。且产品的耐水性较差,用于外墙外保温时极易由于降水等原因使保温层塌落而丧失保温能力。2、保温砂浆的施工膨胀珍珠岩(玻化微珠)是在早期建筑保温材料珍珠岩的基础上深化加工的产品。玻化微珠为闭孔轻质材料,闭孔率高,吸水率低,导热系数约为0.076W/m·K,多用于保温砂浆的生产。其施工时,对墙体基层的适应性较强,不受基础造型影响,可直接抹涂平整;该系统可实现整体无缝施工,避免了其他保温板材施工的接缝问题,施工后应力分布、释放均匀。但由于其施工方式导致保温层厚度一般在2~3cm左右,无法形成较厚的保温层,影响其保温性能的发挥,主要应用于南方市场,寒冷及严寒地区不适于大面积应用。膨胀珍珠岩由于原料来源广泛,生产设施和生产工艺相对简单,保温性能较好且对人体无害,市场发展前景较好,但缺点是吸水率高,吸水后重量大且保温性能下降较多。3、外墙保温防火隔离带泡沫混凝土以其良好的特性,广泛应用于节能墙体的保温材料中,在其他方面也获得了应用。泡沫混凝土在我国的应用主要是屋面泡沫混凝土保温层现浇、泡沫混凝土面块、泡沫混凝土轻质墙板、泡沫混凝土补偿地基。泡沫混凝土的发展得益于国家节能政策的推行,目前在外墙外保温防火隔离带上应用较广。其为无机材料,导热系数约为0.1W/m·K,闭孔蜂窝状材料;虽刚性弱于泡沫玻璃,但材料仍较脆、易碎,与墙体基层粘结力强,对粘结砂浆的性能要求较低;大面积施工时平整度控制较难。此外,在气候变化影响下,板缝处开裂隐患较大。复合水泥发泡保温板以水泥、粉煤灰、硅灰等为主要材料,经发泡、养护、切割加工等工艺制成的闭孔轻质憎水保温板,防火等级为A级,经800℃高温烘烤3小时,仍能保持完整性,使用在外墙上可有效提高建筑物的防火性能,闭孔率大于90%,有很好的隔热性能,且施工流程相对较易,高温下不会燃烧且没有有毒气体释放,既防火又保温,属于安全性环保材料。4、混凝土增强材料加气混凝土是以轻质材料、硅质材料和发气剂等原料,经一定生产工艺化学发泡、压蒸而成的轻质混凝土板材,用作围护结构兼有保温性能,多用于南方地区,一般用作内隔墙体材料或墙体自保温材料。5、无砂胶结砂浆基层墙体施工泡沫玻璃早期多应用于石化行业,随着国家节能保温政策实施的深入,逐步引用到建筑领域,目前作为外墙外保温防火隔离带的可选材料。其为无机材料,不易老化,经久耐用,导热系数约0.058W/m·K,为闭孔蜂窝状材料;防水性好,施工后与墙体基层粘结力强,对粘结砂浆的性能要求较低;大面积粘板施工时不易打磨,平整度控制较难,使用时要控制基层墙体的平整度;刚性强,脆性大,运输使用过程中易损坏;抹面后因材料自身刚性强,受气候影响时应力释放集中、快,板缝处易开裂,使用时在两种保温材料的接缝处一般要求打发泡胶处理。6、发泡陶瓷材料发泡陶瓷保温板是以陶瓷厂生产过程中产生的废渣、矿山开采的尾矿、废陶瓷、发泡剂经高温焙烧而成的高气孔率的闭孔陶瓷材料,适用于建筑外墙保温,防火隔离带,建筑自保温冷热桥处理等。具有防火阻燃,变形系数小,抗老化,性能稳定,生态环保性好,与墙基层和抹面层相容性好,安全稳固性好,可与建筑物同寿命。但泡沫陶瓷仍没有改变传统发泡材料材质脆性大,机械强度不高的缺点。发泡陶瓷板和发泡玻璃板同属高温烧结材料,生产能耗较高。7、作为传统柔性材料气凝胶毡是建筑A1级无机防火材料,常温导热系数为0.018W/(K·m),且绝对防水,其保温性能是传统材料3~8倍,可取代玻璃纤维制品、石棉保温毡、硅酸盐制品等传统柔性材料。缺点是价格太贵。8、主体斑块的组成新型复合自保温砌块是由主体砌块、外保温层、保温芯料、保护层及保温连接柱销组成。主体砌块有烧结多孔砌块、陶粒砌块等,有较高的砌体强度、较好的保温性能和防火性能。采用轻质砂浆预制成保温砌块或工厂预制保温挂板与墙体复合形成保温系统,施工速度快,能明显缩短工期。9、无机纤维状材料特性无机纤维(inorganicfibre)是以矿物质为原料制成的化学纤维,主要品种有玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维和金属纤维等。这些材料在通过专用配套喷涂设备后,内部纤维交织粘接一体,形成具有一定强度和韧性的极其复杂的立体网络结构,表现出较好的绝热性能和优异的吸声隔音性能,以及防冷凝、抗风蚀、不飘洒、粘接力强等功能。无机纤维状保温材料在外观上具有相同的纤维状形态和结构,密度小,绝热效果好,具有不燃烧、耐酸碱腐蚀、抗老化、抗菌、化学稳定性强、吸声性能好、无毒、无污染、防蛀、价廉等优点。玻璃棉属于玻璃纤维中的一个类别,是将熔融玻璃纤维化,形成棉状的材料,化学成分属玻璃类,是一种无机质纤维,具有成型好、体积密度小、热导率低、保温绝热、吸音性能好、耐腐蚀、化学性能稳定的特点,是一种优良的柔性保温材料。10、无机活性墙体墙体保温挡墙节能技术无机活性墙体隔热保温系统是一种新型无网保温系统,这种材料采用独特的工艺,由天然蛋白纤维,优化组合多种无机改性材料和固化材料,依据保温隔热材料柔性渐变及材质相融性原理,同时采用国际领先的无机粘结和抗裂技术全部经过工厂化生产配制而成的匀质组份,粘接强度可以达到0.6MPa,可以直接在保温材料外面粘贴面砖,也不需要网格布、铆钉,更不需要抗裂砂浆、抹面砂浆。由于复合了多种材料的多种优异性能,无机活性墙体隔热保温材料属A级不燃绿色环保型节能材料,其导热系数小,蓄热系数大,冬季可提高室内温度6-10℃,夏季可降低室内温度6-8℃。满足国家50%-65%的节能要求,房屋冬暖夏凉,保温隔热节能效果好;保温层与基层墙面材性相近,冷热膨胀系数柔性渐变,墙体不会因为夏季高温膨胀而产生开裂、空鼓现象,也不会因为冬季寒冷收缩受应力影响而产生开裂、脱落现象,粘结牢固,抗水、抗开裂、抗空鼓、抗脱落,抗风压、抗冲击、耐候性能好,粘接强度高,既节能环保又安全适用。11、无机外墙保温发泡微晶新材料是以煤矸石、粉煤灰等作为主要原料,采用先进配料、混料、干燥、发泡及高温焙烧技术而制成的高效硬质无机保温材料,属A级不燃材料,导热系数λ值能达到0.05W/m·K,5~8cm厚度的产品传热系数即可达到0.75W/(m2·K),可满足华北、华中、华东、西北地区多数建筑物的外墙保温节能的要求,具有优良的防水性、耐久性、可加工性和较高的机械强度。三、1.无机材料的开发方向和应用前景(一)无机纤维在保温纺织品中的应用无机保温材料是保温材料家族的一个重要分支,其应用领域较广。建筑常用的传统无机保温材料有:纤维状的矿岩棉、玻璃棉、硅酸铝棉及其制品;多孔状的膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、微孔硅酸钙、泡沫石棉、泡沫玻璃、泡沫混凝土、加气混凝土、泡沫砂浆、轻骨料保温混凝土(陶粒混凝土等)、无机保温砂浆(玻化微珠保温砂浆)、膨胀珍珠岩保温砂浆、聚苯颗粒保温砂浆等(严格意义上讲,聚苯颗粒保温砂浆应属复合保温材料类);层状的非金属镀膜玻璃以及各种无机纤维为基材制成的保温制品。微纤维玻璃棉、发泡微晶陶瓷、发泡微晶玻璃等无机保温材料家族的新成员则分别可用于工业过滤、尾气净化和空气净化等节能环保领域。玻璃棉制品用于冰箱空调保温、风管保温、钢结构保温、锅炉保温、除尘器、蒸汽管道保温等。玻璃纤维或无机纤维织物(毡、毯、布)用于石油、化工、热电、钢铁、有色金属、工业炉等行业热工设备的隔热保温与保护,船舶、火车、汽车、飞机等交通设备的高温隔热,家电产品的保温隔热,如烧烤炉、烤箱、电烤箱、微波炉等,如浸入树脂加工成板状,是地产建筑及冷气机优良的衬垫隔热、消音材料。绝热泡沫玻璃用于建筑墙体保温、楼宇屋顶等节能防水;各种烟道内衬和工业窑炉的保温应用;各种民用冷库、库房和地铁、隧道等基础绝热应用;高速公路、机场和建筑等基础隔离层应用;游泳池、渠坝等防漏防蛀工程;中低温制药绝热系统;船舶业舱板保温应用等。发泡微晶材料可广泛应用于工业、建筑、特种保温及特质保温等领域,如建筑领域的外墙内、外保温、内墙保温、屋面防水保温、地面防水保温等;工业防火保温领域的石油化工设备及管道保温、工业烟囱内衬、工业窑炉保温等;防火防水静音领域的隧道、地铁、影剧院、录音室、高架桥、城市轻轨隔音壁等;此外,在航空航天、军事装备、生物科技等领域也有广泛的应用需求。此外,发泡微晶新材料最高使用温度可达1000℃,使用温度宽、机械强度高,可满足大部分电力、冶金和化工行业高温保温的要求,是工业保温领域理想的高温保温材料。(二)无机材料与无机材料在防生化面料上的发展无机保温材料发展方兴未艾,市场应用潜力很大,发展前景光明。从地球和自然界来看,制造无机保温材料的原料种类很多、数量庞大,完全能够支撑无机保温材料的可持续发展。未来无机保温材料将朝着材料改性创新化、产品多功能集成化、部品高性能一体化、开发应用系统化方向发展。1、保温隔热材料比如,银通公司通过材料改性、创新、开发了一种YT无机活性墙体保温隔热材料,利用材质相融性原理和柔性渐变原理,采用国际领先的无机粘接技术、材料固化技术和改性技术,以天然优质耐高温的轻质材料为骨料,加入天然植物蛋白纤维,优化组合多种无机改性材料和固化材料,经过工厂化生产和统一配制,为客户提供一个均匀组分的、完整的保温隔热材料产品。该产品在施工应用时只需加水搅拌3~5分钟均匀后,就可直接抹在各类基层墙体上,不需加设网格布或钢丝网、铆钉,更不需抗裂砂浆或抹面砂浆等材料和工序,一次性可以达到抹平、抹白、保温、隔热的效果,更可替代常用的抹水泥砂浆,并可在该保温层上直接做涂料饰面和面砖饰面,达到粘结牢固、不开裂、不渗水、使用寿命与墙体一致,既保温隔热节能又便于装饰一体化。2、复合多功能均质复合材料理想的建筑墙体保温材料要求将保温、隔热、防火、抗水、轻质、隔音、抗开裂、抗空鼓、抗脱落、无污染、与墙体同寿命等各种性能融为一体,从自然界来看,无论是无机材料,还是有机材料,没有任何一种单一组分的材料能够同时满足上述性能要求。但是,通过材料组分设计,材料改性,材性复合,性能集成,从理论上解决材料之间的相融性、组合之后的柔性渐变性,同时解决材料内部固化与粘接机理,就能制造出复合多功能的均质复合材料,比如银通的岩能A级不燃无机活性墙体隔热保温材料就是典型代表。另外,通过结构和构造设计,将不同材料的某种功能复合,克服单一材料的不足,集成或集合成一个复合结构体系,也能满足建筑墙体多功能的要求。比如复合多功能保温、隔热、防火、防水、装饰一体化墙体部品系统。3、性能结合物分析用涂料锚板材料本结构材料内景适应建筑工业化对保温材料发展的要求,无机保温材料的发展呈现制品化、复合多功能部品化、高性能一体化的新趋势。如烧结发泡微晶类保温材料属高性能一体化制品;建筑防火保温装饰一体化板属于复合多功能部品等。有机保温材料加入高性能无机阻燃材料,大幅度提高其阻燃性能,同时也向复合保温、体系保温方向发展复合A级或体系构造A级防火保温部品。4、复合多功能材料性能保温材料开发与应用呈现系统设计、系统开发、系统应用、系统集成的趋势。无论是均质复合保温材料,还是复合多功能保温材料部品,强化系统地进行功能设计是其突出特点和关键所在。系统开发需要解决材料改性、工艺配方和制造加工过程中的工程技术问题,系统应用主要解决应用过程中的施工难题,系统集成主要解决保温材料体系的功能融合问题。(三)建筑保温行业主要产品(1)建筑保温市场据统计,目前我国建筑运行能耗约占我国全社会总能耗的30%。其中,冬季采暖和夏季空调使用的能耗在建筑能耗中又占有相当大的比重,做好建筑墙体保温工作,对提高建筑用能效率,降低建筑物综合能耗有着十分重要的意义。在我国《节能中长期专项规划》、《“十二五”建筑节能专项规划》、《既有居住建筑节能改造指南》等相关政策规划都对我国建筑节能工作提出了很高的要求。目前我国正处于大规模建设时期,到2020年前,我国城乡每年新建建筑面积将都将维持在30亿m2左右,按65%的节能建筑计算,年新建节能建筑面积将达到20亿m2。与此同时,到2020年,全国达到节能标准的面积占比要达到65%,也就是说我国现有的约400亿m2的既有建筑中有260亿m2以上的建筑需要在未来的7年内完成节能改造,每年的改造面积就将达到37亿m2。新建和改造的节能建筑面积年均达到57亿m2,建筑按外墙面积与建筑面积0.7:1的比例计算,我国每年建筑保温材料市场容量在50亿m2左右。目前我国建筑保温主要以外墙外保温为主,EPS和XPS仍是建筑保温应用最多的材料,无机保温材料主要使用各类岩棉保温板。但随着建筑保温要求的提高,传统有机材料在外墙外保温工程中的局限性日益凸显。针对外墙外保温材料的要求也不断提高。根据《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》(公通字46号)要求,对于幕墙式墙体材料,建筑高度大于等于24m时,保温材料的燃烧性能应为A级;建筑高度小于24m时,保温材料的燃烧性能应为A级或B1级。对于非幕墙式墙体材料住宅建筑高度大于等于100m的建筑,其保温材料的燃烧性能应为A级。其他民用建筑高度大于等于50m的建筑,其保温材料的燃烧性能应为A级;高度大于等于24m小于50m的建筑,其保温材料的燃烧性能应为A级或B1级。当不采用A级保温材料时,必须使用A级保温材料设置防火隔离带。依此计算,A级防火保温材料在建筑保温材料市场中的