保溫隔熱墻體材料的研究現(xiàn)狀

陳艷林　尚珊珊　嚴　明　李宗育　高　威

(1湖北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430068;

2湖北工業(yè)大學(xué) 湖北輕工業(yè)綠色材料重點實驗室，武漢 430068 )

保溫隔熱墻體材料的研究現(xiàn)狀

陳艷林1,2尚珊珊1嚴明1李宗育1高威1

(1湖北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430068;

2湖北工業(yè)大學(xué) 湖北輕工業(yè)綠色材料重點實驗室，武漢 430068 )

摘要:保溫隔熱材料近年來發(fā)展迅速，目前已在墻體方面得到大量應(yīng)用。本文主要概述了有機、無機以及復(fù)合保溫隔熱墻體材料的研究現(xiàn)狀，國內(nèi)有機保溫隔熱材料主要采用聚苯乙烯泡沫板(EPS)、聚氨酯材料(PU)、擠塑聚苯乙烯泡沫板(XPS)等，無機保溫材料主要有泡沫玻璃、泡沫混凝土、巖棉和無機保溫砂漿等，有機保溫材料和無機保溫材料各有優(yōu)缺點，對比分析表明：復(fù)合保溫隔熱墻體材料將成為一種發(fā)展趨勢。最后分析了我國保溫隔熱墻體材料的應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞:保溫隔熱材料；種類；研究現(xiàn)狀

自21世紀以來，大量的能源資源被開發(fā)利用，致使能源資源日漸減少，能源危機已越來越嚴重。建筑節(jié)能是一種有效的節(jié)能方式[1~4]，它能緩解能源緊張并解決社會經(jīng)濟發(fā)展與能源供應(yīng)不足之間的矛盾[5,6]。因此，保溫隔熱現(xiàn)已成為社會大眾廣泛關(guān)注的話題之一。研究表明，保溫隔熱材料通常用于熱設(shè)備的保溫和冷設(shè)備的保冷，能有效避免冷熱探傷事故。它不僅能節(jié)約大量的能量資源，而且還能大大降低因能源燃燒產(chǎn)物對環(huán)境的破壞程度，特別是能減輕CO2,SO2,NOx和TSP對大氣的污染[7]。采暖和降溫的能耗數(shù)量在建筑耗能(包括建筑采暖、降溫、電氣、照明等)中所占得比例最大，不同階段的節(jié)能和各部分的圍護結(jié)構(gòu)耗能分布不一樣[8]，當建筑節(jié)能達到50%時，圍護結(jié)構(gòu)的各部分耗能量屬外墻和屋面的耗能最高。我國北方建筑能耗占全國建筑能耗的20%以上，其中墻體傳熱在建筑物總體傳熱中的比例最大[9]。所以，墻體材料的保溫隔熱勢必成為建筑節(jié)能的首要任務(wù)，開發(fā)并應(yīng)用高效的保溫隔熱墻體材料是保證建筑節(jié)能的行之有效方法。據(jù)相關(guān)文獻[10~12]報道，在墻體保溫材料上的投資能在1年左右的時間可以收回。西方國家認為保溫隔熱墻體材料在實施建筑節(jié)能的各項措施中效率最高。

保溫隔熱材料是指對熱流具有顯著阻抗性的材料或復(fù)合體，其導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.2W/(m·k)[13]。一般而言，保溫隔熱材料有許多共同特點，包括輕質(zhì)、疏松、呈多孔狀或纖維狀以及內(nèi)部不流動的空氣阻隔熱傳導(dǎo)等。其中，無機材料具有使用溫度寬、不燃、耐化學(xué)腐蝕性較好等優(yōu)點；而有機材料則具有強度較高、吸水率較低、不透水性好等優(yōu)點。

1保溫隔熱材料常見種類

根據(jù)原材料的不同，當前墻體保溫隔熱材料大致可以分為三種類型：有機保溫隔熱材料、無機保溫隔熱材料和復(fù)合保溫隔熱材料。

1.1　有機保溫隔熱材料

國內(nèi)有機保溫隔熱材料主要采用聚苯乙烯泡沫板(EPS)、聚氨酯材料(PU)、擠塑聚苯乙烯泡沫板(XPS)等。EPS,PU和XPS都是有機高分子材料，均屬于B2級可燃材料，極易被引燃。其性能對比如表1所示。根據(jù)公安部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部公通字[2009]46號《民用建筑外保溫系統(tǒng)及外墻裝飾防火暫行規(guī)定》的要求：“民用建筑外保溫材料宜為A級，且不應(yīng)低于B2級”。

(1)EPS保溫系統(tǒng)由于具有低導(dǎo)熱系數(shù)，高強、防水、防滲等優(yōu)異性能，在舊房改造中具有極大的吸引力，并且作為建筑保溫隔熱材料仍然具有巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的發(fā)展前景[14,15]。

(2)PU保溫材料保溫性能在有機保溫隔熱材料中相對較好，其隔音、耐老化、一定的抗潮等特性也被人們稱道；它在加工成形前是液體，這一獨特的加工方式，大大減少了運輸成本，具有很好的應(yīng)用經(jīng)濟性。但由于技術(shù)要求較高且外墻強度較差、不可撞擊等特點，因此目前市場使用率較低，僅占我國外墻保溫市場的5%。

(3)XPS保溫材料具有優(yōu)異的保溫隔熱性能、良好的抗?jié)裥?、良好的阻燃性能和抗蒸汽滲透性，它不僅適用于保溫有特殊要求的建筑，也可用于石材或外墻飾面材料為面磚的建筑。但其粘貼力和系統(tǒng)表面的平整度仍存在部分缺陷[16]。

有機保溫隔熱材料種類繁多，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，工程應(yīng)用技術(shù)相對已經(jīng)比較成熟，在我國北方已有較長的使用歷史，生產(chǎn)與施工技術(shù)都已經(jīng)成熟，在市場上已占主導(dǎo)地位，其他保溫材料及保溫體系很難在短時間內(nèi)完全取代它。其化學(xué)組成決定了這類保溫材料具有很好的保溫隔熱性能，與無機保溫隔熱材料相比具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率低等優(yōu)點。但同時也存在著先天性的缺陷：作為外墻保溫材料防火性較差，需要選擇有效的阻燃劑來增強有機保溫材料的阻燃性[17]；其變形系數(shù)大，在使用過程中極易發(fā)生形變、成本高、使用壽命短、污染環(huán)境、工藝程序十分復(fù)雜，且與墻體磚結(jié)合較為困難、強度低、變形系數(shù)大、存在較大的安全隱患，抗老化能力較差；生產(chǎn)該材料所用的原材料對環(huán)境具有一定的破壞性，生產(chǎn)所需的資源有限，廢氣容易引起“白色污染”并且難以再循環(huán)利用，與倡導(dǎo)的新型環(huán)保材料背道而馳[18]。

表1　幾種常見有機保溫隔熱材料的性能對比[19~22]

1.2　無機保溫隔熱材料

目前無機保溫材料主要有泡沫玻璃、泡沫混凝土、巖棉和無機保溫砂漿等，泡沫玻璃、泡沫混凝土、巖棉和無機保溫砂漿均屬于A級不燃，其性能對比如表2所示。

表2　幾種常見無機保溫隔熱材料的性能對比[24~28]

(1)泡沫玻璃具有良好的隔熱性能，不燃燒，能在-268~482℃溫度范圍內(nèi)正常使用，具有較高的機械性能，且易于加工、切割或黏結(jié)成各種形狀制品，可以用于建筑外墻保溫板、防火隔熱帶、層面防火保溫板、在特殊條件下工作的復(fù)合隔熱系統(tǒng)、流體換熱系統(tǒng)的保溫等。但由于泡沫玻璃存在機械強度低、能耗大等一系列缺點，而沒能得到廣泛應(yīng)用。

(2)泡沫混凝土具有保溫隔熱性能好、隔音耐火性能高、生產(chǎn)加工方便、環(huán)保性能好等優(yōu)良性能，一直以來被廣泛研究，現(xiàn)已大規(guī)模用于泡沫混凝土保溫層現(xiàn)澆、泡沫混凝土輕質(zhì)墻板、泡沫混凝土面板、泡沫混凝土補償?shù)鼗?。近年來，泡沫混凝土以其A級不燃保溫材料的優(yōu)勢得到了應(yīng)用。

(3)巖棉是一種非常優(yōu)質(zhì)的保溫材料。巖棉保溫材料具有良好的保溫隔熱、隔聲、吸聲、透氣性能以及高防火特性[23]；與傳統(tǒng)的無機砂漿類保溫材料相比，擁有密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點；且具有不易燃燒、無毒、防火等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于熱交換器、管道貯罐、鍋爐、車船等工業(yè)設(shè)備。但巖棉纖維以及粉塵顆粒對于人體肺部以及皮膚有一定的刺激性并且還具有對人潛在的毒害性，因此未能得到廣泛應(yīng)用。

(4)無機保溫砂漿具有防火防凍、保溫隔熱、耐老化、強度高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)異性能，而且價格低廉，在我國保溫材料市場占有率較高。可直接涂抹于墻體表面，也可以與其他材料形成復(fù)合保溫材料。但由于該材料容重偏差較大、保溫隔熱性能偏低、吸水率較大等，限制了其發(fā)展應(yīng)用。

無機保溫隔熱材料目前仍處于發(fā)展階段，到目前為止，無機保溫材料是應(yīng)用效果最好、最理想的保溫材料。與有機保溫材料相比，不僅具有防火性好、阻燃性強、變形系數(shù)小、抗老化能力強、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢；而且在施工過程中與墻基面和抹層面能更好的結(jié)合，材料的使用過程中安全系數(shù)更高；而且其耐久性和強度更高、使用壽命長、施工工藝簡單、施工成本相對較低、滿足生態(tài)環(huán)保要求、可實現(xiàn)循環(huán)再利用。但是，無機保溫隔熱材料與新興材料相比，具有一些不足之處：保溫性能相對較差、占地面積大、抗撞擊和受壓強度差、吸濕性大等[29]。

1.3　有機無機復(fù)合型保溫隔熱材料

有機保溫材料性能較好，導(dǎo)熱系數(shù)低，但防火性能差，因此近年來頻頻發(fā)生建筑火災(zāi)，我國先后已有幾個城市的大樓起火都是由有機保溫材料引起的，給人們的生活帶來了巨大的影響和大量的財產(chǎn)損失。因此不燃的無機保溫材料倍受人們青睞，但是無機保溫隔熱材料雖阻燃性高，卻存在吸水率大、容重大、造價較高、制備周期長等缺點，因而更多的應(yīng)用于國家重點項目，應(yīng)用范圍相對較小，難以大規(guī)模推廣。由此，新興了一種新型保溫隔熱材料—有機無機復(fù)合保溫隔熱材料。目前大致有三種復(fù)合型保溫隔熱材料，即復(fù)合型硅酸鹽保溫隔熱材料、中空陶瓷-乳液復(fù)合型保溫隔熱材料和泡沫塑料-硅酸鹽復(fù)合保溫隔熱材料。

(1)復(fù)合型硅酸鹽保溫隔熱材料

復(fù)合硅酸鹽保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)低、熱穩(wěn)定性好、無毒、不腐蝕設(shè)備、防水性好、使用壽命長、力學(xué)性能好，并且施工方便，主要應(yīng)用于常溫下建筑屋面、墻面等的保溫隔熱以及石油、化工等領(lǐng)域的熱力設(shè)備和管道的保溫隔熱，還能應(yīng)用于煙囪內(nèi)壁和爐窯外殼的保冷。日本東京發(fā)明了一種高效多孔陶瓷隔熱材料[30]。這種材料不僅克服了有機隔熱材料和無機隔熱材料的不同缺陷，而且還具有不燃、不吸濕、抗折強度高、耐用、易于加工成型等優(yōu)點，能廣泛用于干燥室、工業(yè)窯爐、建筑隔熱等。

(2)中空陶瓷-乳液復(fù)合型保溫隔熱材料

中空陶瓷-乳液復(fù)合型保溫隔熱材料主要由一些懸浮于惰性乳膠中的微小陶瓷顆粒構(gòu)成，具有低導(dǎo)熱系數(shù)、低蓄熱系數(shù)等熱性能，和優(yōu)良的隔熱反射功能。在國外，該材料已經(jīng)從航天領(lǐng)域發(fā)展到民用建筑以及工業(yè)領(lǐng)域中[31]。國內(nèi)北京志盛威華化工有限公司早已研制出了一種ZS-211反射保溫隔熱涂料，它具有高反射率，低導(dǎo)熱系數(shù),低蓄熱系數(shù)等熱工性能，是一種隔熱保溫、防潮阻燃、絕緣防火、高附著、長壽命、無異味、隔音環(huán)保的節(jié)能涂料。

(3)泡沫塑料-硅酸鹽復(fù)合保溫隔熱材料

泡沫塑料與其他材質(zhì)所構(gòu)成的復(fù)合材料不僅具有良好的保溫隔熱性能，而且還具有很多優(yōu)異性質(zhì)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)、能源輸送以及食品工業(yè)等領(lǐng)域。龍志勤等[32]以聚苯乙烯泡沫塑料板為主要原料，研制出了一種屋面防水保溫隔熱板。該板具有保溫隔熱與防水的性能，非常適用于屋面防水與保溫隔熱鋪設(shè)。胡冰彬等[33]制得了一種超低密度的有機-無機復(fù)合泡沫玻璃保溫隔熱材料。該材料相比于低溫泡沫玻璃板和傳統(tǒng)泡沫玻璃孔徑結(jié)構(gòu)更均勻、孔徑更小、抗壓強度更高，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的多孔保溫隔熱材料。徐峰等[34]以膨脹聚苯乙烯顆粒、膨脹?；⒅樽鳛楸馗魺峁橇虾蚉.O42.5作為膠粉料，制得了一種性能優(yōu)異的無機-有機復(fù)合型保溫漿料，導(dǎo)熱系數(shù)是0.062W/(m·k)，可用于外墻外保溫系統(tǒng)。

復(fù)合材料具有施工難度小、工程成本低、抗火阻燃性好、并行系數(shù)小、保溫隔熱性能好、抗老化性能強、耐久性強、原材料來源廣泛、生產(chǎn)過程中的能耗低、符合生態(tài)環(huán)保的要求，可以實現(xiàn)資源的循環(huán)利用等優(yōu)點。對于復(fù)合保溫隔熱材料的生產(chǎn)工藝、施工方法以及應(yīng)用效果上值得在實踐中去完善和驗證。

2我國保溫隔熱墻體材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

國外的保溫材料工業(yè)歷史悠久，主要應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，美國1987年以來建筑保溫材料的使用占所有保溫材料的81%左右[35]。而我國在這方面起步較晚，自改革開放以來，我國保溫隔熱墻體材料得以迅速發(fā)展，其中主要包括：礦物棉、聚苯乙烯泡沫板、聚苯顆粒保溫料漿等。其中礦物棉具有防火性能好、價格低廉以及兼有隔聲功效等優(yōu)點；但由于其存在抗拉強度低、耐久性比較差等不足而未能在市場得以大量應(yīng)用。聚苯乙烯泡沫板作為保溫材料雖然具有良好的保溫效果；但由于板材施工的特點，使得其不適宜于外形較為復(fù)雜的建筑物保溫，施工工藝較復(fù)雜且成本高。聚丙板具有憎水性，與常規(guī)的親水性材料不適應(yīng)，使得面層砂漿容易出現(xiàn)開裂、脫落、空鼓等質(zhì)量問題，這對建筑物的外裝飾構(gòu)成了很大的制約，因此也未能在市場上得以廣泛應(yīng)用。

我國幅員遼闊，生產(chǎn)力發(fā)展不平衡，資源分布不均勻，同時地區(qū)氣候差異明顯，各地區(qū)對保溫墻體的需求也相差較大，這使得我國保溫隔熱墻體材料的使用情況因地區(qū)不同而有很大差異，市場應(yīng)用率也相對較低。我國正在大力促進新材料的發(fā)展，相信《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的提出，將能有效的促使保溫隔熱墻體材料沿著高性能、高效率、高環(huán)保方向不斷的發(fā)展。

3結(jié)語

近年來，保溫隔熱墻體材料發(fā)展十分迅速，這與國家出臺的一系列優(yōu)良政策是分不開的。其中，有機保溫材料和無機保溫材料各有優(yōu)缺點，縱使現(xiàn)在各自的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域不同，也不能斷定哪一種材料將會取代另一種材料。我們應(yīng)努力實現(xiàn)兩種材料的優(yōu)勢互補、各取所長，發(fā)展復(fù)合保溫隔熱材料，這是當今保溫隔熱墻體材料的發(fā)展的一個方向。不僅要努力發(fā)展復(fù)合保溫隔熱材料，而且還要重視向資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的新興材料發(fā)展，努力實現(xiàn)環(huán)境資源、功能效應(yīng)、產(chǎn)品技術(shù)綜合效益的豐收。

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Research Status of Thermal Insulation Wall Materials

Chen Yanlin1, 2Shang Shanshan1Yan Ming1Li Zongyu1Gao Wei1

(1School of Materials Science & Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068;2Huber Provincial Key Laboratory of Green Materials for Light Industry, Hubei University of Technology, Wuhan 430068)

Abstract:Thermal insulation materials, being widely used in the wall, have been rapidly developed, recently. The current state of organic, inorganic and composite thermal insulation wall materials researches are summarized in the work. Domestic organic thermal insulation materials mainly adopts polystyrene foam board (EPS), polyurethane (PU), extruded polystyrene foam board (XPS) and so on, and the inorganic heat preservation material with foam, foam concrete, rock wool and glass inorganic insulation mortar, etc. There are advantages and disadvantages of organic and inorganic thermal insulation materials and we predict that composite thermal insulation wall materials will become a development trend through comparison. Finally, the application of thermal insulation wall materials in China is introduced.

Keywords:thermal insulation materials;categories;research status

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.03.005

作者簡介：陳艷林(1970~),女，碩士.主要從事MAX陶瓷及其梯度復(fù)合材料制備、結(jié)構(gòu)與性能表征與功能化的研究.

基金項目：大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201410500016)；湖北省自然基金(2012FFB00608)；湖北省教育廳重點項目(D20131406).