新型建筑保温隔热材料的研究及应用进展

刘 荣 高文元 ，2

（1.大连工业大学纺织与材料工程学院，辽宁大连116034；2.辽宁新材料与材料改性重点实验室，辽宁大连116034）

0 引言

近年来世界各国均面临严重的能源问题，我国的能源形势更是令人堪忧，我国的能源消耗总量已经超过13亿吨，占世界能源消耗的近10%，居世界第二位。因此，如何解决能源问题已经迫在眉睫，各国也出台了许多政策来缓解能源危机。一方面是要开发和勘探新的替代能源，如核能、风能、地热能、潮汐能、太阳能等来替代碳氢化合物燃料；另一方面就是要做好能源的充分利用以及其相应的配套能源利用设施。保温隔热墙体材料便是在此背景之下产生的，它不但做到了生产过程的能源最低化以及制备工艺的最简单化，而且在实际的建筑物应用中也减少了能源的损耗，真正做到了所谓的节能环保。

此外，我国建筑能耗占据全国总能耗的比例已经达到了30%，同时工业生产和交通运输中的能耗又有16.7%用于房地产以及建筑行业中，这些能耗加在一起总共有46.7%。此数据在一些发达国家里已经达到了50%以上，而且随着我国经济、科学技术的稳步发展以及人们生活质量、城镇化步伐的加快，这个比例还会上升并达到发达国家的水平[1]。

在过去的十几年里我国城镇化步伐十分快，城镇化率已经跃升到了50%，在这个时期我国房地产业经历了黄金的发展阶段。我国目前已经有430亿平方米的建筑存量，其中95%以上为高耗能的建筑物，每年新建的房屋建筑面积占世界的50%以上，2011年全球新建的43亿平方米的建筑中有23亿来自于中国，这些建筑中大部分并不是节能建筑，再加上我国农村和山区的一些非标准性住宅，这个数值还要增加。

可见做到建筑物节能是一个牵一发而动全身的问题，在此背景下建筑保温材料近十几年间发展十分迅速。

1 建筑保温隔热材料

保温隔热材料是一种对热对流起到明显阻碍作用的材料。它通常分为保温和隔热两种形式，把控制室内热量外流的材料称为保温材料，把防止室外热量进入室内的材料称为隔热材料。保温材料之所以拥有保温的性能，主要是因为保温材料的内部拥有许多封闭的孔状结构，而这些孔里填充了许多的空气，这些空气的导热系数非常低，若保温材料内部拥有许多这样的孔的话，那么整个材料自身的导热系数便会很低，从而达到保温隔热的作用。

保温隔热材料通常是一种质轻、疏松、多孔、热导率低的材料。在冬天可以防止热量从室内传向室外，达到保温的作用；在夏天可以有效阻止室外太阳辐射热进入室内，又起到隔热的作用。通常所指的保温隔热材料系指导热系数小于0.14 W/(m·K)的材料[2]。用于建筑物的保温隔热材料除了具有良好的保温隔热性能之外，还需要具有质量轻、容重小、强度（抗折、抗压强度)高、不燃、耐久性好、耐化学腐蚀性好等特点。一般情况下用于建筑物的保温隔热材料要求导热系数不大小 0.17 W/(m·K)，表观密度小于1000 k g/m3，抗压强度大于0.3 MPa。当然在建筑保温材料的选用时，要综合保温隔热目标、围护结构的构造、施工的难易、材料来源、经济核算等因素考虑。

保温隔热材料发展到目前为止已经拥有了很多的种类，目前普遍使用的分类方法是根据材料质地划分，一般分为无机保温隔热材料、有机保温隔热材料和金属保温隔热材料三类。

2 建筑保温隔热材料的作用原理

物体之间只要有温差的存在，就会发生传热现象，物体之间的传热是一种复杂的热能转移过程，根据不同的物理本质可以分为导热、对流和辐射三种基本方式。在建筑保温材料中，固体的传热形式是导热，而材料内部多孔结构中的静止空气除了导热以外，还存在对流和辐射两种形式，但是对流和辐射所传导的热量所占据的比例十分小，所以在建筑热工计算中并不考虑在内。

建筑保温材料多为微孔、纤维、气泡状、层状的结构，内部填充了大量的静止空气，空气的热导率[0.023 W/(m·K)]远低于固体的热导率，这使得材料单位时间内传递的热量降低，进而起到保温隔热的作用。另外内部大量孔隙的存在也增大了固体导热的路径，与密度固体相比大大降低了传热速率。

材料的保温隔热性能通过热导率来衡量，它是材料的固有特性。热导率通常取决于材料的密度、成分、孔隙率、内部结构、含水率等因素，其中密度、湿度、热流方向和粒度是对热导率影响比较大的因素。①密度。由于材料中固体物质的导热能力比空气要大，因而材料密度越大，导热性就越好，热导率越大。这与材料的孔隙率与孔隙特征又有着密切的联系，一般情况下孔隙率越大密度越低，热导率越小。在孔隙率相同的条件下，孔隙尺寸越大，热导率越大。孔隙相互连通比封闭的热导率要高，这是由于空气产生对流传热的原因（如超细玻璃纤维）。②湿度。材料受潮之后孔隙中会含有水分，而水分的热导率[0.581 W/(m·K)]远远大于空气的热导率，使材料的整体热导率增大。如果受潮之后再产生冰冻情况的话，热导率会更大，因为冰的热导率为2.326 W/(m·K)。③热流方向。它与热导率的关系十分密切，只存在于各向异性的保温材料（如纤维状保温材料）中，热流方向与纤维方向相同时，热阻力小热导率大。④粒度。大粒度产品堆积时所产生的空隙大，则热导率必然大，颗粒受热时尺寸变化也大[3]。

3 几种新型建筑保温隔热材料

基于目前的能源形势，国内外对于新型保温材料的研究也越来越受到世界各国的重视。保温材料的发展是从19世纪70～80年代开始的，我国的保温材料在1980年之前发展十分缓慢，之后的30年才进入快速发展阶段，不少的保温材料从无到有，从品种单一化到品种的多样化，从低质量到高质量，已经形成了较健全的建筑保温材料市场。

3.1 无机建筑保温隔热材料

无机建筑保温隔热材料是指由非金属颗粒、粉末或者纤维等材料经过一定的工艺过程制备而成的一种具有低密度、高强度的保温隔热材料。这种材料主要包括传统的保温材料膨胀珍珠岩石及其制品、矿物棉及其制品，以及近年来研究比较热的泡沫玻璃、轻质保温砌块。

3.1.1 膨胀珍珠岩及其制品

珍珠岩是在火山喷发时形成的一种无机非金属矿物，它是一种酸性玻璃质熔岩，主要成分是玻璃，同时含少量透长石、石英等结晶质矿物。膨胀珍珠岩是以珍珠岩为原料，并在1250～1300℃的回转窑中焙烧，最后经过瞬间冷却在膨胀力的作用下形成的一种多孔轻质白色颗粒，它属于一种硬质保温材料。

膨胀珍珠岩具有十分稳定的理化性能，其颗粒内部是蜂窝状多孔结构，具有良好的绝热防火性能、较小的堆积密度、化学稳定性好、无毒、不燃、吸湿性好，并且易于砂浆或粘结剂等结合形成不同性能的制品。再者我国是膨胀珍珠岩生产大国，拥有优质的珍珠岩矿物来源，但是珍珠岩也存在一系列的缺点：它不耐酸碱，内含多种矿物成分，酸性或碱性条件都会促使内部物质发生反应，导致性能的变化；它的吸水率高，使得热导率变化严重。

膨胀珍珠岩的这一系列的物化性质使得其在冶金、电力、化工、制冷、食品加工过滤等行业有着广泛的用途。尤其在建筑业，膨胀珍珠岩的使用可以有效地节约能源。目前膨胀珍珠岩在建筑业的应用主要有：①做墙体围护材料，直接填充涂抹在墙体或屋顶；②与轻骨料配合使用，做成轻质建筑材料构件；③以膨胀珍珠岩为骨料，配合其它胶粘剂做成隔热吸音材料；④将膨胀珍珠岩做成涂面材料。另外膨胀珍珠岩制品也发展出了许多种类，如水泥膨胀珍珠岩制品、水玻璃膨胀珍珠岩制品、磷酸盐膨胀珍珠岩制品、沥青膨胀珍珠岩制品等。我国针对膨胀珍珠岩已经分布了《膨胀珍珠岩绝热制品》GB10303-2001国家标准。

Ozkan Sengul[4]等研究了膨胀珍珠岩对轻质混凝土力学性能和热导率的影响，证明膨胀珍珠岩的加入量对于抗压强度、弹性模量、吸水率等有明显的增强作用，保温效果也大大提高。赵维霞等[5]膨胀珍珠岩和粉煤灰双掺技术得到了匀质的保温材料，不但减少了离析和泌水，并且早期强度提高了5%。

3.1.2 矿物棉及其制品

矿物棉主要包括岩棉、玻璃棉、矿渣棉三种，属于一种无机纤维保温隔热材料。岩棉和玻璃棉均是以天然的矿物为主要原料，配以其它一些原料以及工艺手段加工而成的，矿渣棉是以工业废料（矿渣和石灰石）为原料生产出来的。

矿物棉具有十分优异的保温隔热性能，由于内部之间纤维状的排列结构，其热导率为0.035～0.048 W/(m·K)。矿物棉是理想的防火材料，矿物纤维具有良好的耐高温性能，其中玻璃纤维和岩棉纤维的软化温度高达900～1000℃，工作温度也能达到700℃以上，所以使用温度较高、耐久性好。矿物棉之间由纤维状结构排列而成，内部存在许多的空隙，所以所有良好的吸声性，制品使用过程中可以根据厚度的变化来调节吸声特性。另外矿物棉几乎不吸水，这就保证了其保温性能的稳定性。

目前欧洲大部分国家、日本、俄罗斯等对于矿物棉的应用较多，其中瑞典的岩棉工业水平较高。岩棉和玻璃棉在建筑工程上可应用于外墙体和复合外墙板、屋面保温、吊顶、顶棚、吸声墙体等；矿渣棉大部分应用于不受水湿的热力设备和管道。我国针对岩棉、矿渣棉、玻璃棉物理性能指标制定了《建筑用岩棉、矿渣棉绝热制品》G B/T19686-2005国家标准和《建筑绝热用玻璃棉制品》G B/T17795-1999国家标准。

3.1.3 泡沫玻璃

泡沫玻璃是一种无机的多孔（闭孔）保温隔热材料，它主要是利用废玻璃以及石灰石、焦炭等发泡剂在高温下烧制而成，故主要成分是SiO2。

泡沫玻璃内部含有一半以上的闭孔结构，并且孔内填充的气体因发泡剂的不同而各异，这使得材料本身具有较好的保温隔热性能。光泡沫玻璃的吸水率十分低甚至完全不吸水，内部孔为封闭式的，因此也几乎不透水，在建筑材料中应用十分广泛。泡沫玻璃的线膨胀系数是所有保温材料中最低的，与水泥或钢铁等建筑结构材料最接近，不会因为建筑物的热胀冷缩而开裂。但是泡沫玻璃存在一个致命的缺点，它是一种具有极高脆性的材料，十分容易破碎，不便于存放，所以泡沫玻璃的应用范围也因此受到限制。

泡沫玻璃的特点决定其不应用于建筑承重材料，一般用作建筑装饰材料。它可用作门窗材料，来降低保温、降噪；还可以用作屋顶防水隔热，在国外泡沫玻璃作为轻质填充材料应用在市政建设上。我国对于泡沫玻璃也已经颁布了行业标准《泡沫玻璃绝热制品》JC/T647-1996。

3.1.4 新型轻质保温砌块（板、砖）

新型轻质保温砌块（板、砖）是近年来发展起来的一种无机保温材料，它一般利用一些工业和生活废弃物配合水泥、发泡剂及水等使用，在降低成本的同时有效利用了资源，减少了对环境的污染。轻质保温砌块（板、砖）分为烧结和非烧结两种类型。烧结砌块是在高温（800℃以上）下通过物质内部的化学反应产生晶体结构的变化得到的，如烧结糖滤泥多孔材料、烧结硅藻土保温材料等；而非烧结砌块是通过搅拌混合工艺在自然条件或低温蒸汽条件下养护制得的，如加气（泡沫）混凝土、泡沫水泥、石膏空心砌块等。

（1）加气（泡沫）混凝土砌块。它比传统的粘土材料质量要轻的多，密度要小的多，一般为500 k g/m3，因此可以大大减少建筑物的自重，提高抗震性能。我国加气混凝土的种类主要是以水泥、矿渣、砂、石灰、粉煤灰这五种原料相互配合，所制得的混凝土砌块不但具有较高的早期强度，其后期强度也不会降低甚至还会超过前期的强度。我国针对混凝土砌块也制定了国家标准，具体见《普通混凝土小型空心砌块》G B8239-1997。但是自然条件下由于干湿循环所引起的受力不均匀会导致加气混凝土易出现收缩干裂的现象，再者加气混凝土表面还会出现盐析现象引起制品表层脱落，这些都是加气混凝土保温材料急需解决的问题。

（2）石膏空心砌块。它以石膏为主要原料，配以定量的轻质骨料以及化学外加剂经过浇注制成，内部形成许多柱状孔洞结构，因此具有良好的保温隔热性能。石膏砌块强度与水灰比、干燥条件有着密切的联系，在加工制作的过程要特别注意。

3.2 有机建筑保温隔热材料

有机保温隔热材料在建筑保温材料中占有重要的地位，它通常是以高分子化合物或聚合物为主要原料，加以各种化学添加剂经过一定的工艺过程制得的。有机建筑保温材料主要包括三种类型，分别是聚苯乙烯泡沫塑料（P S）、聚氨酯泡沫塑料（PUF）、酚醛泡沫塑料，另外还包括聚氯乙烯泡沫塑料、脲醛泡沫塑料等。

3.2.1 聚苯乙烯泡沫塑料

它的主要原料是聚苯乙烯树脂，目前按照生产方法的不同有两种应用比较广泛的材料分别是模塑型聚苯乙烯树脂泡沫塑料（E P S）和挤塑型聚苯乙烯树脂泡沫塑料（X P S）。二者的物化性能也不尽相同，E P S吸水率比X P S要大，耐酸碱性要好，有一定的弹性，但是它们都具有极好的保温性能，其中E P S材料中的孔并不是全封闭式的。它们的这些性能受到建筑业的亲睐，成为建筑节能中一种十分重要的保温材料。

3.2.2 聚氨酯泡沫（PUF）塑料

聚氨酯泡沫的主要原料是聚合物多元醇和异氰酸，在其它化学助剂、表面活性剂的催化下制成的一种高分子泡沫保温材料，根据发泡情况的不同又分为硬质和软质聚氨酯泡沫。硬质聚氨酯泡沫的是保温隔热性能特别好，结构内部为封闭的多孔结构，并且孔与孔之间相互不连通，因此具有良好的防水性，可以做为屋顶和墙体保温防水材料。这种材料既可以预先成型，又可以现场喷涂成型，方便操作。但是它的成本相比其它保温材料来讲比较高，并且在高温下灼烧时会释放出清烟，对人体非常不利。

3.2.3 酚醛泡沫塑料

酚醛泡沫塑料的主要原料是酚醛树酯，根据发泡工艺的不同可以分为机械发泡酚醛泡沫和化学发泡酚醛泡沫。机械发泡所得到的制品是张开的连通孔，致使其保温性能远远不如化学发泡制品，因此根据制品工作需求可以选择不同的发泡方法。酚醛泡沫的防火性能比PUF好的多，它通常在火焰直接作用1 h下仍无熔化、滴落物等现象，这相比其它高分子具有较强优势[6]。

3.3 金属类建筑保温隔热材料

此类材料主要是指金属面夹心板，由上下两层以及中间的夹芯组合而成。中间的夹层芯材可以是无机的岩棉、珍珠岩、轻质混凝土，也可以是有机的聚苯乙烯泡沫颗粒、聚氨酯硬质泡沫，层与层之间通过粘结剂粘结而成。目前金属类的面夹心板主要应用于大跨度的建筑围护材料中。它的优点是强度高、质量轻、方便拆等，但是金属表面易于腐蚀，因此这种材料一般不用于住宅建筑中。

4 建筑保温隔热材料的发展趋势

建筑保温隔热材料在我国经过几十年的发展已经越来越成熟，但是与国际先进水平相比还有很大的差距。目前，建筑保温材料正向着高性能化、多功能复合化、环境友好化等方向发展。

由之前的传统发泡技术向外部直接引进带孔物质，或者通过散料堆积直接形成孔隙发展。如膨胀珍珠岩砂浆、膨胀蛭石砂浆、玻璃微珠、中空纤维等，它们都呈现出优良的保温隔热性能，力学强度也可以达到建筑材料的标准，随着日后技术的日益成熟，这些材料在保温材料的应用会更加广泛。

黄鸿胤等[7]通过研究组分对填充型膨胀珍珠岩砂浆性能的影响，发现膨胀珍珠岩的掺量对砂浆的流动性以及孔隙率都有一定的影响，并且对制品的抗压强度也有不同程度的影响。马玲等[8]以膨胀蛭石为原料配制无机砂浆，比较了玻化微珠保温砂浆的物理热工性能的差异，发现膨胀蛭石与玻化微珠复合砂浆的性能优于单一玻化微珠水泥基无机保温砂浆。张之颖等[9]研究了空心玻璃微珠含量比对涂料隔热性能的影响，指出空心玻璃微珠涂料是一种良好的保温材料具有优良的隔热效果。李贵佳等[10]对填充料不同的碱金属粘结剂做了导热系数分析，发现空心氧化锆纤维的保温效果远比多孔陶瓷土、陶瓷微珠、玻璃微珠好。

由微孔保温材料向纳米孔保温材料发展。随着纳米技术的日趋成熟，纳米孔保温材料也随即发展起来，其中主要是SiO2气凝胶。它运用超临界干燥法并保留SiO2在凝胶状态下排列所得到的，与传统意义的保温材料相比，它具有明显的体积小、质量更轻的优点。由于其制备方法的限制，成本比较大，一般应用于航空、航天等领域，但是随着技术的成熟，纳米级保温材料会成为未来发展的趋势。

向多种材料、多层复合方向发展。我国对于建筑保温材料的需求日益加大，对于多种材料复合、多层材料复合实现材料的多功能化更是未来发展方向。它包括无机材料与无机材料的复合、无机材料与有机材料的复合、无机材料与金属材料的复合、有机材料与金属材料的复合等，这些材料可以综合无机、有机和金属材料的性能，实现材料多功能化效果。

5 结语

近年来建筑保温材料发展十分迅速，这与国家政策以及人们的需求是分不开的，对于保温隔热材料的性能要求也在不断的提高。日后除了发展多功能复合建筑保温材料、纳米孔建筑保温隔热材料外，还要重视向环境友好型材料发展，实现资源环境效益、技术产品效益、功能舒适效益的三丰收。

1 江亿.中国建筑能耗现状及节能途径分析.新建筑,2008,(2)：4～7

2 王慧利,邓建国等.多孔隔热材料的研究现状与进展.化工新型材料,2011,39(12)

3 3 A.M.Papadopoulos.State of the art in thermal insulation materials andaims for future developments.Energy and Buildings,2005(77~86)

4 SENGUL O.Effect of expanded perlite on the mechanical propertiesand thermal conductivity of lightweight concrete.Energy andBuildings, 2011, 43: 671~676

5 赵维霞,杨海勇等.双掺粉煤灰和膨胀珍珠岩对泡沫混凝土性能的影响.粉煤灰综合利用,2010,6

6 苏洁,于颖颖.酚醛保温材料在建筑节能中的应用.建筑与工程,2009,15

7 黄鸿胤,鲍旺等.组分对填充型膨胀珍珠岩砂浆性能的影响.新型建筑材料,2012

8 马玲,雷贤庆等.膨胀蛭石与玻化微珠复合无机保温砂浆应用研究.中国西部科技,2012,11（2）

9 张之颖,张丹等.空心玻璃微珠含量比对涂料隔热的影响.功能材料,2007,38:3151～3155

10 李贵佳.轻质薄型复合材料的研究.济南:山东大学,2005