聚氨酯硬泡在外墻保溫體系中的應(yīng)用研究

馮泳檢，崔航，胡劍青，王鋒，涂偉萍（華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州　510640）

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聚氨酯硬泡在外墻保溫體系中的應(yīng)用研究

馮泳檢，崔航，胡劍青，王鋒，涂偉萍
（華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州510640）

聚氨酯是一類性能優(yōu)良、應(yīng)用廣泛的高分子材料，聚氨酯硬泡在建筑節(jié)能方面已成功應(yīng)用。介紹了聚氨酯硬泡保溫材料的優(yōu)勢、技術(shù)指標(biāo)、制備方法、施工過程及質(zhì)量控制要點，簡要概括了國內(nèi)外聚氨酯硬泡的研究進(jìn)展，并對聚氨酯硬泡的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

聚氨酯硬泡；外墻保溫；建筑節(jié)能

0　前言

節(jié)能減排是實現(xiàn)綠色經(jīng)濟(jì)的重要手段，如何實現(xiàn)節(jié)能減排，特別是建筑的節(jié)能，是世界各國共同關(guān)注的課題。據(jù)統(tǒng)計，建筑能耗占我國全社會能耗的30%，預(yù)計到2020年，這一占比將上升至40%左右［1］。我國的建筑節(jié)能水平與發(fā)達(dá)國家差距較大，單位建筑面積能耗是氣候相近發(fā)達(dá)國家的3～5倍。因此，研究建筑節(jié)能材料，是提高資源利用率、走可持續(xù)發(fā)展道路的重要途徑。

聚氨酯硬泡保溫材料，是目前國內(nèi)外理想的建筑節(jié)能保溫材料，以其優(yōu)異的保溫性能，已經(jīng)有著大量成功使用的案例［2］。

1　聚氨酯硬泡保溫材料的優(yōu)勢

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料（RPUF），又稱聚氨酯硬泡，由于保溫性能好且受外界環(huán)境影響小，廣泛應(yīng)用于建筑保溫領(lǐng)域［3］，具有以下獨特性能：

（1）導(dǎo)熱系數(shù)低。聚氨酯硬泡在同樣保溫效果下，導(dǎo)熱系數(shù)約為EPS發(fā)泡聚苯板的1/2，密度為35～40 kg/m3時，導(dǎo)熱系數(shù)只有0.018～0.022 W/（m·K），是目前建材中導(dǎo)熱系數(shù)最低的保溫材料之一。

（2）獨特的防水性能。聚氨酯硬泡結(jié)構(gòu)致密，閉孔率達(dá)92%以上，具有極高的水蒸氣滲透阻隔性能和良好的不透氣性。硬泡在施工成型后，與基層粘接牢固，不易發(fā)生脫落或剝離，從而避免的層間滲水的可能［4］。

（3）自粘性能好，施工簡便。聚氨酯硬泡能夠與混凝土、木板、膠合板、纖維板等直接粘接，施工時無需對屋面基層進(jìn)行再處理，即可直接施工，且對屋面外型無特殊要求，可在任何復(fù)雜屋面進(jìn)行施工作業(yè)。設(shè)備、工藝十分簡單，操作簡便，便于施工人員掌握。

（4）抗裂性能好。在EPS體系中，由于EPS的收縮，會造成體系的開裂，從而影響正常使用。而聚氨酯硬泡具有一定的延伸性，能夠通過變形抵抗外界溫度、干濕條件的變化，保證體系的防水性和穩(wěn)定性。即使主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)膨脹、收縮或者小裂縫，也不會發(fā)生裂縫和剝離。

（5）耐腐蝕，耐老化。聚氨酯硬泡對汽油、苯等溶劑化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。雖然聚氨酯硬泡也會發(fā)生老化，但老化速度非常緩慢，在20℃條件下聚氨酯硬泡的導(dǎo)熱系數(shù)可穩(wěn)定保持50年。

2　聚氨酯硬泡的技術(shù)性能

聚氨酯硬泡的技術(shù)性能要求見表1。

表1　聚氨酯硬泡材料的性能指標(biāo)

根據(jù)JG/T 314—2012，聚氨酯硬泡外墻保溫系統(tǒng)的整體性能要求如下：

抗風(fēng)荷載性能：系統(tǒng)抗風(fēng)壓值Rd大于風(fēng)荷載設(shè)計值。對飾面層粘結(jié)保溫層的外保溫系統(tǒng)，系統(tǒng)安全系數(shù)K應(yīng)大于1.5；對于飾面層干掛的外保溫系統(tǒng)，系統(tǒng)安全系數(shù)K應(yīng)大于2.0。

抗沖擊性：普通型：3 J級，適用于建筑物2層及以上墻面等不易受碰撞部位；加強型：10 J級，適用于建筑物首層墻面以及門窗口等易受碰撞部位。

吸水量：水中浸泡1 h，系統(tǒng)的吸水量小于1.0 kg/m2。

耐凍融性能：對于飾面層粘結(jié)于保溫層的外保溫系統(tǒng)，30次凍融循環(huán)后，保護(hù)層無空鼓、脫落，無滲水裂縫；保護(hù)層與保溫層的拉伸粘結(jié)強度應(yīng)大于0.1 MPa，破壞部位應(yīng)位于保溫層。對于飾面層干掛的外保溫系統(tǒng)，30次凍融循環(huán)后，系統(tǒng)各部分外觀無明顯變化。

熱阻：系統(tǒng)抗風(fēng)壓值Rd大于風(fēng)荷載設(shè)計值。對于飾面層粘結(jié)于保溫層的外保溫系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全系數(shù)K應(yīng)大于1.5；對于飾面層干掛的外保溫系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全系數(shù)K應(yīng)大于2.0。

抹面層不透水性：2 h不透水。

水蒸氣滲透阻：水蒸氣濕流密度≥0.85 g/（m2·h）

系統(tǒng)耐候性：對于飾面層粘結(jié)于保溫層表現(xiàn)面的外保溫系統(tǒng)，經(jīng)過耐候性試驗后，系統(tǒng)不得出現(xiàn)飾面層起光或剝落、保護(hù)層空鼓或脫落等破壞，不得產(chǎn)生滲水裂縫；具有抹面層的系統(tǒng)，抹面層與保溫層的拉伸粘結(jié)強度不得小于0.1 MPa，且破壞部位應(yīng)位于保溫層。對于飾面層干掛的外保溫系統(tǒng)，經(jīng)過耐候性試驗后，系統(tǒng)外觀不得出現(xiàn)明顯變化。

3　聚氨酯硬泡的制備方法

聚氨酯硬泡的主要制備方法分為預(yù)聚體法、半預(yù)聚體法和一步法3種［5-6］。

預(yù)聚體法：將異氰酸酯和聚醚（酯）多元醇反應(yīng)生成預(yù)聚體，然后添加催化劑、發(fā)泡劑等混合發(fā)泡的方法。該種方法發(fā)泡易控制，但工藝復(fù)雜，預(yù)聚體黏度過高，實際應(yīng)用受到限制。

半預(yù)聚體法：先將過量的異氰酸酯和多元醇反應(yīng)，生成末端帶有NCO基團(tuán)的中間體，然后與聚醚（酯）多元醇、催化劑、發(fā)泡劑等混合。該方法便于調(diào)節(jié)物料的黏度，加工操作容易。

一步法：將聚醚（酯）多元醇、異氰酸酯和其它助劑一次性投入，使之反應(yīng)生成聚氨酯硬泡。工藝流程簡單，成本低廉。

4　國內(nèi)外聚氨酯硬泡保溫材料的研究及應(yīng)用成果

對于聚氨酯硬泡的基礎(chǔ)理論研究一直得到國內(nèi)外科研工作者的關(guān)注。Shutov［7］在研究硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料性能與結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，其力學(xué)強度及其楊氏模量與泡孔平均高寬比H/D呈正比。Goods等［8］通過大量實驗研究發(fā)現(xiàn)，密度與壓縮強度、密度和模量都存在相應(yīng)的指數(shù)關(guān)系，且測算得出指數(shù)值分別為2.1和1.6。Philip等［9］通過對硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的密度從100～810 kg/m3的蠕變、蠕變回復(fù)和壓縮性能的研究，提出密度的平方與壓縮強度和模量都成正比。周秋明等［10］研究了異氰酸酯指數(shù)、原料溫度、模具溫度、催化劑、發(fā)泡劑、勻泡劑與聚氨酯硬泡發(fā)泡壓力的關(guān)系。朱海靜等［11］、Fabrice Saint-Micher等［12-13］研究了硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料斷裂性能、機械強度與密度、泡孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

在聚氨酯硬泡改性方面，Hilyard［14］提出，將玻璃纖維添加到硬質(zhì)聚氨酯泡沫中，彼此的相容性直接影響材料性能的好壞。Lee等［15］初步研究了環(huán)氧樹脂與聚氨酯反應(yīng)中網(wǎng)絡(luò)互穿的機理，還發(fā)現(xiàn)聚氨酯泡沫塑料通過環(huán)氧改性，壓縮模量明顯改善。Andrzej K Bledzki等［16］通過亞麻織物、黃麻織物的改性增強，制備出了均勻微孔結(jié)構(gòu)的聚氨酯硬泡的復(fù)合材料。并探討了亞、黃麻織物的含量與密度、微孔數(shù)量的關(guān)系，分析了微孔量及織物纖維形態(tài)對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。Harikrishnan G等［17］研究了有機蒙脫土對硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的增強改性。邱建華等［18］用聚醚和聚酯復(fù)配后再與異氰酸酯反應(yīng)生產(chǎn)聚氨酯硬泡，通過無機薄氈覆面后，該硬泡的飽和吸水量降低，燃燒性能和尺寸穩(wěn)定性得到提高。

5　聚氨酯硬泡材料的施工過程及質(zhì)量控制

聚氨酯硬泡保溫體系的施工方法主要有噴涂法、澆注法、粘貼法和干掛法4種。目前使用較多的是噴涂法，其施工過程主要包括以下幾個步驟：

（1）對基層進(jìn)行處理，清除雜物、油污等，必要時應(yīng)對基層的裂紋進(jìn)行補強。

（2）根據(jù)設(shè)計的厚度進(jìn)行噴涂，噴涂時應(yīng)由上而下水平進(jìn)行。

（3）發(fā)泡完成后，開始飾面施工，先在聚氨酯硬泡上刷1層界面劑，24 h后再按正常順序施工。

硬泡的施工過程直接影響其保溫性能，施工質(zhì)量控制有以下幾個要點：

（1）適宜的施工溫度在15～35℃，空氣濕度不大于90%，大面積施工時，對風(fēng)力也有要求。

（2）不宜1次發(fā)泡成型，而是采用分層噴涂。如2次噴涂時，第1次噴涂形成的自結(jié)表皮會構(gòu)成防水隔汽層，防水性能得以提高。

（3）噴涂時，應(yīng)注意使噴涂表面盡量平整，不能起鼓、斷裂，最大噴涂波紋小于5 mm較佳。

（4）硬泡噴涂時，為避免飛散，應(yīng)采取遮擋措施，以免污染環(huán)境。

（5）噴涂結(jié)束后，需要在聚氨酯表面涂1層防紫外線的高分子涂層，因為陽光直射會加速老化，影響其性能。

（6）施工現(xiàn)場嚴(yán)禁火種，且現(xiàn)場配備消防器材。施工過程中，操作人員應(yīng)做好防護(hù)措施，佩戴防毒面具。

6　聚氨酯硬泡保溫材料的發(fā)展方向

（1）建筑保溫裝飾一體化

聚氨酯硬泡的保溫性能優(yōu)異，但采用傳統(tǒng)的先保溫層后裝飾施工的工藝，施工周期長且工藝復(fù)雜。將保溫和裝飾融為一體，可大大縮短施工周期，也可避免保溫層與施工層結(jié)合牢固問題而引發(fā)的脫落。

（2）開發(fā)無鹵、低煙、低毒的聚氨酯保溫材料

未來的PU保溫材料必須兼顧節(jié)能與環(huán)保，保溫和防火。而當(dāng)前采用的含鹵阻燃劑，燃燒時煙霧大且毒性強。研究無鹵難燃的聚氨酯材料是未來發(fā)展方向。其中在聚醚多元醇中引入阻燃基團(tuán)，合成結(jié)構(gòu)型阻燃聚醚多元醇，應(yīng)得到充分關(guān)注。

（3）聚氨酯與無機材料復(fù)合

無機材料可以達(dá)到有機材料難以達(dá)到的A級防火要求，但無機材料的導(dǎo)熱系數(shù)比聚氨酯等有機保溫材料大很多，保溫性能較差。聚氨酯與無機材料復(fù)合，制備復(fù)合型保溫材料，是未來發(fā)展的趨勢。

（4）開發(fā)生物質(zhì)聚氨酯硬泡保溫材料

生物質(zhì)PU材料包含纖維素、木質(zhì)素和植物油基等，該類材料低碳環(huán)保、可再生，比石油路線價格上占優(yōu)勢，應(yīng)得到重視。

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Application and research of polyurethane foam to external thermal insulation system of exterior wall

FENG Yongjian，CUI Hang，HU Jianqing，WANG Feng，TU Weiping
（School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Polyurethane is a versatile polymer material with excellent performance，and has been successfully applied in buildingenergysaving.Theadvantages，technicalspecifications，preparation，constructionprocessandqualitycontrolpointsof polyurethane foam insulation materials were introduced.This paper briefly summarizes the research progress of polyurethane foam in China and abroad，and polyurethane foam development direction is prospected.

polyurethane foam，external wall insulation，building energy-saving

TU55+1.2

A

1001-702X（2016）06-0085-03

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助（2013ZM0072）；廣東省高校輕化工清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心開放課題

2016-01-02

馮永檢，女，1990年生，廣東中山人，碩士研究生。地址：廣州市天河區(qū)五山路 華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院。通訊作者：涂偉萍，E-mail：cewptu@scut.edu.cn。