外墙外保温材料的研究与应用

外墙外保温材料的研究与应用

随着经济和社会的发展，全球能源需求也在不断增加。在不断增大的总能耗之中,建筑能耗约占总能耗的11%~25%。面对能源问题的日益紧张,建筑节能问题引起了越来越多国家的重视。建筑节能就是在建筑中合理使用和有效利用能源,不断提高能源利用效率,降低建筑能耗。另一方面,建筑节能对环境保护也将产生直接或间接的影响,使用适当的保温节能材料和建筑节能方法可减少50%的CO2的排放。我国目前的建筑节能水平还远低于发达国家,我国建筑单位面积能耗仍是气候相近的发达国家的3~5倍,因此,建筑节能依然是我国建筑业的一个重要课题,在建筑领域加强研发并推广应用新型建筑节能环保材料,是提高我国资源利用率、改善环境、节能减排、走可持续发展道路的重要途径,具有重要的现实意义。建筑外墙保温材料分类方法多种多样,按材质可分为有机保温材料和无机保温材料2大类,不同材料具有不同的优缺点,无机保温材料属于不燃的保温材料。1挤塑聚苯乙烯泡沫原料建筑领域目前采用的有机保温材料主要有模塑聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)、挤塑聚苯乙烯泡沫材料(XPS)、聚氨酯(PU)和酚醛泡沫(PF)等。这些材料的防火安全性能较差,容易燃烧,均需通过添加一些阻燃剂以达到国家规范的使用标准。1.1试验用建筑保温性能聚苯乙烯泡沫塑料板(EPS)是一类采用含有挥发性液体发泡剂的可发膨胀性聚苯乙烯颗粒为原料,经加热预发泡后,在模具中加压成型的具有微细闭孔结构的泡沫塑料板材。EPS质量轻,隔热性好,隔声性能优,具有一定的弹性、低吸水性、耐低温性,易加工,是一种隔热保温性能非常优良的材料。EPS膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统是一种常见的外墙保温系统,具有优越的保温隔热性能、良好的防水性能及抗风压、抗冲击性能,能有效解决墙体的龟裂和渗漏水问题。该系统技术成熟,施工方便,性价比高,是保温节能建筑设计和建筑施工单位常用的隔热体系。EPS板薄抹灰外保温体系在法国、瑞典、美国、加拿大等国家已有30多年的应用历史,从20世纪80年代末引入我国,目前已在大中城市形成规模建筑,并取得非常好的社会和经济效益,获得了广泛的推广应用。近期,国内关于EPS的研究主要集中在通过添加阻燃剂纳米化工艺处理、设计聚合物的分子质量、选择特定比例组成的发泡剂及筛选具有调节聚合物分子间作用力的添加剂,将EPS的防火等级提高到B1级。1.2建筑保温、抗压强度好挤塑聚苯乙烯泡沫板,简称挤塑板(XPS板)。XPS是20世纪60年代研制成功的一种新型绝热材料,是以聚苯乙烯(PS)树脂为原料的连续性闭孔发泡的硬质泡沫塑料板,具有高抗压、吸水率低、防潮、不透气、质轻、耐腐蚀、不降解、导热系数低等优异性能。与EPS聚苯乙烯泡沫塑料板相比,其强度、保温、抗水汽渗透等性能有较大提高。在浸水条件下仍能完整地保持其保温性能和抗压强度,特别适用于建筑物的隔热、保温、防潮处理。广泛应用于干墙体保温、平面混凝土屋顶及钢结构屋顶的保温,低温储能地面、低温地板幅射采暖、泊车平台、机场跑道、高速公路等领域的防潮保温及控制地面冻胀,是目前建筑业物美价廉、品质俱佳的隔热、防潮材料。我国的XPS泡沫起步较晚,1999年美国欧文斯科宁公司在南京投资建立了国内第一条XPS生产线。经过10年的发展,我国XPS泡沫行业已经实现了生产设备完全国产化,XPS在我国建筑保温材料市场份额已经超过了20%,并且呈逐年上升趋势,2009年,XPS总产量已达1000万m2,行业生产线保有量约700条,企业数量约500家。生产XPS泡沫常用的发泡剂主要为HCFC222和HCFC2142b,这2种发泡剂是消耗臭氧层的物质,同时也是很强的温室气体,因此,在XPS泡沫行业面临着巨大环保压力。1.3聚氨酯材料的分类聚氨酯(PU)自20世纪30年代由德国化学家O.Bayer发明以来,迅速用于制造泡沫塑料、纤维、弹性体、合成革、涂料、胶粘剂、铺装材料和医用材料等,广泛应用于交通、建筑、轻工、纺织、机电、航空、医疗卫生等领域。在建筑上经常使用的聚氨酯品种有数十种,主要的类型有:聚氨酯硬泡、软泡、防水树脂、塑胶跑道、聚氨酯粘合剂、聚氨酯涂料、聚氨酯密封胶等,应用在建筑节能中主要是聚氨酯硬质泡沫塑料。硬质聚氨酯是一种非常优秀的隔热保温材料,具有质量轻、热导率低、耐热性好、耐老化、容易与其它基材粘结、燃烧不产生熔滴等优异性能。在国外,硬质聚氨酯作为建筑保温材料得到了广泛的应用,特别在发达国家,硬质聚氨酯泡沫塑料在建筑保温领域已经占据主导地位。欧美等发达国家和地区,聚氨酯材料广泛用于建筑物屋顶、墙体、天花板、地板、门窗等作为保温隔热材料,占建筑保温材料的49%,而在我国这一比例尚不足10%。建设部从2006年起全面推广新型建筑节能技术,将聚氨酯材料作为传统建筑保温材料的替代品进行推广,并专门成立了聚氨酯硬泡建筑节能应用推广工作组。1.4建筑外墙保温技术酚醛泡沫(PhenolicFoams,简称PF)被誉为保温之王,酚醛泡沫作为建筑节能保温材料,具有导热系数低、保温隔热效果好、不燃防火、防水透气、粘结性良好、刚性大、抗剥离强度高,耐候性及化学稳定性好,无毒、无味、无害,无刺激性等优点。刘威分析认为,使用酚醛泡沫作为建筑外墙保温材料,可以实现安全与节能“双保险”效果。目前,酚醛泡沫建材作为封闭与控制火势的建筑外墙保温材料,已在国外广泛投入使用。法国马赛、里昂等城市建造的许多大型公寓,已将酚醛泡沫板安装在外墙上,再涂上保护层以阻止大火燃烧蔓延。日本政府出台法规,将酚醛泡沫作为公共建筑的标准耐燃物。在我国,虽然采用酚醛泡沫生产的保温空调风管系统已经在水立方、北京地铁等高档公共建筑施工中得到运用,但因为尚未出台采用酚醛泡沫作为建筑外墙保温材料的规范,目前酚醛泡沫在我国民用建筑外墙中还鲜有应用。为进一步提高环保性,目前,无毒、不含破坏大气臭氧层的氟利昂的酚醛泡沫保温建材得到了研究。对酚醛泡沫进行改性处理可有效解决其脆性大、易粉化等问题。采用外加纤维改性,提高了酚醛泡沫的剥离强度,其脆性也得到改善。采用环氧树脂改性酚醛泡沫,可以提高其挠度和韧性,但环氧树脂黏度过大,发泡工艺操作困难。用聚醚改性,其压缩强度可得到提高。采用聚氨酯改性,酚醛泡沫的冲击强度和压缩强度、韧性、粉化程度、弹性等可以得到相应的改善。EPS、XPS、PU等有机材料耐热差、易燃烧,而且在燃烧时释放大量热量、产生大量有毒烟气,不仅会加速大火蔓延、而且容易造成被困人员及救援人员伤亡,因此,这些材料在建筑外墙保温技术中应用受到了一定限制,在国外发达国家已明令限制或禁止使用。PF密度大、整体强度差,而且成型条件要求较高,现场发泡困难,少量喷射成型设备为国外高价进口,目前还难以形成商业化生产。因此,发展无机外墙保温材料将是未来建筑保温材料的一个无可争辩的选择。2不燃性材料的安全问题无机外墙保温材料主要有岩(矿)棉、玻璃棉、膨胀珍珠岩、硅酸钙等,此类材料属于不燃性材料。自身不存在防火安全性问题,但是,普遍存在强度低、整体性差、吸水率高、冻融性差等问题,且制备工艺复杂,生产成本较高。因此,为利用无机保温材料的优良防火性能,尚需要对其进一步地探索与研究。2.1建筑上的应用技术岩棉是以精选的玄武岩、辉绿岩为主要原料,外加一定数量的辅助料,经高温熔融离心吹制成纤维状的松散材料。岩棉纤维在加入适量胶粘剂、防尘剂、憎水剂等外加剂后,经过逐层叠铺、压辊压制、固化炉固化等工艺,得到各种系列的岩棉制品。岩棉制品具有良好的绝热、隔冷、吸声及稳定的化学性能,有不燃、憎水率高、吸湿率低等特点。因此,岩棉广泛用于石油、电力、建筑、冶金、纺织、国防和交通运输等行业。国内岩棉的主要市场集中在石油、化工和电力3个部门,在建筑行业的推广应用还没有得到普及和高度重视。而作为外墙外保温的岩棉要求更高,酸度系数在1.8以上才能保证岩棉的质量和性能。由于产品质量要求高,市场小,所以没有更多的企业对岩棉在建筑上的应用技术进行深入的研究。岩棉作为A级防火材料应用于外墙外保温系统,在欧洲已经有几十年的历史,已形成了成熟的产品标准和系统认证指南。在国外,70%~80%岩棉被应用在建筑领域。在日本,岩棉制品在建筑上的应用占到了95%,工业设备仅为5%。国内大多数岩棉还不能达到外墙外保温系统的要求,较国外产品有很大差距,这主要与国内岩棉的原材料、生产工艺水平相关。作为一种先进的摆锤法生产工艺,只有少数厂家有应用。真正使用优质玄武岩的不多,掺加过多的矿渣影响了纤维的质量。目前,也有少数厂家已能生产出符合外墙外保温要求的岩棉,高强度岩棉板的抗拉强度最高可达到20kPa左右,但是厚度还无法突破100mm。因此,进一步提高岩棉的耐水性与强度是岩棉生产行业当前应关注的关键点与突破口。矿渣棉以高炉渣或其它冶金炉渣为原料,如铁、磷、镍、铅、铬、铜、锰、锌、钛等矿渣。矿渣棉具有质轻、导热系数小、不燃烧、防蛀、价廉、耐腐蚀、化学稳定性好、吸声性能好等特点。矿渣棉制品主要有粒状棉、矿棉沥青毡、矿棉半硬板、矿棉保温管、矿棉半硬板缝毡、矿棉保温带、矿棉吸声带以及矿棉装饰吸声板等。在建筑物的填充绝热、吸声、隔声、制氧机和冷库保冷以及各种热力设备填充隔热等方面得到了广泛的应用,用于外墙外保温还有待进一步优化性能,提高其强度和耐水性能。目前,欧洲和日本是使用岩(矿)棉最多的地区,我国占据比例正在上升,世界岩矿棉总年产量达800万t以上,我国产量超过世界总产量的10%,突破100万t,产值达18亿人民币,但绝对产量和人均用量与先进国家仍有较大差距,人均年矿物棉拥有量、绝对量都仅为发达国家的几分之一到几十分之一。因此,我国岩(矿)棉产业正面临巨大发展机遇。随着我国国民经济持续发展,向中等发达国家过渡,对节能、环境保护的日益重视,对舒适、健康、低能耗建筑的不断追求,作为主要绝热材料之一的岩(矿)棉材料,必将迎来高速发展时期。2.2碱、硼砂原料玻璃棉源自20世纪30年代欧文斯科宁公司发明的玻璃纤维,经过70多年的发展和推广,玻璃棉保温材料正越来越广泛的应用于住宅、中央空调系统、钢结构厂房、家用电器、火车车箱、隔声屏障等众多领域,极大地改变着人们的生活。玻璃棉以石英粉、长石粉、方解石粉、纯碱、硼砂等为原料。目前,用火焰喷吹法生产玻璃棉技术,由于环保程度低、单位能耗高、渣球含量高,已逐步淘汰。取而代之的是单机产量高、能耗低、无渣球的离心抽丝法生产工艺。玻璃棉是由互相交错的玻璃纤维构成的多孔结构材料,具有密度小、导热系数低、吸声性能好、吸湿率低、过滤效率高、不燃烧、耐腐蚀等特性,是一种优良的绝热、吸声、过滤材料。玻璃棉制品品种较多,主要有玻璃棉毡、玻璃棉板、玻璃棉带、玻璃棉毯和玻璃棉保温管等。我国规模化应用与开发玻璃棉产品不足,玻璃棉产品品种规格只有几十种,应用范围很窄。同国际80%以上应用于建筑领域的状况相比,国内玻璃棉在建筑领域的应用量差距较大。我国传统的玻璃棉市场中,大约90%的玻璃棉制品应用于国防、石油化工、建筑、冶金、冷藏、交通运输等工业领域,和各种管道、贮罐、锅炉、热交换器、风机和车船等工业设备、交通运输设备上。2.3建筑外墙节能材料膨胀珍珠岩是将天然珍珠岩矿石,经过破碎筛选,高温煅烧,使其体积急剧膨胀制得的多孔色白的颗粒状物质。膨胀珍珠岩高温下导热系数为0.05~0.15kcal/m·h·℃,耐火度>1250℃,体积密度为40~280kg/m3,是一种传统的建筑保温材料,应用非常广泛。膨胀珍珠岩具有质量轻、无毒害、隔热性能好、抗蚀、不燃等优良的物理化学特性以及使用成本低廉的特点,同时具备保温隔热及吸声等多重特殊性能,在当今社会节能型工业、民用建筑上的应用日趋广泛。膨胀珍珠岩用于建筑保温材料在欧洲占珍珠岩用途50%,在北美占60%,在日本占55%,在我国占65%。现阶段,国内玻化膨胀珍珠岩均采用电膨胀炉生产,由于存在产量低、生产成本和产品售价高等问题,很难解决建筑市场目前的供需矛盾。此外,电膨胀炉设备投资高,普通投资者很难承受,市场推广难度相当大。目前,国外已采用沸腾炉和松脂岩生产玻化膨胀珍珠岩,国内在这方面的技术尚有不足。为了进一步优化、拓展膨胀珍珠岩的使用性能,近年利用多孔膨胀珍珠岩吸附熔融石蜡而制备石蜡/膨胀珍珠岩相变材料,该种材料具有优良的热物性,是一种性能优异的建筑墙体节能材料。膨胀珍珠岩吸水率较高,在墙体温度变化时,珍珠岩易因吸水膨胀产生鼓泡、开裂现象,吸水还降低了材料的保温性能。另外,由于膨胀珍珠岩保温材料多出于珍珠岩与水泥结合体,存在难以解决的强度与导热系数之间的矛盾。这些给其作为建筑保温材料带来了致命的缺陷。2.4硅酸钙类材料硅酸钙保温材料是一种以水化硅酸钙为主要成份并掺以增强纤维的保温材料,具有体积密度小、导热系数低、耐高温和强度大等特点。目前生产的硅酸钙保温制品有两大类,一类是以托贝莫来石(5CaO·6SiO2·5H2O)为主要成分的硅酸钙保温制品,最高使用温度为650℃;另一类是硬硅钙石(6CaO·6SiO2·H2O)为主要成分的耐高温硅酸钙保温制品,最高使用温度为1000℃。托贝莫来石型硅酸钙是最先制造成功的硅酸钙保温材料,它以托贝莫来石族水化硅酸钙晶体为主体,平均密度不大于170~220kg/m3,抗折强度大于0.3MPa,导热系数为0.055~0.062W/(m·K),耐热度为650℃。硬硅钙石型硅酸钙绝热材料使用温度达1000℃。日本是世界上超轻硅酸钙绝热材料产量最大、技术最先进的国家,密度在110kg/m3的硬硅钙石型硅酸钙制品已能批量生产。我国是研究硬硅钙石型硅酸钙绝热材料最活跃的国家之一。我国硅酸钙生产的优势在于原料丰富,尤其是江西粉石英的发现大大降低了硅酸钙生产的技术难度与成本。但是我国生产的高温硅酸钙制品超轻效果不好,主要问题在于石灰原料的选择、处理以及添加剂的使用技术上。硅酸钙保温制品易出现的质量问题主要是破损率高、回收率低,有些产品最高耐热温度达不到要求,受热时易产生裂缝、收缩变形等。解决这些问题,在原材料、生产工艺及增强纤维材料的选择等方面进行了大量的研究。曾令可等和杨海龙等通过纳米技术将材料中的孔隙直径降低到纳米级,利用“零对流”、“无穷多遮热板”、“无穷长路径”等纳米效应,进一步改善了硅酸钙绝热材料的性能。吸水率高,不防水是硅酸钙制品的最大缺陷之一,因此,如何改进其憎水性能将是提高硅酸钙保温制品的一个重要研究方向,也是拓展其应用范围的一个重要途径。2.5复合胶凝剂在免烧砖上的应用目前已开发无机外墙保温材料还有玻化微珠、泡沫玻璃、陶瓷纤维板等。玻化微珠是一种酸性玻璃质溶岩矿物质(松脂岩矿砂),经过特种技术处理和生产工艺加工形成内部多孔﹑表面玻化封闭,呈球状体细径颗粒,是一种高性能的新型无机轻质绝热材料。颗粒粒径在0.1~2.0mm,体积密度为50~100kg/m3,导热系数为0.028~0.048W/(m·K),漂浮率大于95%,成球玻化率大于95%,吸水率小于50%,熔融温度为1200℃。表面玻化形成一定的颗粒强度,理化性能十分稳定,耐老化耐候性强,具有优异的绝热﹑防火﹑吸声性能。泡沫玻璃是由碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和发泡促进剂等,经过细粉碎和均匀混合后,