绝热保温材料研究进展

凡双玉 韩卫济

摘 要：文章在综合迄今为止绝热保温材料的研究、生产和应用方面研究的基础上，重点介绍了聚丙烯泡沫、聚异氰脲酸脂泡沫、纳米气凝胶等几种新型环保型绝热保温材料，并对其研究进展和应用进行了总结。

关键词：绝热保温材料；环保；聚丙烯泡沫；聚异氰脲酸脂泡沫；纳米气凝胶

1 概述

绝热材料是指在平均温度等于或小于623K（350℃）时，热导率小于0.14W/（m·K）的材料[1]。绝热材料又称为保温或保冷材料[2]。航天领域中热力设备及管道用保温材料多为无机绝热材料，具有不腐烂、不燃烧、耐高温等特点；普冷下的保冷材料多用有机绝热材料，具有极小的导热系数、耐低温、易燃等特点。前者主要发展了石棉、玻璃纤维、泡沫玻璃、硅酸钙材料体系，后者主要发展了聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、酚醛树脂泡沫材料体系。随着绝热材料使用行业的迅速发展，传统绝热保温产品已不能满足社会和工业需求，近些年来，既有保温材料不断升级完善，新型环境友好型保温材料应运而生，绝热保温材料的组成体系和性能特点也正在逐渐的扩大化。

2 绝热保温材料发展现状

2.1 泡沫塑料保温隔热材料

泡沫塑料作为一种重要的有机保温隔热材料主要有聚苯乙烯、聚氨酯、酚醛泡沫塑料三种。有机类保温材料具有导热系数低、吸湿性小、容重轻、价格便宜等优点；缺点是不耐高温、亲和性较差、易燃等。目前应用比较多的是聚氨酯泡沫塑料（PU）、聚苯乙烯泡沫塑料（PS）和酚醛（PF）泡沫塑料。

聚氨酯泡沫塑料由含有羟基的聚醚树脂或聚酯树脂与异氰酸酯反应构成聚氨酯主体，由异氰酸酯与水反应产生CO2气体，或用低沸点氟氯烃受热气化而成，闭孔率可高达92%。聚氨酯泡沫塑料一般可分为：硬质泡沫塑料、软质泡沫塑料、半硬质泡沫。其中硬质泡沫塑料制品热导率低、质轻，广泛用作保温隔热材料，具有优异的抗水渗透性、机械强度和抗老化性。

聚苯乙烯泡沫塑料板，是以聚苯乙烯树脂为基料，加入一定剂量的含低沸点液体发泡剂、催化剂、稳定剂等辅助材料，经加热后使可发性聚苯乙烯珠粒预发泡，然后在模具中加热而制得的一种具有密闭孔结构的聚苯乙烯泡沫塑料。聚苯乙烯泡沫塑料类是目前使用最普遍的一种保温隔热材料，聚苯乙烯泡沫塑料制品具有质轻、吸水性小、保温隔热性能良好，吸声良好、价格低的性能。

酚醛树脂泡沫保温材料是由酚醛齐聚物通过交联发泡制成的。酚醛树脂分为热固性树脂和线型酚醛树脂两类。具有导热系数低（近期已经研制出导热系数仅为（0.0175 W/（m·K））的酚醛泡沫塑料）力学性能好、尺寸稳定、吸水率低、耐热性好、电绝缘性优良、难燃、良好的耐酸性和耐溶剂性等优点，尤其适合于某些特殊场合作隔热保温材料或其他功能性材料。其优异的防火阻燃性是以上两种泡沫塑料无以媲美的，它可以长期在130℃下工作，抗火焰穿透时间可达1h以上。酚醛树脂与其它材料共混改性，可以制备出性能极优良的复合保温材料，如密度小于50kg/m3的泡沫玻璃为填料的玻璃酚醛泡沫塑料极限抗压强度可达0.16MPa，使用年限可超25年。酚醛泡沫均匀的细孔结构，决定了它的导热能力小。不管在0℃以上还是以下，导热系数都随着温度的升高和平稳的升高，因而在实际应用中表现出特优的绝热和绝冷作用。如表1对几种常用保温隔热材料的性能进行了对比。

2.2 复合硅酸盐保温材料

复合硅酸盐保温材料具有导热系数低、可塑性强、耐高温、收缩率小等特点。主要种类有硅酸镁、硅镁铝、稀土复合保温材料等。而近年出现的海泡石保温隔热材料作为复合硅酸盐保温材料中的佼佼者，海泡石保温隔热材料是以特种非金属矿物质-海泡石为主要原料，辅以多种变质矿物原料、添加助剂，采用新工艺经发泡复合面而成。该材料无毒、无味，为灰白色静电无机膏体，干燥成型后为灰白色封闭网状结构物。其显著特点是导热系数小，温度使用范围广，抗老化、轻质、隔音、阻燃、施工简便、成本低等。广泛应用在石油、化工、电力、冶炼、交通、轻工与国防工业等部门的热力设备，管道的保温隔热和烟囱内壁、炉窑外壳的保温（冷）工程中。

2.3 玻璃棉制品保温材料

玻璃棉是以硅砂、石灰石、萤石等矿物为主要原料，熔化后经过特殊工艺将熔融玻璃液制成无机纤维。质轻，导热系数为0.034W/（m·K），是非燃材料，最高使用温度300℃，抗老化，不溶于水和有机溶剂，但缺点是吸水率大，须防水处理。玻璃棉使用寿命较短，它受潮后易变形，即使风干后也不能恢复至原来的性能。在由于成本低廉、施工方便，是空调工程中较为广泛使用的一种保温材料。

2.4 泡沫玻璃保温材料

泡沫玻璃是由定量的碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和促进剂等，经过细粉碎混合均匀后、放入到特定的磨具中，经过预热、熔融、发泡、退火等工艺制成的多孔玻璃。是一种性能优越的绝热（保冷）、吸声、防潮、防火的轻质高强建筑材料和装饰材料，泡沫玻璃的工作温度范围为-200～+430℃、导热系数为0.058W/（m·K），膨胀系数较小（8×10℃），且可逆，因此材料性能长期不变，不易脆化，稳定性好。

3 新型环境友好型保温绝热材料

3.1 聚丙烯泡沫保温材料

聚丙烯发泡材料以其优良的力学性能和环保性能，引起了广泛的关注。聚丙烯发泡材料具有优良的耐热性，使用温度范围-20℃～+150℃；作业温度下的制品尺寸稳定，优良的力学性能弯曲模量高，具有良好的耐冲击性能；环境友好性出色，燃烧时无毒气放出，可自然光降解，易于回收；具有优良的耐化学腐蚀性，但聚丙烯是一种结晶聚合物，其发泡只能在结晶熔点附近进行，超过熔点熔体粘度迅速下降使发泡成型非常困难。

BASF公司的Neopolen P系列泡沫塑料的粒子呈球状，以非交联闭孔为主要结构。这种结构制造的制品质量轻，吸收冲击载荷的能力强，形变后回复率高，吸水率低，耐腐蚀性好，耐热及隔热性强。Neopolen P系列粒子密度为20～85kg/m3，不含氟利昂等有害发泡剂，可用于接触食物，干净的回收料可再次回收利用。

Sentinel公司正在与Dow化学公司合作生产Strandfoam的PP发泡板，采用共挤出方法，先挤出多层发泡片材，然后迅速冷却使其坚硬而且高度取向，制得密度 0.1～0.5g/cm3以及厚度1～3.5mm的聚丙烯片材。这些片材可以用于食品或肉品包装，还可以用于制作薄壳制品、各种器皿（盘、碟、碗、盒等），以及汽车中的消音和绝缘材料等用的内插件。此外，用共挤出方法将发泡层和密实的覆盖层相结合，可以得到十分良好的表观质量和更好的柔韧性；光洁的表面也改善了表面的光学性能和印刷性。这种板可以用作冲浪板。该公司正在开发其在绝缘和汽车上的应用。

Packaging Trays公司已经在旋转热成型机上热成型发泡PP片材。PP泡沫除了价格上低廉，其还可在微波炉中安全使用。该公司采用化学交联剂生产的发泡PP片材密度为0.5g/cm3在工业中的应用主要是在汽车工业上，如地毯背衬材料、遮光板、门衬和行李架等。

目前国内在硬脂酸钡对聚丙烯发泡过程的影响及其机理等方面曾有过一定的研究，但总体上，在聚丙烯发泡技术方面的研究与实际应用中需要的水平仍相差很远。聚丙烯良好的耐应力开裂性能，使PP从挤出到热成型加工成本低于PS， 因此PP发泡制品备受人们的青睐。聚丙烯发泡材料，尤其是发泡片材在我国有着广泛的应用前景。

3.2 聚异氰脲酸脂泡沫保温材料

聚异氰脲酸脂泡沫塑料（PIR），由异氢酸醋为主要原料，加入催化剂等其它辅料通过自聚反应发泡而成的高分子化合物，如图1所示，该分子结构中含有异氰脲酸脂环，形成封闭的多孔结构。PIR节能保温板，不仅不含氟利昂、甲醛、游离苯等有害物质，还具有防火和高保温功能，保温效果比聚氨酯泡沫提高了30%左右，更是聚苯板、酚醛板、玻璃棉的两倍，导热系数低达0.018W/（m·K）（25℃），是新一代环保型保温材料。

PIR节能保温板拥有十分优异的防火性能，机理是通过添加复配反应型的阻燃剂或采取异氰酸酯过量三聚反应原理，在聚异氰脲酸酯环状分子结构中引入了大量的聚氨酯分子链段，使得阻燃剂渗透到分子结构凝聚相中，从分子架构层次上提高泡沫的阻燃性能，遇火时阻燃剂可阻止CO氧化为CO2，对凝聚相形成一层薄的玻璃状液态保护膜，隔绝或降低了氧气扩散和气相与固相之间的热量传递，从而抑制了炭的氧化，阻碍火焰向泡沫内部燃烧，且发烟量低，刺激小，无融滴现象，本体几乎无明火。PIR泡沫兼具更超越了聚异氰脲酸酯和聚氨酯两种材料的全部优异性能。经DOW实验室、中国科学院理化技术研究所低温实验室测试PIR节能保温板的允许工作温度范围为-265℃～+205℃，物理性能稳定，无变形、融塌、鼓泡现象发生。

3.3 纳米气凝胶保温绝热材料

一般所说的纳米气凝胶为二氧化硅（SiO2）气凝胶，由 SiO2网络骨架和填充在纳米孔隙中的气体构成的一种高分散固体材料。由于SiO2气凝胶的密度仅为 30～100kg/m3，并具有 80%以上的孔隙率，因此，常温下SiO2气凝胶的热导率仅为0.102W/（m·K），最高可耐1600℃的高温。是一种典型的轻质、高效隔热材料，在航空航天、能源、化工等众多领域中得到广范应用，也是一种最理想的新型节能和环保材料。

美国“旋翼飞行器的轻质隔热材料研究（LTIR）”以及“气凝胶与航天器生存能力（ARIAS）”研究计划在AATD和JTCG基金资助下开展了研究，制备了温度在350℃～1000℃性能优良的多孔纳米气凝胶。与传统绝热材料相比，质量更轻、厚度更薄、体积更小的纳米孔超级绝热材料可以达到与之等效甚至更好的隔热效果。

美国国家宇航局（NASA）Ames研究中心开发了陶瓷纤维-气凝胶复合防热瓦，复合后的航天飞机绝热瓦与原隔热瓦相比，导热系数大幅度下降，强度大大提升，对航天器的隔热性能比现有防热瓦提高10～100倍。NASA艾姆斯研究中心的研究表明，这种新型气凝胶防热瓦可用于未来重复使用航天器和燃料箱隔热层中。它能有效地透过太阳光，并阻止环境温度的红外辐射，是一种理想的绝热透明太阳能采暖材料。在美国发射的火星探测器上，气凝胶被用作保温材料，对火星表面机器人的电子仪器设备起到保温作用。

广州英德埃力生公司生产了一种以二氧化硅气凝胶为主原料复合的气凝胶毡，环保、柔韧、可抑制辐射、可灵活施工的气凝胶毡，其导热系数极低，可应用于-200℃到1000℃温度范围的保温隔热，是世界上最为先进的新型节能保温材料之一。

4 结束语

另外，随着科学技术的飞速发展，人类社会的不断进步，人们自我保护意识的不断增强，开发科技含量高、性能高且稳定、环境友好型保温绝热材料必定是国内外发展的重点及热点。

参考文献

[1]王强，杨林，刘敏.聚氨酯制品的应用现状及发展趋势[J].辽宁化工，2003，32（7）：289-290.

[2]朱吕民，刘益军，等.聚氨酯泡沫塑料[M].第三版.北京：化学工业出版社，2004：1-2，393.

作者简介：凡双玉（1987-），女，助理工程师，专业：高分子材料。