建筑外墻外有機類保溫材料及其膠粘劑的應(yīng)用

王洪祚 王穎

1 前言

建筑能耗歷來在社會總能耗中占有較大比重，發(fā)達國家占40%左右，我國占30%左右，正逐年增大。2008年我國國務(wù)院作為一項重要國策發(fā)布實施了《民用建筑節(jié)能條例》，繼而各部委亦相繼出臺了一些重要政策、規(guī)定和標準，旨在進一步改善建筑物外墻圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，減少能耗。近年來推廣的外墻外保溫復(fù)合圍護結(jié)構(gòu)[1]已顯示出比內(nèi)保溫或內(nèi)外混合保溫結(jié)構(gòu)更具優(yōu)點。如可消除“熱橋”散熱影響，保持室溫穩(wěn)定；降低主體結(jié)構(gòu)所受長期溫差作用，延長使用壽命；降低成本，提高房屋有效使用面積；便于室內(nèi)無障礙裝修改造等。隨著設(shè)計及施工技術(shù)的日益推進，相關(guān)優(yōu)質(zhì)保溫隔熱主輔材料的涌現(xiàn)將更有力推動這一節(jié)能技術(shù)的完善和發(fā)展。目前所用外墻外保溫材料多為有機類保溫材料，如模塑發(fā)泡聚苯乙烯，又稱膨脹發(fā)泡聚苯乙烯（expanded polystyrene，EPS）、擠塑發(fā)泡聚苯乙烯（extruded polystyrene，XPS）、硬發(fā)泡聚氨酯（hard foamed polyurefhane，PU）等，其中許多材料自廣泛用于民用建筑以來，火災(zāi)事故連續(xù)發(fā)生，造成了巨大經(jīng)濟損失及人身傷亡，因此在此類材料的研發(fā)、使用及保溫系統(tǒng)的設(shè)計中在關(guān)注保溫與節(jié)能同時人們更同時關(guān)注其防火阻燃與安全性能。使用的相應(yīng)膠粘劑主要有聚合物水分散液、可再分散性聚合物干粉料及以其為基礎(chǔ)的干粉砂漿。無機類保溫材料則有巖棉、泡沫玻璃、泡沫混凝土等，但由于生產(chǎn)加工耗能大、長期效果不穩(wěn)定、施工工藝較復(fù)雜及環(huán)保等問題，已逐漸減少使用，有些國家甚至已停用。本文重點介紹應(yīng)用較廣泛的有機類保溫材料的特點及相應(yīng)膠粘劑的選擇和應(yīng)用。

2 有機類外墻外保溫材料

2.1 模塑發(fā)泡聚苯乙烯EPS及擠塑發(fā)泡聚苯乙烯XPS板[2]

EPS板系由可發(fā)性聚苯乙烯顆粒先經(jīng)加熱預(yù)發(fā)泡后再在模具中加熱成型而制得。它可通過粘貼及機械鉚固在建筑外墻上，也可在施工墻體上噴涂或澆注發(fā)泡成型。目前國內(nèi)以預(yù)制板的粘貼及機械鉚固應(yīng)用較多。EPS具有微細閉孔結(jié)構(gòu)，蜂窩孔徑約0.2～0.5 mm，空氣含量可占98%，而XPS板則是以可發(fā)性聚苯乙烯顆粒與發(fā)泡劑及成核劑在擠出機中加熱塑化，充分熔合，經(jīng)加熱連續(xù)擠出發(fā)泡成型而制得，具有緊密的閉孔蜂窩結(jié)構(gòu)和光澤表面。表1列出2者的主要性能指標。

由表1可見，EPS及XPS板性能雖有差別，但皆具有表觀密度小、質(zhì)量輕、強度大、硬度大及熱導(dǎo)率小、吸水性低、水氣滲透系數(shù)小的特點。一般表觀密度愈小、吸水性愈低及環(huán)境溫度下降，其熱導(dǎo)率皆隨之減小，保溫性能愈好。但此類材料亦存在許多不足之處，它們的氧指數(shù)較低（為24%），系易燃物質(zhì)，遇明火易于燃燒。使用溫度不能超過其理論使用溫度臨界值70 ℃，否則會發(fā)生急劇收縮、膨脹及扭曲變形。材料表面尤其是XPS表面平整致密，影響粘接效果，帶表皮的光面板尤甚。材料尺寸穩(wěn)定性的絕對值較大，熱脹冷縮易造成裝飾層開裂等。關(guān)于聚苯乙烯的阻燃技術(shù)研發(fā)上已經(jīng)歷了較長發(fā)展歷程[3]。采用苯乙烯單體與反應(yīng)型阻燃劑共聚或在大分子鏈上引入具有阻燃效應(yīng)的氮、磷、鹵素等元素的本體阻燃法，添加氫氧化鋁、氫氧化鎂及含硅、硼元素?zé)o機物等的無機阻燃體系、鹵素阻燃體系、磷系阻燃體系、膨脹阻燃體系及黏土阻燃體系等的添加型阻燃法都已有較成功的研究。張衛(wèi)勤等[4]選用十溴二苯醚與Sb2O3按質(zhì)量比3∶1構(gòu)成復(fù)合阻燃體系用于聚苯乙烯，其氧指數(shù)可達28%，不僅明顯降低發(fā)煙量，而且力學(xué)性能損失很小。含有磷、硼等的酸性物質(zhì)（酸源）、受熱易產(chǎn)生氨等氣體的物質(zhì)（氣源）及季戊四醇、淀粉、聚苯醚等易成碳物質(zhì)（碳源）構(gòu)成的膨脹阻燃體系，也顯示了良好的阻燃效果。如賈娟花等[5]選用聚磷酸銨、季戊四醇及三聚氰胺（質(zhì)量比30∶20∶5）構(gòu)成的阻燃體系用于聚苯乙烯，燃燒時由于3者協(xié)同作用形成了膨松多孔蜂窩狀的碳層，同時起到了隔熱及抑制氧擴散作用，而達到阻燃效果。侍孝永等[6]通過熱重-差熱-紅外-質(zhì)譜（TG-DSC-IR-MS）聯(lián)用技術(shù)研究了XPS加阻燃劑前后材料在空氣中的熱解特性，發(fā)現(xiàn)阻燃劑有效延長了阻燃型XPS到達最大熱釋放速率所需時間，減少了熱分解產(chǎn)物的種類和數(shù)量，提高了反應(yīng)活化能，材料中殘留阻燃劑在497 ℃以后會繼續(xù)熱解并放出熱量。湯義勇[7]也作了較系統(tǒng)的EPS與XPS板燃燒性能對比試驗。雖然非阻燃型EPS及XPS保溫性能很好，且價格低廉，工藝簡單，但從外墻外保溫材料防火安全考慮是不宜使用的。美國已有20多個州禁止使用，英國18 m以上建筑，德國22 m以上建筑也不允許將其用作外墻保溫材料。

2.2 硬泡沫聚氨酯（PU）板

這是一類具有閉孔結(jié)構(gòu)且綜合性能優(yōu)異的低密度微孔高分子硬質(zhì)材料，是由聚醚或聚酯多元醇與多異氰酸酯反應(yīng)并經(jīng)均勻發(fā)泡而制得。具有質(zhì)輕、電導(dǎo)率低、保溫隔熱、耐磨、耐油、耐水等特點。其保溫隔熱性能尤為突出，與表1所列EPS及XPS 板熱導(dǎo)率相比，其熱導(dǎo)率僅為0.018～0.023 W/mk（25 ℃），約為其一半。除可通過PU板粘貼及機械鉚固于外墻外，亦可在施工墻體噴涂或澆注發(fā)泡成型。但其氧指數(shù)亦較低僅16%～18%，亦為易燃物質(zhì)，燃燒時會分解釋放出HCN、CO、CO2等有毒氣體及煙霧，因此阻燃問題同樣是這一材料必須解決的重要課題[8]?；瘜W(xué)及物理膨脹型阻燃劑和無機、鹵系、有機磷類、氮系、有機硼系等添加型阻燃劑以及通過帶有阻燃元素的原料經(jīng)反應(yīng)引入PU大分子結(jié)構(gòu)的反應(yīng)型阻燃劑等也都已有較成功的研究。Paciorek-Sadowska 等[9]用 N，N-二（亞甲基環(huán)氧基-2-羥乙基）尿素與硼酸衍生物制成含阻燃元素硼的多元醇與二異氰酸酯作用制得的阻燃型硬質(zhì)PU泡沫塑料，不僅壓縮強度顯著提高，而且火焰測試表明可以達到自熄級別，燃后殘留量可達91.2%，而一般非阻燃型PU板樣品只有67.3%。Ali Riza Tarakcilar等[10]研究了聚磷酸銨（APP）季戊四醇（PER）組成的膨脹型阻燃劑的應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)其分解溫度要比PU泡沫板低，遇熱分解后在硬質(zhì)PU泡沫板表面先形成了磷酸及其聚合物而提高了其高溫穩(wěn)定性及阻燃性，試驗表明當阻燃劑添加量為5%（mAPP∶mPER=1∶1）時，阻燃及綜合性能最好。一些文獻也表明如果這一類膨脹型阻燃劑若向大分子化發(fā)展，可更好顯示其高效復(fù)合的優(yōu)點。最近不少研究還顯示硼系及硅系阻燃劑的應(yīng)用，對PU板的隔熱、隔氧、抑煙及防熔滴的綜合效應(yīng)十分顯著[6]。

2.3 泡沫酚醛樹脂（PF）板

泡沫酚醛樹脂（foamed phenolic resin，PF）是由酚類及醛類在催化劑作用下經(jīng)加成縮合聚合而得的可發(fā)性熱固性樹脂，加上發(fā)泡劑、固化劑、表面活性劑等經(jīng)加熱發(fā)泡制成樹脂板。它具有均勻閉孔結(jié)構(gòu)，表觀密度47～65 kg/m3，其熱導(dǎo)率低為0.022～0.3 W/mk，絕緣性及保溫性好，氧指數(shù)為35%～40%，具有突出難燃性，它在火焰中表面可形成石墨保護層，且有發(fā)煙量低、無熔融滴落物特點，可在140～160 ℃下長期使用。它還有良好易粘接性、易加工成型性及經(jīng)濟性，因而有“第3代新興保溫材料”之稱。許多國家已將泡沫酚醛用于墻體保溫。英國普碼洛克公司制備的泡沫酚醛防火性能已達英國標準BS476-7的一級，在公用建筑及民居施工后30年不會出現(xiàn)損害事故。美國西碧化學(xué)公司長期開發(fā)一種泡沫酚醛 “Tripolymer”，已建8個生產(chǎn)廠，且在英、德、澳建立了分廠，作為建筑保溫材料已鋪裝3 600萬m2。最近又開發(fā)了直接將發(fā)泡PF漿料通過噴槍現(xiàn)場噴注的專利技術(shù)。這類漿料是改性PF共聚物與固化劑的雙組分Tripolymer預(yù)聚體。日本已出臺法規(guī)，將泡沫酚醛作為公共建筑標準耐燃物。在我國雖然用泡沫酚醛生產(chǎn)的保溫空調(diào)風(fēng)管系統(tǒng)已在北京“水立方”及地鐵等高檔公共建筑中應(yīng)用，但尚未出臺相應(yīng)規(guī)范及法規(guī)，因而目前在民用建筑外墻施工中還鮮有應(yīng)用。泡沫酚醛也存在一些缺陷，如脆性大、粉化程度高、強度及熱導(dǎo)率受密度影響較大等。國內(nèi)外圍繞其開展的化學(xué)或物理共混改性正廣泛開展。囤宏志等[13]利用戊二醛改性酚醛并對泡沫酚醛性能的影響進行了研究，因為在分子結(jié)構(gòu)中引入長碳鏈，改善了樹脂中芳核間原有亞甲基相連的結(jié)構(gòu)，使材料脆性和易粉化程度有所改善，提高了韌性。歐陽昆等[14]則分別用聚乙烯醇或柔性聚醚改性酚醛樹脂，使泡沫酚醛的壓縮強度、韌性、尺寸穩(wěn)定性等力學(xué)性能都有明顯提高。黃劍清等[15]研究發(fā)現(xiàn)聚氨酯預(yù)聚體對酚醛樹脂增韌十分有效，異氰酸酯基與羥基的交聯(lián)和擴鏈產(chǎn)生了一定的柔性鏈段降低了脆性。

2.4 泡沫環(huán)氧樹脂（EP）板

泡沫環(huán)氧樹脂板是以環(huán)氧樹脂及固化劑為基材，在固化放熱過程中，向體系中添加化學(xué)發(fā)泡劑分解產(chǎn)生氣體（化學(xué)法）或添加低沸點液體蒸發(fā)為氣體（物理法）分散于樹脂中澆注或噴涂成型的，還可在液態(tài)環(huán)氧樹脂中添加空心微球固化后制得（空心微球法）?；瘜W(xué)及物理法所得泡沫環(huán)氧為低密度閉孔結(jié)構(gòu)，而空心微球法所得為高密度閉孔結(jié)構(gòu)，常用于不適合澆注發(fā)泡成型的場合。泡沫環(huán)氧具有質(zhì)輕、工藝成熟、力學(xué)性能好、耐水及耐化學(xué)腐蝕性能優(yōu)異、熱穩(wěn)定性高等特點，是很好的耐熱保溫材料，已在機車、電子、宇航及浮力材料中得到應(yīng)用。作為建筑隔熱保溫材料使用，具有自熄性，其防火性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)使用的EPS、XPS及硬泡沫PU。它不需要像泡沫PF一樣低溫貯存、高溫固化，固化時間短，無需加熱，可就地發(fā)泡，適用于大面積施工，粘接力強，但防火阻燃性能仍是其最大缺陷[16]。呂平等[17]使用Al（OH）3制得的阻燃泡沫環(huán)氧顯示了良好的應(yīng)用前景。同樣泡沫環(huán)氧的增韌改性亦是必須解決的問題[18]。目前由于成本價格原因，環(huán)氧泡沫板尚未得到廣泛應(yīng)用。

3 外墻外保溫材料膠粘劑

按照我國實際情況，前述保溫材料中，硬泡沫聚氨酯板正在推廣應(yīng)用，應(yīng)用最多的仍為EPS板和XPS板。按行業(yè)標準及外墻外保溫復(fù)合圍護結(jié)構(gòu)具體工藝要求，泡沫板與墻體間粘接用膠粘劑（常輔以機械鉚固）及泡沫板面水泥基抹面膠漿（常嵌入補強的玻璃纖維網(wǎng)布）是最主要的膠粘材料，要求其拉伸粘接強度必須大于0.1 MPa，還要求水泥基抹面膠漿的彎曲強度大于7.5 MPa。

近年來合成聚合物的乳液或懸浮液等水分散液及以其為基礎(chǔ)的改性砂漿和改性水泥膠凝材料，已得到較廣泛應(yīng)用[1，19， 20]。目前我國市場已有以上述水分散液為主體加入適當添加組分的水分散液膠粘劑、分散液經(jīng)噴霧干燥制得的可再分散性聚合物干粉料以及將干粉料與水泥、填料等直接混合制得的聚合物干粉砂漿等商品應(yīng)市，后者均可直接在施工場所加水方便配制應(yīng)用。

3.1 聚合物水分散液

這是水性膠粘劑的一個重要類別，可通過單體的懸浮聚合或乳液聚合而制得，而用于改性水泥砂漿的乳液，多采用非離子型乳化劑。目前應(yīng)用最多的仍是乙酸乙烯酯類及丙烯酸酯類的均聚物和共聚物。如聚乙酸乙烯酯、乙酸乙烯酯-乙烯共聚物、乙酸乙烯酯-乙烯-氯乙烯共聚物、乙酸乙烯酯-丙烯酸丁酯-丙烯酸異辛酯共聚物及長鏈脂肪酸乙烯酯-乙烯共聚物等。另外還有丙烯酸丁酯-丙烯酸異辛酯共聚物、丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物、丙烯酸異辛酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物、甲基丙烯酸甲酯-1，3-丁二烯共聚物、丙烯酸丁酯-聚乙烯及丙烯酸丁酯-氯乙烯共聚物等。其他如丁二烯-苯乙烯共聚物、氯丁烯-乙烯共聚物等均有應(yīng)用。實踐表明，丙烯酸酯類聚合物水分散液的耐水性要比乙酸乙烯酯類聚合物水分散液為好。所選聚合物的玻璃化溫度（Tg）越低，則其耐水滲透性越好，斷裂伸長率也越大，而反之則可使壓縮強度增大。共聚物中引入不飽和雙鍵時會使耐候性變差，而引入少量含羧基等親水性基團（如丙烯酸等極性單體）則可大大改善親水性及與水泥等的表面親合力而使粘接效果更好。含氯乙烯的聚合物乳液與水泥等混合時，因易產(chǎn)生游離氯離子而有一定腐蝕性，且攪拌配料時易發(fā)生破乳現(xiàn)象。聚合物乳液的最低成膜溫度比使用溫度高時才會有良好粘接力及力學(xué)性能。

除前述多種聚合物水分散液外，水溶性合成聚合物如聚乙烯醇及其縮醛類、聚丙烯酰胺的水溶液亦有應(yīng)用。水性液態(tài)合成聚合物如水性環(huán)氧樹脂[21，22]及水性聚氨酯[23]由于其優(yōu)良的粘接性及綜合性能，尤其是與水泥等相容性很好，是有良好應(yīng)用前景的膠種。聚氨酯類聚合物因柔韌性好、耐老化性好、粘接力強、用膠量少等諸多特點，也常用于粘貼XPS板及硬泡沫聚氨酯板。

3.2 可再分散性聚合物干粉料

這種干粉料由聚合物水分散液經(jīng)噴霧干燥而得，可直接作為商品出售，也可與水泥、填料及各種添加劑配合而成干粉砂漿，在施工現(xiàn)場按一定水灰比加水攪拌均勻即可使用，具有貯運保存方便、操作簡單工效高、內(nèi)聚力及粘接力強諸多優(yōu)點[24]。目前應(yīng)用最多的可再分散性聚合物乳膠干粉主要是乙酸乙烯酯類聚合物及丙烯酸酯類聚合物2大體系，如乙酸乙烯酯-乙烯共聚物、乙酸乙烯酯-乙烯-月桂酸乙烯酯三元共聚物、丙烯酸酯-苯乙烯共聚物、丙烯酸酯-乙酸乙烯酯共聚物等，但前3者應(yīng)用最多，占使用量的80%左右。乙酸乙烯酯-乙烯共聚物的流變性及施工性好，可滿足水泥砂漿的多方面要求，且游離的有機揮發(fā)物少，無丙烯酸酯體系的異味，粘接性、耐熱性、抗皂化性及貯存穩(wěn)定性皆較突出。

除上述聚合物的選擇外，一個綜合性能優(yōu)越的外墻保溫材料膠粘劑及改性水泥抹面膠漿，尚需考慮多種添加劑的配合。如從在我國應(yīng)用較多的德國Wacker公司產(chǎn)品來看，其種類及牌號繁多，各有其最佳適用范圍，用于外墻外保溫系統(tǒng)時多采用RE5044N，系乙酸乙烯酯系列乳液制得的粉料（與日本原野公司DY5020一致）。但由其專利報告[25]可見，除選擇乙酸乙烯酯-乙烯共聚物的乳液外，還精心配合了保護膠體、抗凝聚劑、表面活性劑、增稠劑、消泡劑等等多種添加劑，因而才顯示出其最佳綜合性能。

4 結(jié)語

建筑外墻外有機類保溫材料的應(yīng)用是建筑節(jié)能增效技術(shù)之一。EPS、XPS、硬泡沫PU板雖有各自優(yōu)點，但其致命缺陷是防火阻燃性和耐燒蝕性差。泡沫酚醛板及泡沫環(huán)氧板雖然價格較貴，但因具有的性能優(yōu)勢而應(yīng)用前景良好。在建筑外墻外保溫體系中使用的水性膠粘劑及以其為基礎(chǔ)的水泥基抹面膠漿雖然目前主要使用乙酸乙烯酯類聚合物及丙烯酸酯類聚合物已較成熟，但針對法規(guī)及施工工藝技術(shù)的具體要求，還需進一步開拓新的綜合性能更優(yōu)異的膠粘系統(tǒng)。水性環(huán)氧樹脂及水性聚氨酯膠粘劑在外墻外保溫系統(tǒng)中也有良好的發(fā)展前景。

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Organic external insulation materials for external walls and their adhesives

WANG Hong-zuo，WANG Ying

（College of chemistry and molecular science，Wuhan University，Wuhan，Hubei 430072，China）

Abstract：Exterior insulation construction is considered to be superior then the interior or hybrid insulation construction， but its flame retardant and safety is the major difficult to overcome for its organic materials. This paper describes the commonly used organic building exterior insulation materials， including categories、characteristics and appropriate selection and application of adhesives， and emphasizes its fire and safety performance.

Key words：external insulation material；adhesive；external wall