硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料在建筑保溫體系中的應(yīng)用

文/ 陳海麗 深圳市寶安區(qū)工程質(zhì)量檢測中心 廣東深圳 518000

我國的建筑節(jié)能水平與發(fā)達(dá)國家差距較大，單位面積能耗是氣候相近發(fā)達(dá)國家的3～5倍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑能耗占我國全社會(huì)能耗的30%，預(yù)計(jì)到2020年，這一占比將上升至40%左右。節(jié)能減排是實(shí)現(xiàn)綠色經(jīng)濟(jì)的重要手段，特別是建筑的節(jié)能，是世界各國共同關(guān)注的課題。聚氨酯是一類性能優(yōu)良、應(yīng)用廣泛的高分子材料，聚氨酯硬泡保溫材料，具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、絕熱、隔音、防震、抗沖擊等優(yōu)良性能，是目前國內(nèi)外理想的建筑節(jié)能保溫材料。

1、制備方法

一般硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的制備方法是采用聚醚樹酯和異氰酸為主要原料，以反應(yīng)中生成的二氧化碳為發(fā)泡劑，在高溫條件下直接噴涂于建筑界面上，經(jīng)過一段時(shí)間(30min)的反應(yīng)冷卻定型，二氧化碳在其內(nèi)部形成大量氣泡狀結(jié)構(gòu)，使其具有高閉孔率，同時(shí)硬質(zhì)聚氨酯泡沫將完全黏附在建筑界面上。

主要有3種制備方法：1）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。該方法發(fā)泡易控制，但工藝復(fù)雜，預(yù)聚體黏度過高，實(shí)際應(yīng)用受到限制。2）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。3）一步法：將聚醚（酯）多元醇、異氰酸酯和其他助劑一次性投入，使之反應(yīng)生成聚氨酯硬泡。工藝流程簡單，成本低廉。

2、在建筑工程保溫體系中的應(yīng)用

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料（RPUF）是由有機(jī)異氰酸酯與多元醇化合物相互作用而得的高分子聚合物材料。它是一種性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料和絕熱材料，它多為閉孔結(jié)構(gòu)，比強(qiáng)度大、重量輕、施工方便，同時(shí)還具有電絕緣、防震、隔音、耐溶劑、耐寒、耐熱等特點(diǎn)。它用途非常廣，例如用于房屋建筑的保溫結(jié)構(gòu)以及石油化工管道、冷柜、冰箱等的隔熱保溫。

2.1 建筑外墻保溫

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料對磚墻以及水泥砂漿的附著力強(qiáng)，墻體整體性好，采用噴涂硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料不但保溫節(jié)能，而且能夠有效的解決局部熱橋問題，特別適用于高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)外墻保溫。通常采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料與其他板材形成復(fù)合材料作為墻體，其他板材包括金屬板、塑料片材、牛皮紙、鋁箔等，其中金屬板由于具有隔熱、防水、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料墻體鋪設(shè)方法有兩種，第一種為首先將硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料加熱形成混合溶液，倒入墻間空隙處，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料自行在墻內(nèi)發(fā)泡，與內(nèi)外墻融為一體，此種方法適合新建建筑。第二種為直接在外墻上噴涂硬質(zhì)聚氨酯泡沫，再涂上界面劑，最后上色，此工藝更為簡單易行，且造價(jià)便宜，平均每平方米成本僅為40元人民幣，適合既有建筑改造。將硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料隔熱性能與其他材料進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 不同建筑材料隔熱性能對比

2.2 屋面保溫

傳統(tǒng)的屋面保溫結(jié)構(gòu)是在屋面的結(jié)構(gòu)層上作好找平層后，先鋪隔熱保溫層（膨脹珍珠巖、加氣混凝土、礦棉等），再作防水層。防水層由于暴露在外面，受高低溫和日光的作用，防水層極易開裂老化，加之傳統(tǒng)的保溫材料都容易吸水，而且吸水后就失去了保溫隔熱性。與傳統(tǒng)做法相反，采用屋頂保溫倒置法利用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的低吸水性和耐久性，可改變防水層的工作環(huán)境，使其防水功能長期有效。由于屋頂長期的溫度變化范圍為－30～90℃，優(yōu)良的保溫隔熱性能更使硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料能承受陽光長期照射在屋頂表面所產(chǎn)生的高溫以及季節(jié)變化產(chǎn)生的低溫。采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料作為建筑墻屋面，構(gòu)造簡單，易于施工，其具體構(gòu)造如圖1所示。

圖1 硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫屋面構(gòu)造

在硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫屋面構(gòu)造中，起主要作用的是硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料層和外保護(hù)層。其中硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料層具有防水及防水蒸氣滲透、保溫作用，因此無需另行鋪設(shè)隔氣層和防水層。外保護(hù)層一方面可保護(hù)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料層免受紫外線和外界侵蝕，另一方面可提高墻面整體強(qiáng)度，避免墻面出現(xiàn)機(jī)械損傷。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料層能與墻面外保護(hù)層和找平層形成牢固的黏合，使墻面雖為多層結(jié)構(gòu)，實(shí)則融為一體，不易發(fā)生脫層現(xiàn)象。同時(shí)，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料由于密度小、質(zhì)輕，對屋面承載負(fù)荷較小，此特點(diǎn)對于改善房屋結(jié)構(gòu)十分重要，可用于進(jìn)行大跨度屋面設(shè)計(jì)。將硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料承載負(fù)荷與其他材料進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示。

表2 不同建筑材料承載負(fù)荷對比

由（表2）可知，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料屋面的承載負(fù)荷比傳統(tǒng)的普通水泥材料和珍珠巖材料低得多，與聚苯乙烯板相比差距不是特別大，但聚苯乙烯板作為建筑材料卻存在著施工復(fù)雜、結(jié)構(gòu)性差等缺點(diǎn)。

2.3 地面保溫

表3 硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的性能指標(biāo)

在室內(nèi)地面保溫時(shí)，無論是在樓板下鋪設(shè)保溫層，還是在地面上進(jìn)行保溫，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料都特別有用。由于硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料熱導(dǎo)率低于聚苯乙烯泡沫塑料，一般20～40 mm厚的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板塊就能夠滿足要求，而聚苯乙烯泡沫塑料則需要30～60 mm，非常地經(jīng)濟(jì)實(shí)用。其主要性能指標(biāo)見表3。

3、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料建筑施工

3.1 硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料建筑施工流程

1)在施工前，應(yīng)做好準(zhǔn)備工作，包括檢測硬質(zhì)聚氨酯泡沫產(chǎn)品等建筑原料是否具有合格證明，不同原料應(yīng)分別放置于陰涼通風(fēng)處，核對界面劑信息防止出錯(cuò)，同時(shí)選用無有機(jī)質(zhì)的飲用水作為水源。

2)根據(jù)測量結(jié)果，在建筑屋面上打孔，同時(shí)確保基層質(zhì)量符合建筑要求。

3)根據(jù)施工當(dāng)天環(huán)境參數(shù)，確定原料加工溫度。

4)將聚醚樹酯和異氰酸按1∶1的比例加入物料混合器混勻，同時(shí)加入催化劑和發(fā)泡劑等助劑，一段時(shí)間后，便可得到硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料。

5)確保墻面基礎(chǔ)層平整，表面無雜質(zhì)，無灰塵。

6)噴涂基面界面劑，厚度控制在40～60mm范圍內(nèi)，厚度均勻，放置1d。

7)使用高壓槍將硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料進(jìn)行噴涂，可重復(fù)噴涂，盡量保證厚度均勻，不能有厚度小于30mm的地方。

8)噴涂完成，待墻面干燥后，檢測噴涂效果，將過厚處使用鏟刀清除，過薄處用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料補(bǔ)上。

9)待硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料冷卻熟化后，鋪設(shè)保護(hù)層，在此期間，應(yīng)避免施工過程對硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料層造成機(jī)械損傷。

3.2 硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料建筑施工注意事項(xiàng)

1)建筑基層應(yīng)平整，表面無雜質(zhì)，特別是油酯類物質(zhì)，同時(shí)應(yīng)由均勻泡沫組成，無發(fā)脆、脫層、起皮等不良物理現(xiàn)象。基層與連接處房屋結(jié)構(gòu)應(yīng)做成圓弧狀，若有排水系統(tǒng)，則排水系統(tǒng)處水落口周圍應(yīng)為凹坑狀，用鐵質(zhì)材料覆蓋。

2)噴涂施工時(shí)，應(yīng)選擇環(huán)境溫度為5～35℃之間，空氣濕度為60%～90%范圍內(nèi)進(jìn)行，大面積施工時(shí)，對風(fēng)力也有要求。

3)聚氨酯泡沫塑料噴涂后需15～30min發(fā)泡固化，等到聚氨酯泡沫塑料完全固化后再鋪設(shè)其他外層。不宜1次發(fā)泡成型，而是采用分層噴涂。如2次噴涂時(shí)，第1次噴涂形成的自結(jié)表皮會(huì)構(gòu)成防水隔汽層，防水性能得以提高。

4)噴涂過程中，隨時(shí)查看質(zhì)聚氨酯泡沫塑料質(zhì)量及與基層黏連狀況，確保其黏連牢固。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5mm較佳；

5)在整個(gè)施工過程中，應(yīng)使用遮棚遮擋建筑物，防止建筑材料高溫時(shí)部分揮發(fā)到空氣中污染環(huán)境。

6)施工現(xiàn)場嚴(yán)禁火種，且現(xiàn)場配備消防器材。聚氨酯泡沫塑料在高溫條件下具有一定毒性，在混勻及噴涂過程中，施工人員應(yīng)佩戴防毒面具。

7)為防止建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，可在找平層沿黏連處縱橫彈線，之后鋪設(shè)氈條。

8）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?yàn)殛柟庵鄙鋾?huì)加速老化，影響其性能。

4、硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的優(yōu)點(diǎn)

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的密度是在建筑行業(yè)應(yīng)用中的一項(xiàng)重要物理指標(biāo)。通常用于屋面保溫防水的硬質(zhì)聚氨酯泡沫密度在35～40kg/m3,壓縮強(qiáng)度大于0.2MPa,由于硬質(zhì)聚氨酯泡沫是微孔泡沫體,閉孔率普遍在95%左右,具有良好的不透水性。聚氨酯泡沫對一般溶劑和濃度較低的酸堿鹽,具有良好的耐化學(xué)穩(wěn)定性,在陽光照射下其物理性能有所變化,但老化的速度非常緩慢。

1)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的閉孔率達(dá)95%以上，密度為35～40kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.018～0.024W/(m·K)。其導(dǎo)熱系數(shù)是目前已有的所有保溫材料中最低的，可采用較薄的材料達(dá)到較好的保溫效果，節(jié)約材料同時(shí)增大建筑面積。

2)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料與混凝土、金屬、水泥等多種建筑基層材料黏結(jié)性好，不易脫落，可用于舊房屋改造。

3)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料吸水性差、防水防蒸氣，將保溫和節(jié)能兩種功效融為一體。

4)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料密度小，抗風(fēng)抗壓強(qiáng)度卻較大，能承受一定的機(jī)械荷載，加上外保護(hù)層，可進(jìn)一步增加其機(jī)械強(qiáng)度和抗壓能力。

5)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料采用現(xiàn)場澆注工藝，可形成無縫連接的整面墻體，同時(shí)在不同部位的連接部分采用定點(diǎn)噴涂工藝，加強(qiáng)其阻隔性。

6)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料相對于傳統(tǒng)有機(jī)材料，具有不易老化、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在20℃條件下的導(dǎo)熱系數(shù)可穩(wěn)定保持50年。

7)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料在高溫環(huán)境中短時(shí)間內(nèi)不易熔化，同時(shí)具有一定阻燃性，發(fā)生火災(zāi)時(shí)可短時(shí)間阻止火勢蔓延，提高建筑安全性能。

8)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料作為建筑材料，施工簡便、價(jià)格低廉，可降低施工工程造價(jià)。9)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料不含有毒化學(xué)原料，對人體安全無毒副作用，且原材料可循環(huán)使用，節(jié)能環(huán)保。

5、應(yīng)用前景

（1）建筑保溫裝飾一體化

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）無鹵、低煙、低毒的聚氨酯保溫材料

研究無鹵難燃的聚氨酯材料是未來發(fā)展的方向。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，開發(fā)無鹵、低煙、低毒的聚氨酯保溫材料。

（3）聚氨酯與無機(jī)材料復(fù)合

無機(jī)材料可以達(dá)到有機(jī)材料難以達(dá)到的A級(jí)防水要求，但無機(jī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)比有機(jī)保溫材料大很多，保溫性能較差。聚氨酯與無機(jī)材料復(fù)合，制備復(fù)合型保溫材料，是未來發(fā)展的趨勢。

結(jié)語：

屋面使用硬質(zhì)聚氨酯泡沫防水保溫材料后,能降低建筑物的能耗,因此具有極其廣泛的環(huán)保和社會(huì)效益;硬質(zhì)聚氨酯泡沫用于建筑保溫具有良好的發(fā)展前景。隨著建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能要求的不斷提高，保溫性能更高的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料已經(jīng)越來越多地取代了曾大量使用的聚苯乙烯泡沫塑料，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料其熱導(dǎo)率要顯著低于聚苯乙烯泡沫塑料，而且能形成連續(xù)的保溫層，可保證墻體與保溫材料的共同作用并有效阻斷熱橋，適合結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)較高的多層和高層建筑，但由于綜合造價(jià)投入較大且對工人技術(shù)要求較高，目前使用率僅占我國外墻保溫市場的5%。