高分子環(huán)保復(fù)合材料在建筑隔熱中的應(yīng)用綜述

金花，袁光英，王龍

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南7 1 4000）

由于供暖系統(tǒng)和空調(diào)的普及使用，住宅和商業(yè)區(qū)的能源消耗大幅度地增加，使得建筑節(jié)能已成為當(dāng)今最重要的環(huán)保主題之一。盡管全球?qū)W者們?cè)诎l(fā)展可再生能源方面做出了許多研究成果，但是發(fā)電的主要原料仍為化石燃料。目前世界上大約70%的電力依賴使用煤炭、天然氣和石油產(chǎn)品[1，2]。而其中，2016年全球39.5%的能源用于建筑物供暖和制冷，用于控制住宅和商業(yè)建筑溫度的能源分別為16843和15082萬(wàn)億BTU[3]。為應(yīng)對(duì)自然資源的大幅度消耗和氣候變暖的現(xiàn)象，聯(lián)合國(guó)各成員簽訂了“聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約”(簡(jiǎn)稱“氣候公約”，其中要求到2030年國(guó)內(nèi)溫室氣體排放量比1990年削減至少40%，并且到2020年與1990年能源消耗相比減少能源消耗的20%，到2050年減少50%[4，5])。聯(lián)合國(guó)各成員也順應(yīng)這項(xiàng)條約的要求采取了一系列措施，諸如增加可再生能源的使用，提高建筑、工業(yè)和家用電器的能效等等[6]。

住宅及商業(yè)建筑中使用保溫建筑材料也可以歸為減少能耗的方法。這種保溫建筑材料通過(guò)最大限度地提高制冷和供暖系統(tǒng)的效率來(lái)減少系統(tǒng)能量損失[7，8]。此外，在施工中采用保溫材料，不僅可以降低制冷供暖用電的運(yùn)行成本，還會(huì)降低設(shè)備冷熱件的初始安裝固定成本。大多數(shù)保溫建筑材料由保溫材料、填料和其他添加劑制成[9]。一般可分類為無(wú)機(jī)材料(例如，玻璃、巖石、礦渣、羊毛和陶瓷產(chǎn)品)和有機(jī)材料(例如，纖維素、棉花、木材、紙漿、甘蔗、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氨酯和其他有機(jī)高分子材料)。有機(jī)高分子材料由于其穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)而被公認(rèn)為是良好的絕緣材料[10]。除了傳統(tǒng)的保溫材料外，還有正在研發(fā)的先進(jìn)的保溫材料，如真空絕緣板(VIP)、充氣板和氣凝膠等等[11]。然而，傳統(tǒng)的隔熱材料和較新的隔熱材料都存在力學(xué)性能低、成本高、毒性大等缺點(diǎn)，造成在實(shí)際應(yīng)用中存在不同程度困難和局限性[12，13]。因此，另一個(gè)研究趨勢(shì)是在保持建筑材料大部分機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，開(kāi)發(fā)導(dǎo)熱系數(shù)較低的結(jié)構(gòu)材料。利用天然材料或廢棄物作為主基質(zhì)的一部分，可以降低保溫材料的成本，這也將有助于減少CO2的排放[14，15]。本文對(duì)近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外在各種保溫材料開(kāi)發(fā)方面所開(kāi)展的研究工作進(jìn)行了整理，重點(diǎn)分析了可再生資源和廢棄物在保溫材料開(kāi)發(fā)中的利用，以期為保溫材料的研究方向作出指引提供參考。

1 椰子殼與甘蔗皮

正確使用工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活廢棄物來(lái)作為原材料制成保溫材料可以有效地起到“以廢制寶”的效果。因此研究人員對(duì)以下幾種廢棄物制成保溫材料的應(yīng)用進(jìn)行了探索。椰子殼是制作椰汁飲料的生產(chǎn)廢棄物，這在熱帶國(guó)家的沿海地區(qū)很容易獲得。椰子外殼由30%的纖維和70%的木髓組成，其中纖維和木髓中都具有非常高含量的木質(zhì)素和酚類物質(zhì)，并且研究表明以椰子作為原材料制成的糠皮木質(zhì)素可作為板材生產(chǎn)中的天然樹脂。甘蔗渣是制糖的副產(chǎn)品，其中含有十分豐富的纖維素酶，可在制作紙板時(shí)起到黏結(jié)作用，兩種廢棄物實(shí)物圖如圖1所示。因此基于這兩種廢棄物的特性，Goncalves和Bergmann[16]利用了稻殼灰來(lái)生產(chǎn)保溫材料。并對(duì)所生產(chǎn)的材料進(jìn)行化學(xué)和物理表征，表征結(jié)果表明其保溫性能主要與其微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。隨后對(duì)保溫性能進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然稻殼灰熱導(dǎo)率較低，但仍然高于市面上常用的由硅藻土制成的商業(yè)保溫材料。隨后Panyakaew和Fotios[17]使用熱壓法將椰子殼和甘蔗渣制成了一種低密度并且無(wú)黏結(jié)劑的保溫板，并探究了其密度和熱壓條件對(duì)保溫板物理性能的影響情況。結(jié)果表明，保溫板的機(jī)械性能隨著板密度、壓制時(shí)間和溫度的增加而增加，并且保溫板的導(dǎo)熱率值與傳統(tǒng)的隔熱材料（如纖維素纖維和礦棉）相近。由于這種保溫板是由廢料制成的，不含任何化學(xué)黏結(jié)劑，因此它對(duì)環(huán)境友好，并且具有良好的保溫性能，能夠應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)中。

圖1 椰子殼廢棄物和甘蔗皮廢棄物圖（上為椰子殼廢棄物，下為甘蔗皮廢棄物）

2 棉與紡織廢棄物

棉與紡織廢棄物是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的廢棄物，本身就具有一定的保溫性能，研究人員對(duì)棉與紡織廢棄物的回用研究做出了大量的工作。Binici[18]等人使用一種棉花廢料和紡織灰渣制成了一種新型絕緣材料，并研究了所生產(chǎn)材料的性能。結(jié)果表明，棉絨和紡織灰渣可用于制造具有良好隔熱性能的磚塊、墻板及天花板，并且在調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度方面優(yōu)于混凝土磚房。且Binici等[19]在另一項(xiàng)研究中，使用棉屑、粉煤灰和環(huán)氧樹脂生產(chǎn)具有不同導(dǎo)熱率的保溫板。研究發(fā)現(xiàn)，使用棉花廢料和粉煤灰合成保溫板具有更好的隔音效果和隔熱效果。此外Briga-Sa等[20]探究了機(jī)織織物廢料（WFW）作為隔熱建筑材料的潛在適用性，機(jī)織織物廢料圖可見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，WFW在應(yīng)用于普通建筑材料中可以使其保溫性能提高56%，并且其熱導(dǎo)率值類似于膨脹聚苯乙烯（EPS），且高于聚苯乙烯（XPS）和礦棉（MW）的值。說(shuō)明了棉與紡織相關(guān)廢棄物能夠良好地與填充材料結(jié)合形成保溫材料，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

圖2 機(jī)織廢棄物圖

3 皮革及其生產(chǎn)廢物

近年來(lái)，一些研究人員發(fā)現(xiàn)，在建筑材料中添加高分子材料或者天然材料可能可以提高其物理或者化學(xué)特性，而皮革廢料就是其中一種具有良好應(yīng)用前景的材料，皮革生產(chǎn)廢棄物圖可見(jiàn)圖3。Lakrafli等[21]研究了添加皮革廢料對(duì)水泥和石膏復(fù)合材料試樣的機(jī)械和熱性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著制革廠皮革廢料含量的增加，材料試樣的密度、機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低。隨后再將皮革廢料用于填充中空樣本，明顯地減低了對(duì)試樣材料機(jī)械強(qiáng)度的影響，與此同時(shí)也降低了材料的導(dǎo)熱系數(shù)。在Lakrafli等人[22]的另一項(xiàng)研究中比較了兩種皮革廢料（濕藍(lán)色鉻屑（CS）和皮革拋光粉塵（BD））和兩種木工廢料（木屑（WS）和鋸末（SD））作為替代建筑保溫材料的潛在應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩種皮革廢料的熱導(dǎo)值遠(yuǎn)低于兩種木工廢料。所以皮革廢料由于其低導(dǎo)熱值和低成本的特點(diǎn)，是有可能替代現(xiàn)有的保溫材料。Ledhem等[23]研究了不同生產(chǎn)廢物（如黏土、皮革屑、水泥、木屑）的摻入對(duì)水泥和石膏復(fù)合材料性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著皮革屑含量的增加，熱導(dǎo)率降低程度明顯，當(dāng)皮革屑的重量比例達(dá)30%時(shí)，熱導(dǎo)率的降低約為85%。

圖3 皮革廢棄物圖

4 橡膠及塑膠廢物

廢棄的舊輪胎已成為世界上難以處理的污染源之一，其廢棄物如圖4所示。廢輪胎不僅會(huì)危害環(huán)境，而且還存在著對(duì)人體產(chǎn)生健康影響的問(wèn)題。由于天然礦產(chǎn)資源的短缺和廢物處理成本的增加，在建筑中使用廢橡膠正成為一種有益地回收廢舊橡膠的公認(rèn)方法。近年來(lái)，許多研究人員也對(duì)廢橡膠的廢物利用進(jìn)行了許多研究工作，比如將廢舊汽車輪胎中的橡膠用于建筑、混凝土和水泥復(fù)合材料中。

Van de Lindt等[24]研究通過(guò)在木質(zhì)建筑材料中添加由粉煤灰與碎屑輪胎制成的纖維復(fù)合材料到傳統(tǒng)的玻璃纖維隔熱材料中來(lái)降低其導(dǎo)熱效率的可能性。Sulcis等[25]也通過(guò)乙烯催化聚合法從廢棄輪胎中制備了具有HDPE基體和橡膠粉的雜化復(fù)合材料，并通過(guò)表征驗(yàn)證其架構(gòu)對(duì)導(dǎo)熱效率的影響。另一方面，Piszczyk等[26]研究了磨碎的輪胎橡膠對(duì)軟質(zhì)聚氨酯泡沫的結(jié)構(gòu)、機(jī)械和熱性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明輪胎橡膠材料對(duì)復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性有積極的影響。此外，橡膠材料也是一種良好的填料。最近，Abu-Jdayil等人[27]研究使用以廢橡膠顆粒作為填料的聚酯-填料復(fù)合材料作為絕緣材料。通過(guò)使用不同的橡膠質(zhì)量占比來(lái)制備復(fù)合材料，并對(duì)其物理和化學(xué)性能改變作出研究。研究結(jié)果表明，橡膠顆粒作為一種填充劑，可與不飽和聚酯一起用于生產(chǎn)保溫材料。并且將橡膠顆粒填充到復(fù)合材料中會(huì)顯著降低其導(dǎo)熱性和密度。所以橡膠材料由于其成本低，且具有良好的可塑性和可加工性，具有一定的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

圖4 橡膠廢棄物圖

5 其他自然廢棄物

一些研究人員利用天然纖維高孔隙率的特點(diǎn)來(lái)制作保溫材料。纖維素作為天然纖維中的常見(jiàn)材料被廣泛應(yīng)用于絕緣材料的開(kāi)發(fā)中。Asdrubali等[28]研究了用廢紙制成的耐腐蝕門板并對(duì)其隔音和隔熱性能作出了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于門板內(nèi)部具有較高的孔隙率，使得其允許空氣進(jìn)入其凹槽，這提高了門板的保溫性能，并且門板具有自支撐結(jié)構(gòu)，無(wú)須額外的膠黏劑，可以隨時(shí)回收利用。Belkharchouche[29]使用蔬菜纖維與建筑材料混合以期在提高保溫性能的同時(shí)降低建筑材料的重量。研究結(jié)果表明，在混凝土中添加蔬菜纖維可以使復(fù)合材料的密度和熱導(dǎo)率顯著降低。但是隨著蔬菜纖維的含水率增加，其熱導(dǎo)率會(huì)逐漸升高，說(shuō)明使用時(shí)需要控制蔬菜纖維的含水率。Aksogan等人使用廢棄的報(bào)紙為基礎(chǔ)材料混合珍珠巖和灰泥等無(wú)機(jī)材料制成保溫材料。并對(duì)所生產(chǎn)的樣品進(jìn)行導(dǎo)熱率測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該材料導(dǎo)熱率在0.063～0.15 W/(m·K)的范圍內(nèi)，說(shuō)明保溫性較好。

此外根據(jù)Pedreno-Rojas[30]的研究報(bào)告表明，使用工業(yè)石膏板生產(chǎn)中的石膏廢料可以100%代替建筑用石膏，并且無(wú)須額外進(jìn)行任何熱處理，即可以保持良好的性能。并且通過(guò)這種廢物利用，石膏的密度、機(jī)械性能和導(dǎo)熱性得到了輕微的改善，其最佳導(dǎo)熱系數(shù)為 0.187W/(m·K)。

6 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段使用工業(yè)或生活廢棄物制作保溫材料是一種主流的研究趨勢(shì)，在保證原保溫材料的機(jī)械強(qiáng)度的情況下，大幅度降低其導(dǎo)熱系數(shù)是研究的關(guān)鍵所在。研究人員從農(nóng)業(yè)和工業(yè)廢棄物為切入點(diǎn)，引入“以廢制廢”的理念，通過(guò)廢物再利用來(lái)解決廢物管理問(wèn)題。不同的廢棄物如農(nóng)業(yè)殘留物、紡織廢料、廢橡膠和廢紙等可以與其他無(wú)機(jī)或者有機(jī)材料結(jié)合制成保溫材料。且由于這些由廢棄物制成的保溫材料具有較大的成本優(yōu)勢(shì)和良好的保溫能力，具有取代現(xiàn)階段常用商用保溫材料的潛力。

綜上所述，可以得出結(jié)論，目前使用廢棄物制作保溫材料的工藝已經(jīng)較為成熟，但是其中或多或少仍然存在如導(dǎo)熱性、機(jī)械/建筑能力、環(huán)境和人類健康安全以及成本等問(wèn)題。所以需要針對(duì)性開(kāi)發(fā)來(lái)解決其缺陷，以期能夠滿足商用保溫材料的使用需求。