節(jié)能型高分子材料在建筑工程中的應用

楊瑞芳，周毅英

（河南質量工程職業(yè)學院，河南平頂山 467000）

節(jié)能型高分子材料在建筑工程中的應用

楊瑞芳，周毅英

（河南質量工程職業(yè)學院，河南平頂山 467000）

綜述了建筑用傳統(tǒng)節(jié)能型高分子材料和新型節(jié)能型高分子材料在建筑工程中的應用，其中傳統(tǒng)型節(jié)能型高分子材料包括聚氨酯、聚苯乙烯、酚醛樹脂和相變材料等直接節(jié)能保溫材料，以及抗菌材料、防潮材料等間接節(jié)能材料；新型節(jié)能型高分子材料則包括太陽能電池、環(huán)境敏感型高分子材料等。直接型節(jié)能材料利用自身的保溫性能降低建筑物的能耗，而間接型節(jié)能材料則通過延長自身使用壽命來降低建筑成本；新型節(jié)能材料可以利用清潔能源為建筑物供能，或是通過改變自身性能來適應環(huán)境，降低建筑能耗。

節(jié)能高分子材料；建筑工程；保溫材料；聚合物太陽能電池；熱致變色材料

高分子材料具有獨特的固有性能，與金屬和無機材料相比，其生產(chǎn)成本較低，而且經(jīng)過改性后無論是在強度還是在功能性上都可以與這兩者相媲美。隨著高分子學科近一個世紀的發(fā)展，越來越多的高分子材料種類的發(fā)現(xiàn)，高分子材料已經(jīng)滲透到各個行業(yè)。尤其是在建筑行業(yè)，一些高分子材料具有保溫、防潮、抗菌等優(yōu)良的性能，可以大大改善居民的居住環(huán)境。

建筑行業(yè)是我國的一大支柱產(chǎn)業(yè)，據(jù)有關資料統(tǒng)計，在500億平方米的既有建筑物中，大約450億平方米左右的建筑物為非節(jié)能型建筑。建筑物的冬季供暖和夏季制冷措施造成了這些建筑的平均年能耗占我國所有產(chǎn)業(yè)總能耗的30%以上。節(jié)能建筑受到了廣泛的關注，新增建筑物中節(jié)能建筑的比例有所提高，不過也僅有10%～20%。高分子材料的功能性使其具有良好的保溫效果，將其應用于建筑工程中可以大大降低供暖和制冷的能耗，甚至一些具有儲能作用的高分子材料還可以利用太陽能、風能等清潔能源為建筑物提供能源。筆者從傳統(tǒng)節(jié)能材料和新型節(jié)能材料兩個方面進行闡述，詳細介紹各類節(jié)能型高分子建筑材料的性能特征及研究進展。

1 傳統(tǒng)節(jié)能型高分子材料

傳統(tǒng)節(jié)能型高分子材料主要是指保溫材料，包括以聚氨酯為代表的第一代保溫材料，聚苯乙烯為代表的第二代保溫材料，酚醛樹脂為代表的第三代保溫材料和相變材料為主的第四代保溫材料。在建筑工程中，所選的保溫材料首先要具有優(yōu)異的保溫性能，其次要具有良好的耐潮性、耐火性和耐化學腐蝕性，進而保證其在使用過程中的尺寸穩(wěn)定性和壽命，最后這些保溫材料還必須具有較好的力學性能，用以保證施工過程中的可操作性。

硬質聚氨酯泡沫塑料作為第一代保溫材料一直受到建筑行業(yè)的青睞，這是因為現(xiàn)場噴涂后的聚氨酯材料的熱導率僅有0.020 W/（m·K），即使老化后熱導率有所上升，也可以保持在0.023 W/（m·K），遠遠超越其它材料的保溫性能。聚氨酯材料具有優(yōu)異的保溫性能的原因是其閉孔率高于90%，并且材料內(nèi)部填充物為熱導率極低的發(fā)泡劑和二氧化碳氣體。聚氨酯泡沫塑料這種極高的閉孔率也賦予了材料本身優(yōu)異的防水和防潮性能，空氣中的潮氣難以進入材料本身，其尺寸穩(wěn)定性和使用壽命都得以保障。另外，聚氨酯與金屬材料、無機材料、木材、竹纖維、碳纖維、玻璃纖維等納米材料以及其它復合材料的相容性都較好，適合利用上述材料對其進行復合改性，從而提高其力學性能。聚氨酯復合材料的施工方法有噴涂、澆鑄等，所制備的聚氨酯復合材料具有較高的撕裂強度。但由于聚氨酯泡沫塑料防火性能較差，會造成建筑物安全性降低，所以國內(nèi)外研究學者一直都致力于對其進行改性，制備阻燃性能良好的聚氨酯材料。對聚氨酯阻燃性能的改進方法一般都是將其與阻燃材料進行復合，將其極限氧指數(shù)提高至合格水平（聚氨酯本身的極限氧指數(shù)為17%，而國家標準要求為26%），其中紅寶麗公司通過多年的研發(fā)實驗，不僅成功將聚氨酯的極限氧指數(shù)提高至合格水平，甚至還制備出了阻燃性能極高的聚氨酯復合材料（極限氧指數(shù)高達32%）［1］。

聚苯乙烯作為第二代保溫材料，在目前市場上的占有率高達85%以上。聚苯乙烯隔熱和防水性良好，是一種極具潛力的保溫防潮材料。另外，聚苯乙烯具有良好的吸震性能、化學穩(wěn)定性及力學性能，并且在施工過程中操作簡便，可廣泛應用于建筑外墻的保溫層，但是其較差的阻燃性能在一定程度上限制了其更為廣泛的應用。高巖［2］利用自制的阻燃膠與聚苯乙烯混合制備出高阻燃型聚苯乙烯保溫材料，在700～1 000℃的酒精噴燈下進行燃燒試驗，30 min內(nèi)沒有出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。并且將這類阻燃型聚苯乙烯于室溫下浸泡在水中，24 h內(nèi)未出現(xiàn)失色、脫落等現(xiàn)象，并且這類阻燃型聚苯乙烯依然具有較為優(yōu)異的保溫性能。曾尤等［3］利用膨脹石墨與聚苯乙烯共混制備復合保溫材料，當膨脹石墨含量為11%～15%時，所制備的復合材料離火自熄時間可縮短至1.3 s，并且材料的熱導率依然可以控制在0.027～0.028 W/ （m·K）。徐子芳等［4］利用直徑為2.0～2.5 mm的聚苯乙烯顆粒，摻雜20%～25%的粉煤灰、10%的石灰和5%的石膏，所制備的復合型聚苯乙烯保溫磚的熱導率僅為0.505 W/ （m·K）。

與第一代和第二代保溫材料相比，酚醛樹脂材料的阻燃性能得到了很大的提高，并且酚醛樹脂也具有十分優(yōu)異的保溫性、較低的化學毒性和燃燒發(fā)煙量，這使其不僅可以保證建筑的節(jié)能，也可以提高建筑物的安全性。為了將酚醛樹脂廣泛地應用于建筑行業(yè)中，國內(nèi)外學者致力于提高其力學性能，進而改善其脆性，簡化施工過程和降低操作難度。共混型酚醛樹脂復合材料是一種典型的改性酚醛樹脂，主要是將芳綸纖維、脲醛樹脂、麥芽糊等高分子材料，碳纖維、木纖維、玻璃纖維等高強度無機材料以及蒙脫土、二氧化硅等無機納米材料與酚醛樹脂基體進行共混復合，這些填充材料均可以在不同程度上提高酚醛樹脂的韌性和力學強度，改善其加工性能和可操作性能。例如，陳麗亞等［5］制備了膨脹珍珠巖與酚醛樹脂的復合材料，并添加了適量的增韌劑（2%）、憎水劑（0.6%）和固化劑（4%），制備的酚醛樹脂復合材料的熱導率僅為0.047 W/（m·K），拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度分別為1.65 MPa，1.44 MPa和1.47 kJ/m2，拉伸彈性模量約為2.50 MPa，吸濕率僅為2.03%。位東［6］研究的酚醛樹脂/麥芽糊復合材料和脲醛樹脂/酚醛樹脂復合材料的壓縮強度和脆性都得到了較大的改善。彭定忠［7］將A200親水納米二氧化硅與酚醛樹脂復合，成功提高了酚醛樹脂的力學強度。另外，夾層型酚醛樹脂復合材料也是一種典型的改性酚醛樹脂材料，這種材料以酚醛樹脂為支撐骨架，將板材、蜂窩材料和纖維材料作為夾層增強材料，進而提高材料本身的壓縮強度。李居影等［8］將Nomex紙蜂窩作為夾層材料對酚醛樹脂進行改性，經(jīng)過固化后，材料的壓縮強度可提高至4.07 MPa，橫向剪切強度和縱向剪切強度分別提高至1.42 MPa和1.56 MPa，并且材料的阻燃性能和保溫性能都十分優(yōu)異［B2級阻燃，熱導率為0.045 W/（m·K）］。崔旭等［9］利用納米二氧化硅粒子對酚醛樹脂進行改性，當二氧化硅含量為1.5%時，所制備的改性酚醛樹脂的沖擊強度高達2.25 kJ/m2以上，極限氧指數(shù)最高可達41%，在高溫酒精噴燈下灼燒10 min未被燒穿，且沒有毒煙產(chǎn)生。另外碳納米材料也對酚醛樹脂具有良好的改性作用，宋麗霞等［10］在酚醛樹脂中添加10%左右的碳納米材料，所制備的復合材料的拉伸強度高達6.7 MPa，彎曲強度達9.8 MPa，其阻燃性得到明顯改善，保溫性能依舊優(yōu)異，熱導率約控制在0.030 W/（m·K）。

相變高分子材料是新興的第四代保溫材料，主要以固相–液相相變材料為主。這類相變材料的保溫機理是：在溫度高于其相變溫度后，固相轉變?yōu)橐合?，發(fā)生吸熱反應，使室溫降低；反之，液相轉變?yōu)楣滔啵艧崾故覝厣?。最常見的相變材料為石蠟，通常將其與聚烯烴、聚乙二醇或乙烯–乙酸乙烯共聚物等高分子材料進行共混，一方面利用相變材料起到保溫作用，另一方面利用高分子網(wǎng)絡來保證其力學性能［11］。最早應用于建筑工程的相變材料實例發(fā)生在德國，而我國目前主要是在其它保溫材料中輔以相變高分子材料。周柱武［12］利用聚丙烯纖維和石蠟制備了一種相變保溫材料，當石蠟含量為58.7%時，該材料的熱導率僅為0.063 W/ （m·K），相變儲能率為3.403 W/kg。北京化工大學的蘇磊靜［13］分別以固體石蠟和液體石蠟作為相變材料，以聚乙烯、乙烯/乙酸乙烯酯和乙烯/辛烯共聚物為基體制備了相變保溫材料，這些復合材料的相變溫度為20～60℃，相變潛熱可高達116～145 J/g，滲透率可控制在0.6%以內(nèi)，壓縮強度高達12 MPa。

聚合物性能改善通常涉及提高耐化學腐蝕、耐高溫性、耐低溫性、防潮性、防火性以及延長其使用壽命等，通過這種方式來降低建筑材料的生產(chǎn)成本的材料均為間接型節(jié)能高分子材料，間接型節(jié)能高分子材料也屬于傳統(tǒng)節(jié)能型高分子材料的一種。例如制備高交聯(lián)度、超支化或納米復合的聚氨酯可以提高材料本體的防潮性，從而使其尺寸穩(wěn)定性和使用壽命都得到了提高［14–15］；利用納米Ag、納米ZnO、納米TiO2作為摻雜組分，與長鏈支化的季銨鹽封端的聚合物復合，可有效提高聚合物的抗菌性和使用壽命［16］。

2 新型節(jié)能型高分子材料

新型節(jié)能型高分子材料主要包括儲能型和節(jié)能型兩大類。其中聚合物太陽能電池是典型的儲能型高分子材料。聚合物太陽能電池的發(fā)現(xiàn)在很大程度上拓寬了太陽能電池器件的類別，與傳統(tǒng)的單晶硅或多晶硅太陽能電池相比，聚合物太陽能電池生產(chǎn)成本低、污染小，尤其是聚合物太陽能電池優(yōu)良的加工性能使其可以制備出柔性、形狀各異的太陽能電池器件，不僅簡化了在建筑工程施工中的過程，而且還可以保證居住環(huán)境的美觀［17–21］。20世紀90年代初期， J. H. Burroughes等［22］合成了共軛聚合物聚對苯乙炔，通過對其光電性能的研究，開啟了共軛聚合物制備聚合物太陽能電池的新篇章。直到本世紀初期，經(jīng)過國內(nèi)外研究學者20多年的潛心研究，以聚對苯乙炔為電子給體，富勒烯為電子受體所組裝的太陽能電池器件的光電轉化效率已經(jīng)可以達到4%～5%。

為了進一步提高聚合物太陽能電池的光電轉化效率，國內(nèi)外的研究學者主要從研發(fā)新型電子給體材料和電子受體材料、調(diào)控活性層相貌、開發(fā)新型器件結構幾個方面進行研究。其中電子給體材料主要以低能帶間隙的聚合物為主，所制備的太陽能電池器件的轉化率較高，典型的聚合物材料有噻吩類聚合物、聚芴類、吡啶和吡咯類共聚物等，如3–己基噻吩、苯并噻二唑共聚物、N–十二烷基吡咯和吡啶共聚物等。具有代表性的電子受體材料主要有梯形聚合物和雜環(huán)聚合物，這兩類聚合物與電子給體材料具有較為合適的相容性，在一定程度互容的基礎上又存在相分離結構，激子分裂界面的產(chǎn)生導致無數(shù)異質結的出現(xiàn)，有效分離界面和光電轉化效率都得到提高。典型的雜環(huán)聚合物有聚對苯撐類聚合物，由于其較差的溶解性，比較適合組裝雙層P/N異質結型聚合物太陽能電池器件；典型的梯形聚合物有聚（苯并咪唑–苯并菲咯啉），自身的平面結構賦予它較為優(yōu)異的光學性能，其平面結構又提高電子傳輸效率，應用于太陽能電池中可以有效改善器件的光電性能。

自20世紀90年代以來，經(jīng)過20多年對材料研發(fā)和器件優(yōu)化的研究，聚合物太陽能電池的光電效率已經(jīng)得到了突飛猛進的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，只要太陽能電池的光電轉化效率高于7.0%，便可以投入中型生產(chǎn)線進行批量生產(chǎn)，而2009年美國的Solarme能源公司所制備的聚合物太陽能電池的光電轉化率已經(jīng)提高至7.9%，而且相對硅太陽能電池來說，生產(chǎn)成本節(jié)省至20%左右。同時期，Dou Letian等［23］所制備的串聯(lián)型太陽能電池器件中包含了不同吸收波段的多個電池器件，這種串聯(lián)電池的光電轉換率可高達8.62%。次年，日本的Sumitomo Chemical公司對Dou Letian等研制的串聯(lián)電池進行改性，通過集成吸收紅外光波段的聚合物材料，光電轉換率達到了10.6%，并且得到了經(jīng)美國國家可再生能源實驗室的認證。

另外一種新型節(jié)能高分子材料是環(huán)境敏感型聚合物材料，其中以熱致變色材料為主［24–27］。熱致變色聚合物的工作機理是：在材料的相轉變溫度條件下，聚合物結構發(fā)生變化，從而使其外觀顏色發(fā)生變化。聚N–異丙基丙烯酰胺的相轉變溫度約為31.5℃，處于人體體感舒適溫度范圍內(nèi)。當溫度低于31.5℃時，聚N–異丙基丙烯酰胺聚合物鏈內(nèi)部含有高密度的氫鍵，使材料顯黑色；當溫度高于31.5℃時，聚合物內(nèi)部氫鍵密度大大降低，而范德華力密度則相對增高，材料顯白色。利用聚N–異丙基丙烯酰胺制作的建筑外墻或建筑屋頂在高溫時顯白色，反射空氣中的熱量，降低建筑內(nèi)部的溫度，而在低溫時顯黑色，吸收空氣中的熱量，為建筑內(nèi)部保溫，可以在一定程度上減少建筑供暖和制冷的能耗。

3 結語

傳統(tǒng)節(jié)能高分子材料包括直接型和間接型兩種，其中直接型節(jié)能材料主要是指保溫材料，主要包括聚氨酯、聚苯乙烯、酚醛樹脂和相變材料，這些保溫材料應用于建筑工程中有效降低了建筑物供暖和制冷所需的能耗；間接節(jié)能材料則主要是通過降低生產(chǎn)成本或延長使用壽命來減小建筑施工過程的成本，包括抗菌、防火、防潮和耐化學腐蝕高分子材料等。新型高分子材料則主要包括儲能材料和環(huán)境敏感型聚合物材料，其中儲能材料主要是指聚合物太陽能電池，通過利用清潔能源為建筑物提供能源，而環(huán)境敏感型聚合物則能通過改變自身性質來適應周圍環(huán)境，如熱致變色材料會受到環(huán)境溫度影響來改變自身顏色，用于建筑物，從而使建筑物達到節(jié)能的效果。隨著節(jié)能型高分子材料的開發(fā)，節(jié)能型高分子材料在建筑中的重要性將越來越凸顯，必將成為現(xiàn)代建筑的重要材料之一。

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Application of Energy-Saving Polymers on Construction Engineering

Yang Ruifang， Zhou Yiying
（Henan Quality Polytechnic， Pingdingshan 467000， China）

The traditional energy-saving type polymers for construction engineering and novel energy saving polymers for construction were introduced，which traditional energy-saving building materials including direct energy-saving materials as polyurethane，polystyrene，phenolic resin and phase change material，and indirect energy saving material as antibacterial materials，moisture-proof material. The novel energy-saving materials include solar cells，environment sensitive polymers. Direct type energysaving materials can reduce the energy consumption in construction due to its thermal insulation performance，and indirect type energy-saving materials can reduce the construction cost by prolonging their service life. The new type of energy-saving materials can supply energy for the building by using of clean energy，or reduce the energy consumption of the building by changing its performance to adapt to the environment.

energy saving polymer；building engineering；thermal insulation material；polymer solar cell；heat induced discoloration material

TQ328

A

1001-3539（2016）07-0147-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.07.029

聯(lián)系人：楊瑞芳，實驗師，研究方向為工程測量、工程施工及相關材料研究2016-04-12