建筑外墙外有机类保温材料及其胶粘剂的应用

王洪祚 王颖

1 前言

建筑能耗历来在社会总能耗中占有较大比重，发达国家占40%左右，我国占30%左右，正逐年增大。2008年我国国务院作为一项重要国策发布实施了《民用建筑节能条例》，继而各部委亦相继出台了一些重要政策、规定和标准，旨在进一步改善建筑物外墙围护结构的保温隔热性能，减少能耗。近年来推广的外墙外保温复合围护结构[1]已显示出比内保温或内外混合保温结构更具优点。如可消除“热桥”散热影响，保持室温稳定；降低主体结构所受长期温差作用，延长使用寿命；降低成本，提高房屋有效使用面积；便于室内无障碍装修改造等。随着设计及施工技术的日益推进，相关优质保温隔热主辅材料的涌现将更有力推动这一节能技术的完善和发展。目前所用外墙外保温材料多为有机类保温材料，如模塑发泡聚苯乙烯，又称膨胀发泡聚苯乙烯（expanded polystyrene，EPS）、挤塑发泡聚苯乙烯（extruded polystyrene，XPS）、硬发泡聚氨酯（hard foamed polyurefhane，PU）等，其中许多材料自广泛用于民用建筑以来，火灾事故连续发生，造成了巨大经济损失及人身伤亡，因此在此类材料的研发、使用及保温系统的设计中在关注保温与节能同时人们更同时关注其防火阻燃与安全性能。使用的相应胶粘剂主要有聚合物水分散液、可再分散性聚合物干粉料及以其为基础的干粉砂浆。无机类保温材料则有岩棉、泡沫玻璃、泡沫混凝土等，但由于生产加工耗能大、长期效果不稳定、施工工艺较复杂及环保等问题，已逐渐减少使用，有些国家甚至已停用。本文重点介绍应用较广泛的有机类保温材料的特点及相应胶粘剂的选择和应用。

2 有机类外墙外保温材料

2.1 模塑发泡聚苯乙烯EPS及挤塑发泡聚苯乙烯XPS板[2]

EPS板系由可发性聚苯乙烯颗粒先经加热预发泡后再在模具中加热成型而制得。它可通过粘贴及机械铆固在建筑外墙上，也可在施工墙体上喷涂或浇注发泡成型。目前国内以预制板的粘贴及机械铆固应用较多。EPS具有微细闭孔结构，蜂窝孔径约0.2～0.5 mm，空气含量可占98%，而XPS板则是以可发性聚苯乙烯颗粒与发泡剂及成核剂在挤出机中加热塑化，充分熔合，经加热连续挤出发泡成型而制得，具有紧密的闭孔蜂窝结构和光泽表面。表1列出2者的主要性能指标。

由表1可见，EPS及XPS板性能虽有差别，但皆具有表观密度小、质量轻、强度大、硬度大及热导率小、吸水性低、水气渗透系数小的特点。一般表观密度愈小、吸水性愈低及环境温度下降，其热导率皆随之减小，保温性能愈好。但此类材料亦存在许多不足之处，它们的氧指数较低（为24%），系易燃物质，遇明火易于燃烧。使用温度不能超过其理论使用温度临界值70 ℃，否则会发生急剧收缩、膨胀及扭曲变形。材料表面尤其是XPS表面平整致密，影响粘接效果，带表皮的光面板尤甚。材料尺寸稳定性的绝对值较大，热胀冷缩易造成装饰层开裂等。关于聚苯乙烯的阻燃技术研发上已经历了较长发展历程[3]。采用苯乙烯单体与反应型阻燃剂共聚或在大分子链上引入具有阻燃效应的氮、磷、卤素等元素的本体阻燃法，添加氢氧化铝、氢氧化镁及含硅、硼元素无机物等的无机阻燃体系、卤素阻燃体系、磷系阻燃体系、膨胀阻燃体系及黏土阻燃体系等的添加型阻燃法都已有较成功的研究。张卫勤等[4]选用十溴二苯醚与Sb2O3按质量比3∶1构成复合阻燃体系用于聚苯乙烯，其氧指数可达28%，不仅明显降低发烟量，而且力学性能损失很小。含有磷、硼等的酸性物质（酸源）、受热易产生氨等气体的物质（气源）及季戊四醇、淀粉、聚苯醚等易成碳物质（碳源）构成的膨胀阻燃体系，也显示了良好的阻燃效果。如贾娟花等[5]选用聚磷酸铵、季戊四醇及三聚氰胺（质量比30∶20∶5）构成的阻燃体系用于聚苯乙烯，燃烧时由于3者协同作用形成了膨松多孔蜂窝状的碳层，同时起到了隔热及抑制氧扩散作用，而达到阻燃效果。侍孝永等[6]通过热重-差热-红外-质谱（TG-DSC-IR-MS）联用技术研究了XPS加阻燃剂前后材料在空气中的热解特性，发现阻燃剂有效延长了阻燃型XPS到达最大热释放速率所需时间，减少了热分解产物的种类和数量，提高了反应活化能，材料中残留阻燃剂在497 ℃以后会继续热解并放出热量。汤义勇[7]也作了较系统的EPS与XPS板燃烧性能对比试验。虽然非阻燃型EPS及XPS保温性能很好，且价格低廉，工艺简单，但从外墙外保温材料防火安全考虑是不宜使用的。美国已有20多个州禁止使用，英国18 m以上建筑，德国22 m以上建筑也不允许将其用作外墙保温材料。

2.2 硬泡沫聚氨酯（PU）板

这是一类具有闭孔结构且综合性能优异的低密度微孔高分子硬质材料，是由聚醚或聚酯多元醇与多异氰酸酯反应并经均匀发泡而制得。具有质轻、电导率低、保温隔热、耐磨、耐油、耐水等特点。其保温隔热性能尤为突出，与表1所列EPS及XPS 板热导率相比，其热导率仅为0.018～0.023 W/mk（25 ℃），约为其一半。除可通过PU板粘贴及机械铆固于外墙外，亦可在施工墙体喷涂或浇注发泡成型。但其氧指数亦较低仅16%～18%，亦为易燃物质，燃烧时会分解释放出HCN、CO、CO2等有毒气体及烟雾，因此阻燃问题同样是这一材料必须解决的重要课题[8]。化学及物理膨胀型阻燃剂和无机、卤系、有机磷类、氮系、有机硼系等添加型阻燃剂以及通过带有阻燃元素的原料经反应引入PU大分子结构的反应型阻燃剂等也都已有较成功的研究。Paciorek-Sadowska 等[9]用 N，N-二（亚甲基环氧基-2-羟乙基）尿素与硼酸衍生物制成含阻燃元素硼的多元醇与二异氰酸酯作用制得的阻燃型硬质PU泡沫塑料，不仅压缩强度显著提高，而且火焰测试表明可以达到自熄级别，燃后残留量可达91.2%，而一般非阻燃型PU板样品只有67.3%。Ali Riza Tarakcilar等[10]研究了聚磷酸铵（APP）季戊四醇（PER）组成的膨胀型阻燃剂的应用效果，发现其分解温度要比PU泡沫板低，遇热分解后在硬质PU泡沫板表面先形成了磷酸及其聚合物而提高了其高温稳定性及阻燃性，试验表明当阻燃剂添加量为5%（mAPP∶mPER=1∶1）时，阻燃及综合性能最好。一些文献也表明如果这一类膨胀型阻燃剂若向大分子化发展，可更好显示其高效复合的优点。最近不少研究还显示硼系及硅系阻燃剂的应用，对PU板的隔热、隔氧、抑烟及防熔滴的综合效应十分显著[6]。

2.3 泡沫酚醛树脂（PF）板

泡沫酚醛树脂（foamed phenolic resin，PF）是由酚类及醛类在催化剂作用下经加成缩合聚合而得的可发性热固性树脂，加上发泡剂、固化剂、表面活性剂等经加热发泡制成树脂板。它具有均匀闭孔结构，表观密度47～65 kg/m3，其热导率低为0.022～0.3 W/mk，绝缘性及保温性好，氧指数为35%～40%，具有突出难燃性，它在火焰中表面可形成石墨保护层，且有发烟量低、无熔融滴落物特点，可在140～160 ℃下长期使用。它还有良好易粘接性、易加工成型性及经济性，因而有“第3代新兴保温材料”之称。许多国家已将泡沫酚醛用于墙体保温。英国普码洛克公司制备的泡沫酚醛防火性能已达英国标准BS476-7的一级，在公用建筑及民居施工后30年不会出现损害事故。美国西碧化学公司长期开发一种泡沫酚醛 “Tripolymer”，已建8个生产厂，且在英、德、澳建立了分厂，作为建筑保温材料已铺装3 600万m2。最近又开发了直接将发泡PF浆料通过喷枪现场喷注的专利技术。这类浆料是改性PF共聚物与固化剂的双组分Tripolymer预聚体。日本已出台法规，将泡沫酚醛作为公共建筑标准耐燃物。在我国虽然用泡沫酚醛生产的保温空调风管系统已在北京“水立方”及地铁等高档公共建筑中应用，但尚未出台相应规范及法规，因而目前在民用建筑外墙施工中还鲜有应用。泡沫酚醛也存在一些缺陷，如脆性大、粉化程度高、强度及热导率受密度影响较大等。国内外围绕其开展的化学或物理共混改性正广泛开展。囤宏志等[13]利用戊二醛改性酚醛并对泡沫酚醛性能的影响进行了研究，因为在分子结构中引入长碳链，改善了树脂中芳核间原有亚甲基相连的结构，使材料脆性和易粉化程度有所改善，提高了韧性。欧阳昆等[14]则分别用聚乙烯醇或柔性聚醚改性酚醛树脂，使泡沫酚醛的压缩强度、韧性、尺寸稳定性等力学性能都有明显提高。黄剑清等[15]研究发现聚氨酯预聚体对酚醛树脂增韧十分有效，异氰酸酯基与羟基的交联和扩链产生了一定的柔性链段降低了脆性。

2.4 泡沫环氧树脂（EP）板

泡沫环氧树脂板是以环氧树脂及固化剂为基材，在固化放热过程中，向体系中添加化学发泡剂分解产生气体（化学法）或添加低沸点液体蒸发为气体（物理法）分散于树脂中浇注或喷涂成型的，还可在液态环氧树脂中添加空心微球固化后制得（空心微球法）。化学及物理法所得泡沫环氧为低密度闭孔结构，而空心微球法所得为高密度闭孔结构，常用于不适合浇注发泡成型的场合。泡沫环氧具有质轻、工艺成熟、力学性能好、耐水及耐化学腐蚀性能优异、热稳定性高等特点，是很好的耐热保温材料，已在机车、电子、宇航及浮力材料中得到应用。作为建筑隔热保温材料使用，具有自熄性，其防火性能大大优于传统使用的EPS、XPS及硬泡沫PU。它不需要像泡沫PF一样低温贮存、高温固化，固化时间短，无需加热，可就地发泡，适用于大面积施工，粘接力强，但防火阻燃性能仍是其最大缺陷[16]。吕平等[17]使用Al（OH）3制得的阻燃泡沫环氧显示了良好的应用前景。同样泡沫环氧的增韧改性亦是必须解决的问题[18]。目前由于成本价格原因，环氧泡沫板尚未得到广泛应用。

3 外墙外保温材料胶粘剂

按照我国实际情况，前述保温材料中，硬泡沫聚氨酯板正在推广应用，应用最多的仍为EPS板和XPS板。按行业标准及外墙外保温复合围护结构具体工艺要求，泡沫板与墙体间粘接用胶粘剂（常辅以机械铆固）及泡沫板面水泥基抹面胶浆（常嵌入补强的玻璃纤维网布）是最主要的胶粘材料，要求其拉伸粘接强度必须大于0.1 MPa，还要求水泥基抹面胶浆的弯曲强度大于7.5 MPa。

近年来合成聚合物的乳液或悬浮液等水分散液及以其为基础的改性砂浆和改性水泥胶凝材料，已得到较广泛应用[1，19， 20]。目前我国市场已有以上述水分散液为主体加入适当添加组分的水分散液胶粘剂、分散液经喷雾干燥制得的可再分散性聚合物干粉料以及将干粉料与水泥、填料等直接混合制得的聚合物干粉砂浆等商品应市，后者均可直接在施工场所加水方便配制应用。

3.1 聚合物水分散液

这是水性胶粘剂的一个重要类别，可通过单体的悬浮聚合或乳液聚合而制得，而用于改性水泥砂浆的乳液，多采用非离子型乳化剂。目前应用最多的仍是乙酸乙烯酯类及丙烯酸酯类的均聚物和共聚物。如聚乙酸乙烯酯、乙酸乙烯酯-乙烯共聚物、乙酸乙烯酯-乙烯-氯乙烯共聚物、乙酸乙烯酯-丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物及长链脂肪酸乙烯酯-乙烯共聚物等。另外还有丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物、丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物、丙烯酸异辛酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物、甲基丙烯酸甲酯-1，3-丁二烯共聚物、丙烯酸丁酯-聚乙烯及丙烯酸丁酯-氯乙烯共聚物等。其他如丁二烯-苯乙烯共聚物、氯丁烯-乙烯共聚物等均有应用。实践表明，丙烯酸酯类聚合物水分散液的耐水性要比乙酸乙烯酯类聚合物水分散液为好。所选聚合物的玻璃化温度（Tg）越低，则其耐水渗透性越好，断裂伸长率也越大，而反之则可使压缩强度增大。共聚物中引入不饱和双键时会使耐候性变差，而引入少量含羧基等亲水性基团（如丙烯酸等极性单体）则可大大改善亲水性及与水泥等的表面亲合力而使粘接效果更好。含氯乙烯的聚合物乳液与水泥等混合时，因易产生游离氯离子而有一定腐蚀性，且搅拌配料时易发生破乳现象。聚合物乳液的最低成膜温度比使用温度高时才会有良好粘接力及力学性能。

除前述多种聚合物水分散液外，水溶性合成聚合物如聚乙烯醇及其缩醛类、聚丙烯酰胺的水溶液亦有应用。水性液态合成聚合物如水性环氧树脂[21，22]及水性聚氨酯[23]由于其优良的粘接性及综合性能，尤其是与水泥等相容性很好，是有良好应用前景的胶种。聚氨酯类聚合物因柔韧性好、耐老化性好、粘接力强、用胶量少等诸多特点，也常用于粘贴XPS板及硬泡沫聚氨酯板。

3.2 可再分散性聚合物干粉料

这种干粉料由聚合物水分散液经喷雾干燥而得，可直接作为商品出售，也可与水泥、填料及各种添加剂配合而成干粉砂浆，在施工现场按一定水灰比加水搅拌均匀即可使用，具有贮运保存方便、操作简单工效高、内聚力及粘接力强诸多优点[24]。目前应用最多的可再分散性聚合物乳胶干粉主要是乙酸乙烯酯类聚合物及丙烯酸酯类聚合物2大体系，如乙酸乙烯酯-乙烯共聚物、乙酸乙烯酯-乙烯-月桂酸乙烯酯三元共聚物、丙烯酸酯-苯乙烯共聚物、丙烯酸酯-乙酸乙烯酯共聚物等，但前3者应用最多，占使用量的80%左右。乙酸乙烯酯-乙烯共聚物的流变性及施工性好，可满足水泥砂浆的多方面要求，且游离的有机挥发物少，无丙烯酸酯体系的异味，粘接性、耐热性、抗皂化性及贮存稳定性皆较突出。

除上述聚合物的选择外，一个综合性能优越的外墙保温材料胶粘剂及改性水泥抹面胶浆，尚需考虑多种添加剂的配合。如从在我国应用较多的德国Wacker公司产品来看，其种类及牌号繁多，各有其最佳适用范围，用于外墙外保温系统时多采用RE5044N，系乙酸乙烯酯系列乳液制得的粉料（与日本原野公司DY5020一致）。但由其专利报告[25]可见，除选择乙酸乙烯酯-乙烯共聚物的乳液外，还精心配合了保护胶体、抗凝聚剂、表面活性剂、增稠剂、消泡剂等等多种添加剂，因而才显示出其最佳综合性能。

4 结语

建筑外墙外有机类保温材料的应用是建筑节能增效技术之一。EPS、XPS、硬泡沫PU板虽有各自优点，但其致命缺陷是防火阻燃性和耐烧蚀性差。泡沫酚醛板及泡沫环氧板虽然价格较贵，但因具有的性能优势而应用前景良好。在建筑外墙外保温体系中使用的水性胶粘剂及以其为基础的水泥基抹面胶浆虽然目前主要使用乙酸乙烯酯类聚合物及丙烯酸酯类聚合物已较成熟，但针对法规及施工工艺技术的具体要求，还需进一步开拓新的综合性能更优异的胶粘系统。水性环氧树脂及水性聚氨酯胶粘剂在外墙外保温系统中也有良好的发展前景。

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Organic external insulation materials for external walls and their adhesives

WANG Hong-zuo，WANG Ying

（College of chemistry and molecular science，Wuhan University，Wuhan，Hubei 430072，China）

Abstract：Exterior insulation construction is considered to be superior then the interior or hybrid insulation construction， but its flame retardant and safety is the major difficult to overcome for its organic materials. This paper describes the commonly used organic building exterior insulation materials， including categories、characteristics and appropriate selection and application of adhesives， and emphasizes its fire and safety performance.

Key words：external insulation material；adhesive；external wall