絕熱保溫材料研究進(jìn)展

凡雙玉 韓衛(wèi)濟

摘 要：文章在綜合迄今為止絕熱保溫材料的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用方面研究的基礎(chǔ)上，重點介紹了聚丙烯泡沫、聚異氰脲酸脂泡沫、納米氣凝膠等幾種新型環(huán)保型絕熱保溫材料，并對其研究進(jìn)展和應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：絕熱保溫材料；環(huán)保；聚丙烯泡沫；聚異氰脲酸脂泡沫；納米氣凝膠

1 概述

絕熱材料是指在平均溫度等于或小于623K（350℃）時，熱導(dǎo)率小于0.14W/（m·K）的材料[1]。絕熱材料又稱為保溫或保冷材料[2]。航天領(lǐng)域中熱力設(shè)備及管道用保溫材料多為無機絕熱材料，具有不腐爛、不燃燒、耐高溫等特點；普冷下的保冷材料多用有機絕熱材料，具有極小的導(dǎo)熱系數(shù)、耐低溫、易燃等特點。前者主要發(fā)展了石棉、玻璃纖維、泡沫玻璃、硅酸鈣材料體系，后者主要發(fā)展了聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、酚醛樹脂泡沫材料體系。隨著絕熱材料使用行業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)絕熱保溫產(chǎn)品已不能滿足社會和工業(yè)需求，近些年來，既有保溫材料不斷升級完善，新型環(huán)境友好型保溫材料應(yīng)運而生，絕熱保溫材料的組成體系和性能特點也正在逐漸的擴大化。

2 絕熱保溫材料發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 泡沫塑料保溫隔熱材料

泡沫塑料作為一種重要的有機保溫隔熱材料主要有聚苯乙烯、聚氨酯、酚醛泡沫塑料三種。有機類保溫材料具有導(dǎo)熱系數(shù)低、吸濕性小、容重輕、價格便宜等優(yōu)點；缺點是不耐高溫、親和性較差、易燃等。目前應(yīng)用比較多的是聚氨酯泡沫塑料（PU）、聚苯乙烯泡沫塑料（PS）和酚醛（PF）泡沫塑料。

聚氨酯泡沫塑料由含有羥基的聚醚樹脂或聚酯樹脂與異氰酸酯反應(yīng)構(gòu)成聚氨酯主體，由異氰酸酯與水反應(yīng)產(chǎn)生CO2氣體，或用低沸點氟氯烴受熱氣化而成，閉孔率可高達(dá)92%。聚氨酯泡沫塑料一般可分為：硬質(zhì)泡沫塑料、軟質(zhì)泡沫塑料、半硬質(zhì)泡沫。其中硬質(zhì)泡沫塑料制品熱導(dǎo)率低、質(zhì)輕，廣泛用作保溫隔熱材料，具有優(yōu)異的抗水滲透性、機械強度和抗老化性。

聚苯乙烯泡沫塑料板，是以聚苯乙烯樹脂為基料，加入一定劑量的含低沸點液體發(fā)泡劑、催化劑、穩(wěn)定劑等輔助材料，經(jīng)加熱后使可發(fā)性聚苯乙烯珠粒預(yù)發(fā)泡，然后在模具中加熱而制得的一種具有密閉孔結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯泡沫塑料。聚苯乙烯泡沫塑料類是目前使用最普遍的一種保溫隔熱材料，聚苯乙烯泡沫塑料制品具有質(zhì)輕、吸水性小、保溫隔熱性能良好，吸聲良好、價格低的性能。

酚醛樹脂泡沫保溫材料是由酚醛齊聚物通過交聯(lián)發(fā)泡制成的。酚醛樹脂分為熱固性樹脂和線型酚醛樹脂兩類。具有導(dǎo)熱系數(shù)低（近期已經(jīng)研制出導(dǎo)熱系數(shù)僅為（0.0175 W/（m·K））的酚醛泡沫塑料）力學(xué)性能好、尺寸穩(wěn)定、吸水率低、耐熱性好、電絕緣性優(yōu)良、難燃、良好的耐酸性和耐溶劑性等優(yōu)點，尤其適合于某些特殊場合作隔熱保溫材料或其他功能性材料。其優(yōu)異的防火阻燃性是以上兩種泡沫塑料無以媲美的，它可以長期在130℃下工作，抗火焰穿透時間可達(dá)1h以上。酚醛樹脂與其它材料共混改性，可以制備出性能極優(yōu)良的復(fù)合保溫材料，如密度小于50kg/m3的泡沫玻璃為填料的玻璃酚醛泡沫塑料極限抗壓強度可達(dá)0.16MPa，使用年限可超25年。酚醛泡沫均勻的細(xì)孔結(jié)構(gòu)，決定了它的導(dǎo)熱能力小。不管在0℃以上還是以下，導(dǎo)熱系數(shù)都隨著溫度的升高和平穩(wěn)的升高，因而在實際應(yīng)用中表現(xiàn)出特優(yōu)的絕熱和絕冷作用。如表1對幾種常用保溫隔熱材料的性能進(jìn)行了對比。

2.2 復(fù)合硅酸鹽保溫材料

復(fù)合硅酸鹽保溫材料具有導(dǎo)熱系數(shù)低、可塑性強、耐高溫、收縮率小等特點。主要種類有硅酸鎂、硅鎂鋁、稀土復(fù)合保溫材料等。而近年出現(xiàn)的海泡石保溫隔熱材料作為復(fù)合硅酸鹽保溫材料中的佼佼者，海泡石保溫隔熱材料是以特種非金屬礦物質(zhì)-海泡石為主要原料，輔以多種變質(zhì)礦物原料、添加助劑，采用新工藝經(jīng)發(fā)泡復(fù)合面而成。該材料無毒、無味，為灰白色靜電無機膏體，干燥成型后為灰白色封閉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物。其顯著特點是導(dǎo)熱系數(shù)小，溫度使用范圍廣，抗老化、輕質(zhì)、隔音、阻燃、施工簡便、成本低等。廣泛應(yīng)用在石油、化工、電力、冶煉、交通、輕工與國防工業(yè)等部門的熱力設(shè)備，管道的保溫隔熱和煙囪內(nèi)壁、爐窯外殼的保溫（冷）工程中。

2.3 玻璃棉制品保溫材料

玻璃棉是以硅砂、石灰石、螢石等礦物為主要原料，熔化后經(jīng)過特殊工藝將熔融玻璃液制成無機纖維。質(zhì)輕，導(dǎo)熱系數(shù)為0.034W/（m·K），是非燃材料，最高使用溫度300℃，抗老化，不溶于水和有機溶劑，但缺點是吸水率大，須防水處理。玻璃棉使用壽命較短，它受潮后易變形，即使風(fēng)干后也不能恢復(fù)至原來的性能。在由于成本低廉、施工方便，是空調(diào)工程中較為廣泛使用的一種保溫材料。

2.4 泡沫玻璃保溫材料

泡沫玻璃是由定量的碎玻璃、發(fā)泡劑、改性添加劑和促進(jìn)劑等，經(jīng)過細(xì)粉碎混合均勻后、放入到特定的磨具中，經(jīng)過預(yù)熱、熔融、發(fā)泡、退火等工藝制成的多孔玻璃。是一種性能優(yōu)越的絕熱（保冷）、吸聲、防潮、防火的輕質(zhì)高強建筑材料和裝飾材料，泡沫玻璃的工作溫度范圍為-200～+430℃、導(dǎo)熱系數(shù)為0.058W/（m·K），膨脹系數(shù)較?。?×10℃），且可逆，因此材料性能長期不變，不易脆化，穩(wěn)定性好。

3 新型環(huán)境友好型保溫絕熱材料

3.1 聚丙烯泡沫保溫材料

聚丙烯發(fā)泡材料以其優(yōu)良的力學(xué)性能和環(huán)保性能，引起了廣泛的關(guān)注。聚丙烯發(fā)泡材料具有優(yōu)良的耐熱性，使用溫度范圍-20℃～+150℃；作業(yè)溫度下的制品尺寸穩(wěn)定，優(yōu)良的力學(xué)性能彎曲模量高，具有良好的耐沖擊性能；環(huán)境友好性出色，燃燒時無毒氣放出，可自然光降解，易于回收；具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性，但聚丙烯是一種結(jié)晶聚合物，其發(fā)泡只能在結(jié)晶熔點附近進(jìn)行，超過熔點熔體粘度迅速下降使發(fā)泡成型非常困難。

BASF公司的Neopolen P系列泡沫塑料的粒子呈球狀，以非交聯(lián)閉孔為主要結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)制造的制品質(zhì)量輕，吸收沖擊載荷的能力強，形變后回復(fù)率高，吸水率低，耐腐蝕性好，耐熱及隔熱性強。Neopolen P系列粒子密度為20～85kg/m3，不含氟利昂等有害發(fā)泡劑，可用于接觸食物，干凈的回收料可再次回收利用。

Sentinel公司正在與Dow化學(xué)公司合作生產(chǎn)Strandfoam的PP發(fā)泡板，采用共擠出方法，先擠出多層發(fā)泡片材，然后迅速冷卻使其堅硬而且高度取向，制得密度 0.1～0.5g/cm3以及厚度1～3.5mm的聚丙烯片材。這些片材可以用于食品或肉品包裝，還可以用于制作薄殼制品、各種器皿（盤、碟、碗、盒等），以及汽車中的消音和絕緣材料等用的內(nèi)插件。此外，用共擠出方法將發(fā)泡層和密實的覆蓋層相結(jié)合，可以得到十分良好的表觀質(zhì)量和更好的柔韌性；光潔的表面也改善了表面的光學(xué)性能和印刷性。這種板可以用作沖浪板。該公司正在開發(fā)其在絕緣和汽車上的應(yīng)用。

Packaging Trays公司已經(jīng)在旋轉(zhuǎn)熱成型機上熱成型發(fā)泡PP片材。PP泡沫除了價格上低廉，其還可在微波爐中安全使用。該公司采用化學(xué)交聯(lián)劑生產(chǎn)的發(fā)泡PP片材密度為0.5g/cm3在工業(yè)中的應(yīng)用主要是在汽車工業(yè)上，如地毯背襯材料、遮光板、門襯和行李架等。

目前國內(nèi)在硬脂酸鋇對聚丙烯發(fā)泡過程的影響及其機理等方面曾有過一定的研究，但總體上，在聚丙烯發(fā)泡技術(shù)方面的研究與實際應(yīng)用中需要的水平仍相差很遠(yuǎn)。聚丙烯良好的耐應(yīng)力開裂性能，使PP從擠出到熱成型加工成本低于PS， 因此PP發(fā)泡制品備受人們的青睞。聚丙烯發(fā)泡材料，尤其是發(fā)泡片材在我國有著廣泛的應(yīng)用前景。

3.2 聚異氰脲酸脂泡沫保溫材料

聚異氰脲酸脂泡沫塑料（PIR），由異氫酸醋為主要原料，加入催化劑等其它輔料通過自聚反應(yīng)發(fā)泡而成的高分子化合物，如圖1所示，該分子結(jié)構(gòu)中含有異氰脲酸脂環(huán)，形成封閉的多孔結(jié)構(gòu)。PIR節(jié)能保溫板，不僅不含氟利昂、甲醛、游離苯等有害物質(zhì)，還具有防火和高保溫功能，保溫效果比聚氨酯泡沫提高了30%左右，更是聚苯板、酚醛板、玻璃棉的兩倍，導(dǎo)熱系數(shù)低達(dá)0.018W/（m·K）（25℃），是新一代環(huán)保型保溫材料。

PIR節(jié)能保溫板擁有十分優(yōu)異的防火性能，機理是通過添加復(fù)配反應(yīng)型的阻燃劑或采取異氰酸酯過量三聚反應(yīng)原理，在聚異氰脲酸酯環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)中引入了大量的聚氨酯分子鏈段，使得阻燃劑滲透到分子結(jié)構(gòu)凝聚相中，從分子架構(gòu)層次上提高泡沫的阻燃性能，遇火時阻燃劑可阻止CO氧化為CO2，對凝聚相形成一層薄的玻璃狀液態(tài)保護(hù)膜，隔絕或降低了氧氣擴散和氣相與固相之間的熱量傳遞，從而抑制了炭的氧化，阻礙火焰向泡沫內(nèi)部燃燒，且發(fā)煙量低，刺激小，無融滴現(xiàn)象，本體幾乎無明火。PIR泡沫兼具更超越了聚異氰脲酸酯和聚氨酯兩種材料的全部優(yōu)異性能。經(jīng)DOW實驗室、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫實驗室測試PIR節(jié)能保溫板的允許工作溫度范圍為-265℃～+205℃，物理性能穩(wěn)定，無變形、融塌、鼓泡現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 納米氣凝膠保溫絕熱材料

一般所說的納米氣凝膠為二氧化硅（SiO2）氣凝膠，由 SiO2網(wǎng)絡(luò)骨架和填充在納米孔隙中的氣體構(gòu)成的一種高分散固體材料。由于SiO2氣凝膠的密度僅為 30～100kg/m3，并具有 80%以上的孔隙率，因此，常溫下SiO2氣凝膠的熱導(dǎo)率僅為0.102W/（m·K），最高可耐1600℃的高溫。是一種典型的輕質(zhì)、高效隔熱材料，在航空航天、能源、化工等眾多領(lǐng)域中得到廣范應(yīng)用，也是一種最理想的新型節(jié)能和環(huán)保材料。

美國“旋翼飛行器的輕質(zhì)隔熱材料研究（LTIR）”以及“氣凝膠與航天器生存能力（ARIAS）”研究計劃在AATD和JTCG基金資助下開展了研究，制備了溫度在350℃～1000℃性能優(yōu)良的多孔納米氣凝膠。與傳統(tǒng)絕熱材料相比，質(zhì)量更輕、厚度更薄、體積更小的納米孔超級絕熱材料可以達(dá)到與之等效甚至更好的隔熱效果。

美國國家宇航局（NASA）Ames研究中心開發(fā)了陶瓷纖維-氣凝膠復(fù)合防熱瓦，復(fù)合后的航天飛機絕熱瓦與原隔熱瓦相比，導(dǎo)熱系數(shù)大幅度下降，強度大大提升，對航天器的隔熱性能比現(xiàn)有防熱瓦提高10～100倍。NASA艾姆斯研究中心的研究表明，這種新型氣凝膠防熱瓦可用于未來重復(fù)使用航天器和燃料箱隔熱層中。它能有效地透過太陽光，并阻止環(huán)境溫度的紅外輻射，是一種理想的絕熱透明太陽能采暖材料。在美國發(fā)射的火星探測器上，氣凝膠被用作保溫材料，對火星表面機器人的電子儀器設(shè)備起到保溫作用。

廣州英德埃力生公司生產(chǎn)了一種以二氧化硅氣凝膠為主原料復(fù)合的氣凝膠氈，環(huán)保、柔韌、可抑制輻射、可靈活施工的氣凝膠氈，其導(dǎo)熱系數(shù)極低，可應(yīng)用于-200℃到1000℃溫度范圍的保溫隔熱，是世界上最為先進(jìn)的新型節(jié)能保溫材料之一。

4 結(jié)束語

另外，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類社會的不斷進(jìn)步，人們自我保護(hù)意識的不斷增強，開發(fā)科技含量高、性能高且穩(wěn)定、環(huán)境友好型保溫絕熱材料必定是國內(nèi)外發(fā)展的重點及熱點。

參考文獻(xiàn)

[1]王強，楊林，劉敏.聚氨酯制品的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].遼寧化工，2003，32（7）：289-290.

[2]朱呂民，劉益軍，等.聚氨酯泡沫塑料[M].第三版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：1-2，393.

作者簡介：凡雙玉（1987-），女，助理工程師，專業(yè)：高分子材料。