外墻外保溫材料性能分析及應(yīng)用思考

于 原（中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司，北京 100024）

1 研究背景

目前，我國大規(guī)模應(yīng)用的外墻外保溫材料主要是模塑聚苯乙烯泡沫和擠塑聚苯乙烯泡沫，這些材料質(zhì)輕、閉氣，防水性、絕熱性好，因此被保溫行業(yè)廣泛使用。但是，在實(shí)際應(yīng)用和檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果這些有機(jī)保溫材料沒有經(jīng)過化學(xué)分子結(jié)構(gòu)的改性，只是簡單地添加阻燃劑，一旦遇到火源仍易燃燒，并且高溫時(shí)還會(huì)發(fā)生蔓延和轟燃現(xiàn)象，火災(zāi)隱患并未根治。

從北京央視大樓和上海靖安大廈兩例特大火災(zāi)案件中不難窺見，外墻外保溫材料起火主要是由于內(nèi)、外兩方面原因共同造成的：于“外”，往往是指“偶然”的違規(guī)操作。但是，通過嚴(yán)格的操作規(guī)程、有效的現(xiàn)場管控以及得當(dāng)?shù)娜藛T培訓(xùn)是可以降低其發(fā)生的幾率；于“內(nèi)”，通常是指保溫材料的特性。由于現(xiàn)階段，我國大規(guī)模采用的外墻外保溫材料為模塑聚苯乙烯泡沫和擠塑聚苯乙烯泡沫，均屬于可燃材料，防火性能不佳。而在實(shí)際施工過程中，又無法完全避免明火情況的發(fā)生，因此，最根本解決問題的辦法就是采用難燃、不燃的材料，力求杜絕此類火災(zāi)的發(fā)生。

國內(nèi)市場上常見的，可用于替代EPS（聚苯乙烯泡沫）和XPS（擠塑聚苯乙烯泡沫）的保溫材料分為無機(jī)保溫材料（以巖棉、玻璃棉以及泡沫玻璃為代表）和有機(jī)保溫材料（以聚氨酯PU以及酚醛泡沫為代表）兩大類。下面，根據(jù)每個(gè)替代品的工藝流程、性能特點(diǎn)以及應(yīng)用現(xiàn)況等逐一進(jìn)行分析、描述。在比較優(yōu)、劣勢之后，以上述替代品的局限性作為切入點(diǎn)展開深層次思考，找到未來行業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向。

2 外墻外保溫材料介紹

1 玻璃棉

玻璃棉屬于玻璃纖維中的一個(gè)類別，是一種人造無機(jī)纖維。國內(nèi)企業(yè)多采用離心法技術(shù)加工成型玻璃棉氈或板，即以碎玻璃、石英砂、石灰石、白云石等為主要原料，配合一些純堿、硼砂等輔助原料，按固定的比例投放進(jìn)窖爐，在一定溫度下熔成玻璃液。然后，與粘結(jié)劑（調(diào)和液+樹脂）混合，在熔融狀態(tài)下，借助外力吹制式甩成絮狀細(xì)纖維，最后利用集錦機(jī)中的負(fù)壓收集在網(wǎng)帶上，從而形成玻璃棉氈。如若成板，則還需在固化爐鏈板和熱風(fēng)循環(huán)的雙重作用下，壓制而成。

正是由于離心玻璃棉內(nèi)部的纖維不規(guī)則地蓬松交錯(cuò)，阻止了空氣的流動(dòng)，削弱了對流在熱傳導(dǎo)中的作用，所以其有不錯(cuò)的保溫、隔熱效果。另外，材料存在大量微小的孔隙，這些無數(shù)細(xì)小而深入并相互貫通的孔洞能使聲波受到磨擦和粘滯阻力，使其又具有良好的吸聲特性。同時(shí)，貌似看來抗拉強(qiáng)度不高的離心玻璃棉卻因?yàn)榻z徑纖細(xì)（5μm～7μm），絲面微紋既少又小，在抗拉強(qiáng)度方面卻有著驚人的表現(xiàn)。最為重要的，玻璃棉屬于人工制成的無機(jī)材料一種，燃燒性能可達(dá)到A 級的要求，符合國家優(yōu)先發(fā)展不燃保溫材料的政策導(dǎo)向。

當(dāng)然，離心玻璃棉的劣勢也不容小視。首當(dāng)其沖的是將調(diào)和液與樹脂在配制成粘結(jié)劑的過程中會(huì)產(chǎn)生甲醛和苯酚。甲醛是一種無色易溶的刺激性氣體，吸收低劑量的甲醛可引起慢性呼吸道疾病，甚至導(dǎo)致鼻咽癌；苯為無色具有特殊芳香味，是室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物之一且被有關(guān)專家確認(rèn)為嚴(yán)重致癌物質(zhì)。此外，在安裝和拆卸過程中釋放到空氣中的人造纖維也會(huì)對人體組織造成損傷。其次，玻璃棉表面及內(nèi)部存在大量且連通的孔隙，所以親水性能好，抗?jié)B能力差。因此，當(dāng)受到雨水沖淋后，會(huì)吸收大量水分而導(dǎo)致強(qiáng)度降低、導(dǎo)熱系數(shù)加大。最后，當(dāng)離心玻璃棉直接應(yīng)用于外墻時(shí)，其內(nèi)部紋理勢必與基材表面平行，再加上自身容重較輕，致使抗剝離性能較差。

對于上述問題，當(dāng)前可采取的辦法有：⑴使用環(huán)保型粘合劑并加入一定量憎水劑，從而一方面減少或消除對環(huán)境的污染、對人體的傷害，另一方面提高防水性能，趨于接近憎水材料；⑵在離心玻璃棉氈或板的兩面分別粘貼玻纖布和鋁箔，不僅可以防止纖維飛散而且還達(dá)到防潮效果；⑶直接在勻質(zhì)離心玻璃棉的基礎(chǔ)上增強(qiáng)抗剝離性能的途徑很少，只有采取曲線迂回的方法，將離心玻璃棉氈豎向（垂直于絲向）切割成條形狀，在長邊對接拼合成面板后上下兩面再加貼金屬飾面層，形成復(fù)合輕板。如此一來，通過整個(gè)復(fù)合輕板體系的共同作用，間接提高了離心玻璃棉的抗剝離性能。另外，還有一種理論上的可能性，就是將集錦機(jī)和褶皺機(jī)結(jié)合利用，使網(wǎng)帶收集的玻璃棉絲進(jìn)行疊層處理，從而改變了原來單一的橫向紋理結(jié)構(gòu)，直接提高了材料的抗剝離性能。但是，此種可能性還處于推測階段，需要進(jìn)一步嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)論證和大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為前提和依據(jù)。

2 巖棉

巖棉由玄武巖、白云石等為主要原材料，在沖天爐或燃?xì)獬貭t中融化成液狀，經(jīng)四輥離心機(jī)高速甩絲成纖，同時(shí)噴入適量專用粘合劑，合成巖棉纖維。然后，通過捕集帶收集、定速擺錘、固化爐成型，最后切割成不同規(guī)格的巖棉板制品。

巖棉是一種優(yōu)質(zhì)高效的保溫材料，它具有良好的保溫隔熱、隔聲及吸聲性能，與傳統(tǒng)的保溫材料相比，具有密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低、不燃燒、防火無毒、適用范圍廣、化學(xué)性能穩(wěn)定、使用周期長等突出優(yōu)點(diǎn)。在國外，尤其是歐洲的建筑市場中大量使用了巖棉制品，北歐人均消耗量在20 kg 以上，美國人均消耗量為5-10 kg。由于防火問題，在美國巖礦棉占70%，在德國超過22 米高的建筑外保溫幾乎全部采用巖棉保溫材料。但在我國，巖棉作為建筑保溫材料的使用率還較低，主要應(yīng)用于能源、石油化工、船舶工業(yè)和建筑輕板的絕熱、防火、隔聲等方面，而在民用建筑中應(yīng)用得很少，特別是外墻外保溫的應(yīng)用仍是空白。究其原因主要是由于以下幾點(diǎn)造成的：

⑴在原材料選用方面，與玻璃棉所采用的充分利用廢舊物資發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的碎玻璃不同，巖棉主要所用的玄武巖、白云石均為不可再生且無法循環(huán)利用資源，此與我國節(jié)能降耗的整體發(fā)展態(tài)勢不相符；

⑵巖棉被水浸泡后馬上軟塌，因此喪失了許多原有的優(yōu)良性能；

⑶國產(chǎn)“巖棉板”的技術(shù)性能較國外產(chǎn)品有很大差距，主要表現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度及吸水率方面，而這兩項(xiàng)指標(biāo)正是限制巖制板應(yīng)用于外墻外保溫系統(tǒng)很關(guān)鍵的指標(biāo)。影響這兩項(xiàng)指標(biāo)的原因在于酸度系數(shù)偏低，硅氧-鋁氧骨干結(jié)構(gòu)不合理以及在成型過程中設(shè)備自動(dòng)控制程度不高。

對于生產(chǎn)原材料不可循環(huán)利用這塊短板，我們可以換一個(gè)角度，從廢棄的巖棉制品著手，尋求一條資源可持續(xù)發(fā)展之路。首先一種可行性方法是對廢棄巖棉進(jìn)行破碎、梳理和風(fēng)選,去除雜質(zhì)后制成均勻疏松的巖棉纖維，混入粘結(jié)劑、防水劑等，在壓制設(shè)備上壓制成硬質(zhì)巖棉磚。此技術(shù)制成的硬質(zhì)保溫磚不僅可用于炎熱地區(qū)的屋面隔熱，又可用于嚴(yán)寒地區(qū)屋面保溫，大量節(jié)省了取暖費(fèi)和空調(diào)費(fèi)；其次一種可行性方法是將廢巖棉通過擠壓、剪切的方式制成顆粒狀，而后再將這些顆粒與水泥或者石膏粉等膠結(jié)料進(jìn)行干拌，重新成為一種建筑材料。

巖棉板外墻外保溫系統(tǒng)常見的病害基本都與體系浸水有關(guān)，對于該體系，如何降低水分的侵入就顯得非常關(guān)鍵?？梢詮膬煞矫嫒胧郑阂环矫?，在工藝流程中將高效憎水劑添加于粘合劑中，使生產(chǎn)的巖棉板制品具有高效憎水的性能；另一方面，提高巖棉板外墻外保溫系統(tǒng)中抹面砂漿的防水性與抗裂性，阻止巖棉板與水分接觸。

由于巖棉體內(nèi)硅氧四面體和鋁氧四面體結(jié)構(gòu)骨架內(nèi)能偏高會(huì)造成酸度系數(shù)偏低，導(dǎo)致抗?jié)駸嵝阅堋椥?、抗拉?qiáng)度和熱穩(wěn)定性等偏低。而成型過程中設(shè)備自動(dòng)控制程度不高，也導(dǎo)致板材中纖維的三維分布狀況不理想，使得板材的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度偏低，彈性不好。因此，只有通過改進(jìn)原料配方，提高酸度系數(shù)，優(yōu)化熔制和固化工藝，開發(fā)深度打摺工藝等方法，才能縮小國內(nèi)、外巖棉產(chǎn)品的技術(shù)差距，使我國巖棉大規(guī)模用于外墻外保溫變?yōu)榭赡堋?/p>

3 泡沫玻璃

泡沫玻璃是一種無機(jī)硬質(zhì)保溫材料，由無機(jī)玻璃作為主要原料，加入碳酸鹽等發(fā)泡劑和其他輔料，將其一起磨細(xì)混合均勻后放在耐熱鋼模具內(nèi)，再在爐窯中經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)發(fā)泡和退火冷卻處理制成。

泡沫玻璃的物理化學(xué)性能突出：其具有較好的抗腐蝕性，作為外墻保溫材料，可以防止酸雨或酸霧對外墻的腐蝕性，可以防止大氣碳化，可以增強(qiáng)外墻對紫外線的抵抗能力。此外，泡沫玻璃還具有良好的物理性能：它可以耐高溫與低溫，能在-196℃-400℃的環(huán)境中正常使用；它的抗水能力與抗凍能力較強(qiáng)；它是不燃性的材料，并且無毒，不會(huì)污染空氣，也不會(huì)對人們的身體造成危害。但是，泡沫玻璃在我國建筑保溫領(lǐng)域的應(yīng)用還比較少，主要原因是其價(jià)格比較高，無法大面積推廣使用。

細(xì)下分析，造成國內(nèi)泡沫玻璃價(jià)格居高不下的“元兇”是由于技術(shù)工藝上的落后，即泡沫玻璃的組成設(shè)計(jì)缺乏有效的實(shí)踐驗(yàn)證、采用有模離散型發(fā)泡工藝、產(chǎn)品質(zhì)量差、成品率低。因此，在政府部門建立有效機(jī)制以推動(dòng)泡沫玻璃保溫材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用和生產(chǎn)企業(yè)加大對各種高性能泡沫玻璃研發(fā)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)國外先進(jìn)的無模連續(xù)發(fā)泡技術(shù)，同時(shí)學(xué)習(xí)科學(xué)的管理模式，以實(shí)現(xiàn)泡沫玻璃保溫材料健康、快速的發(fā)展。

4 酚醛泡沫

由熱固性酚醛樹脂發(fā)泡而成的酚醛泡沫是一種性能優(yōu)異的防火、節(jié)能隔熱、隔音的輕質(zhì)難燃材料。其遇火后表面略有碳化卻不燒穿，既不會(huì)著火也不會(huì)散發(fā)濃煙和毒氣。并且，在所有保溫材料中，其具有最低的導(dǎo)熱系數(shù)。

但是，酚醛泡沫材質(zhì)本身較脆、易粉化成為其廣泛應(yīng)用于民用建筑保溫的最大障礙。目前，可以通過化學(xué)和物理方法進(jìn)行性能提升，從而達(dá)到改善缺點(diǎn)的目的?；瘜W(xué)方法：通過一些助劑的添加改變酚醛泡沫板分子結(jié)構(gòu)；物理方法：開發(fā)酚醛泡沫復(fù)合保溫板。也就是說，以酚醛泡沫為芯材，表面復(fù)合一層聚合物砂漿以及玻璃纖維網(wǎng)格布。其中，聚合物砂漿和網(wǎng)格布與酚醛表面的復(fù)合過程在工廠一次預(yù)制成型。

5 聚氨酯PU

世界上公認(rèn)的最佳保溫絕熱材料為聚氨酯PU。聚氨酯PU 屬于熱固性（材料被加熱時(shí)不能軟化和反復(fù)塑制）有機(jī)材料，通過雙組份液料反應(yīng)交聯(lián)固化發(fā)泡而形成。其呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，耐高溫性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等物化綜合性能比普通塑料泡沫要優(yōu)越得多。聚氨酯PU 未經(jīng)阻燃加工處理時(shí)，屬易燃體。但是，在引入難燃、耐溫、低發(fā)煙、低毒性的環(huán)狀結(jié)構(gòu)化合物或具有難燃結(jié)構(gòu)聚合物納米顆粒后，聚氨酯PU 內(nèi)部性質(zhì)發(fā)生變化，在遇火時(shí)不產(chǎn)生收縮，同時(shí)形成一層碳化層，隔絕了熱量的傳遞和氧份的滲透，從而阻止火焰繼續(xù)擴(kuò)張，不產(chǎn)生蔓延燃燒現(xiàn)象。

3 行業(yè)分析

公安部和消防局于2011年3 月14 日發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步明確民用建筑外保溫材料消防監(jiān)督管理有關(guān)要求的通知》(公消［2011］65 號)，該《通知》要求民用建筑外保溫材料采用燃燒性能為A級的材料。為此，有機(jī)保溫材料燃燒性能基本上都不滿足要求，只有無機(jī)保溫材料燃燒性能方可達(dá)到A 級。雖然，同年8 月，公安部和建設(shè)部又共同發(fā)出《民用建筑外保溫系統(tǒng)及外墻裝飾防火規(guī)定》（征求意見稿），其中在第一章第二條中規(guī)定“民用建筑外保溫材料的燃燒性能宜為A 級，且不應(yīng)低于B1 級（新標(biāo)準(zhǔn)B 級）”，比年初“65號文”的語氣態(tài)度稍微緩和，但是從中可見端倪的是國家對于使用不燃保溫材料的大力倡導(dǎo)和主推方向。此外，以聚氨酯PU 為代表的部分有機(jī)保溫材料的燃燒性能等級為B2 級（新標(biāo)準(zhǔn)E 級），即使加了阻燃劑或阻燃處理，也只能達(dá)到B1級（新標(biāo)準(zhǔn)B 級）。可是，一旦發(fā)生火災(zāi)，火苗會(huì)通過窗戶或者挑臺(tái)等位置燃燒到其他位置，甚至波及整棟建筑。同時(shí)，這些有機(jī)材料在燃燒過程中，放出的煙毒性很大，也是火災(zāi)時(shí)危害人民群眾的主要源頭。

4 結(jié)語

綜上所述，玻璃棉、巖棉和泡沫玻璃均為不燃材料，應(yīng)用于外墻外保溫系統(tǒng)的舉措即符合國家所倡導(dǎo)的宏觀政策，也順應(yīng)國外先進(jìn)的技術(shù)潮流。但是，三者的性能局限性和未來技術(shù)發(fā)展方向也應(yīng)該引人注意，發(fā)人深思，故歸結(jié)如下：

⑴玻璃棉抗剝離性能差?？蓪⒓\機(jī)和褶皺機(jī)結(jié)合利用，使網(wǎng)帶收集的玻璃棉絲進(jìn)行疊層處理，從而改變了原來單一的橫向紋理結(jié)構(gòu)，直接提高了材料的抗剝離性能；

⑵巖棉體內(nèi)硅氧四面體和鋁氧四面體結(jié)構(gòu)骨架內(nèi)能偏高會(huì)造成酸度系數(shù)偏低，導(dǎo)致抗?jié)駸嵝阅?、彈性、抗拉?qiáng)度和熱穩(wěn)定性等偏低。而成型過程中設(shè)備自動(dòng)控制程度不高，也會(huì)導(dǎo)致板材中纖維的三維分布狀況不理想，使得板材的抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度偏低，彈性不好?？筛倪M(jìn)原料配方，提高酸度系數(shù)，優(yōu)化熔制和固化工藝，開發(fā)深度打摺工藝；

⑶泡沫玻璃價(jià)格高。在政府部門建立有效機(jī)制以推動(dòng)泡沫玻璃保溫材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用和生產(chǎn)企業(yè)加大對各種高性能泡沫玻璃研發(fā)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)國外先進(jìn)的無模連續(xù)發(fā)泡技術(shù)，同時(shí)學(xué)習(xí)科學(xué)的管理模式，從而減少不合格率，提高產(chǎn)能，降低成本和價(jià)格。

[1]GB/T25975-2010 建筑外墻外保溫用巖棉制品，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011

[2]GB/T25975-2007絕熱用硬質(zhì)酚醛泡沫之品（PF），中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007

[3]GB50404-2007 硬泡聚氨酯保溫防水工程技術(shù)規(guī)范，中國計(jì)劃出版社，2007