保温隔热墙体材料的研究现状

陈艳林　尚珊珊　严　明　李宗育　高　威

(1湖北工业大学 材料科学与工程学院，武汉 430068;

2湖北工业大学 湖北轻工业绿色材料重点实验室，武汉 430068 )

保温隔热墙体材料的研究现状

陈艳林1,2尚珊珊1严明1李宗育1高威1

(1湖北工业大学 材料科学与工程学院，武汉 430068;

2湖北工业大学 湖北轻工业绿色材料重点实验室，武汉 430068 )

摘要:保温隔热材料近年来发展迅速，目前已在墙体方面得到大量应用。本文主要概述了有机、无机以及复合保温隔热墙体材料的研究现状，国内有机保温隔热材料主要采用聚苯乙烯泡沫板(EPS)、聚氨酯材料(PU)、挤塑聚苯乙烯泡沫板(XPS)等，无机保温材料主要有泡沫玻璃、泡沫混凝土、岩棉和无机保温砂浆等，有机保温材料和无机保温材料各有优缺点，对比分析表明：复合保温隔热墙体材料将成为一种发展趋势。最后分析了我国保温隔热墙体材料的应用现状。

关键词:保温隔热材料；种类；研究现状

自21世纪以来，大量的能源资源被开发利用，致使能源资源日渐减少，能源危机已越来越严重。建筑节能是一种有效的节能方式[1~4]，它能缓解能源紧张并解决社会经济发展与能源供应不足之间的矛盾[5,6]。因此，保温隔热现已成为社会大众广泛关注的话题之一。研究表明，保温隔热材料通常用于热设备的保温和冷设备的保冷，能有效避免冷热探伤事故。它不仅能节约大量的能量资源，而且还能大大降低因能源燃烧产物对环境的破坏程度，特别是能减轻CO2,SO2,NOx和TSP对大气的污染[7]。采暖和降温的能耗数量在建筑耗能(包括建筑采暖、降温、电气、照明等)中所占得比例最大，不同阶段的节能和各部分的围护结构耗能分布不一样[8]，当建筑节能达到50%时，围护结构的各部分耗能量属外墙和屋面的耗能最高。我国北方建筑能耗占全国建筑能耗的20%以上，其中墙体传热在建筑物总体传热中的比例最大[9]。所以，墙体材料的保温隔热势必成为建筑节能的首要任务，开发并应用高效的保温隔热墙体材料是保证建筑节能的行之有效方法。据相关文献[10~12]报道，在墙体保温材料上的投资能在1年左右的时间可以收回。西方国家认为保温隔热墙体材料在实施建筑节能的各项措施中效率最高。

保温隔热材料是指对热流具有显著阻抗性的材料或复合体，其导热系数不大于0.2W/(m·k)[13]。一般而言，保温隔热材料有许多共同特点，包括轻质、疏松、呈多孔状或纤维状以及内部不流动的空气阻隔热传导等。其中，无机材料具有使用温度宽、不燃、耐化学腐蚀性较好等优点；而有机材料则具有强度较高、吸水率较低、不透水性好等优点。

1保温隔热材料常见种类

根据原材料的不同，当前墙体保温隔热材料大致可以分为三种类型：有机保温隔热材料、无机保温隔热材料和复合保温隔热材料。

1.1　有机保温隔热材料

国内有机保温隔热材料主要采用聚苯乙烯泡沫板(EPS)、聚氨酯材料(PU)、挤塑聚苯乙烯泡沫板(XPS)等。EPS,PU和XPS都是有机高分子材料，均属于B2级可燃材料，极易被引燃。其性能对比如表1所示。根据公安部、住房和城乡建设部公通字[2009]46号《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》的要求：“民用建筑外保温材料宜为A级，且不应低于B2级”。

(1)EPS保温系统由于具有低导热系数，高强、防水、防渗等优异性能，在旧房改造中具有极大的吸引力，并且作为建筑保温隔热材料仍然具有巨大的应用潜力和广阔的发展前景[14,15]。

(2)PU保温材料保温性能在有机保温隔热材料中相对较好，其隔音、耐老化、一定的抗潮等特性也被人们称道；它在加工成形前是液体，这一独特的加工方式，大大减少了运输成本，具有很好的应用经济性。但由于技术要求较高且外墙强度较差、不可撞击等特点，因此目前市场使用率较低，仅占我国外墙保温市场的5%。

(3)XPS保温材料具有优异的保温隔热性能、良好的抗湿性、良好的阻燃性能和抗蒸汽渗透性，它不仅适用于保温有特殊要求的建筑，也可用于石材或外墙饰面材料为面砖的建筑。但其粘贴力和系统表面的平整度仍存在部分缺陷[16]。

有机保温隔热材料种类繁多，经过近几十年的发展，工程应用技术相对已经比较成熟，在我国北方已有较长的使用历史，生产与施工技术都已经成熟，在市场上已占主导地位，其他保温材料及保温体系很难在短时间内完全取代它。其化学组成决定了这类保温材料具有很好的保温隔热性能，与无机保温隔热材料相比具有质量轻、导热系数小、吸水率低等优点。但同时也存在着先天性的缺陷：作为外墙保温材料防火性较差，需要选择有效的阻燃剂来增强有机保温材料的阻燃性[17]；其变形系数大，在使用过程中极易发生形变、成本高、使用寿命短、污染环境、工艺程序十分复杂，且与墙体砖结合较为困难、强度低、变形系数大、存在较大的安全隐患，抗老化能力较差；生产该材料所用的原材料对环境具有一定的破坏性，生产所需的资源有限，废气容易引起“白色污染”并且难以再循环利用，与倡导的新型环保材料背道而驰[18]。

表1　几种常见有机保温隔热材料的性能对比[19~22]

1.2　无机保温隔热材料

目前无机保温材料主要有泡沫玻璃、泡沫混凝土、岩棉和无机保温砂浆等，泡沫玻璃、泡沫混凝土、岩棉和无机保温砂浆均属于A级不燃，其性能对比如表2所示。

表2　几种常见无机保温隔热材料的性能对比[24~28]

(1)泡沫玻璃具有良好的隔热性能，不燃烧，能在-268~482℃温度范围内正常使用，具有较高的机械性能，且易于加工、切割或黏结成各种形状制品，可以用于建筑外墙保温板、防火隔热带、层面防火保温板、在特殊条件下工作的复合隔热系统、流体换热系统的保温等。但由于泡沫玻璃存在机械强度低、能耗大等一系列缺点，而没能得到广泛应用。

(2)泡沫混凝土具有保温隔热性能好、隔音耐火性能高、生产加工方便、环保性能好等优良性能，一直以来被广泛研究，现已大规模用于泡沫混凝土保温层现浇、泡沫混凝土轻质墙板、泡沫混凝土面板、泡沫混凝土补偿地基。近年来，泡沫混凝土以其A级不燃保温材料的优势得到了应用。

(3)岩棉是一种非常优质的保温材料。岩棉保温材料具有良好的保温隔热、隔声、吸声、透气性能以及高防火特性[23]；与传统的无机砂浆类保温材料相比，拥有密度小、导热系数低等特点；且具有不易燃烧、无毒、防火等优点，广泛应用于热交换器、管道贮罐、锅炉、车船等工业设备。但岩棉纤维以及粉尘颗粒对于人体肺部以及皮肤有一定的刺激性并且还具有对人潜在的毒害性，因此未能得到广泛应用。

(4)无机保温砂浆具有防火防冻、保温隔热、耐老化、强度高、节能环保等优异性能，而且价格低廉，在我国保温材料市场占有率较高。可直接涂抹于墙体表面，也可以与其他材料形成复合保温材料。但由于该材料容重偏差较大、保温隔热性能偏低、吸水率较大等，限制了其发展应用。

无机保温隔热材料目前仍处于发展阶段，到目前为止，无机保温材料是应用效果最好、最理想的保温材料。与有机保温材料相比，不仅具有防火性好、阻燃性强、变形系数小、抗老化能力强、性能稳定等优势；而且在施工过程中与墙基面和抹层面能更好的结合，材料的使用过程中安全系数更高；而且其耐久性和强度更高、使用寿命长、施工工艺简单、施工成本相对较低、满足生态环保要求、可实现循环再利用。但是，无机保温隔热材料与新兴材料相比，具有一些不足之处：保温性能相对较差、占地面积大、抗撞击和受压强度差、吸湿性大等[29]。

1.3　有机无机复合型保温隔热材料

有机保温材料性能较好，导热系数低，但防火性能差，因此近年来频频发生建筑火灾，我国先后已有几个城市的大楼起火都是由有机保温材料引起的，给人们的生活带来了巨大的影响和大量的财产损失。因此不燃的无机保温材料倍受人们青睐，但是无机保温隔热材料虽阻燃性高，却存在吸水率大、容重大、造价较高、制备周期长等缺点，因而更多的应用于国家重点项目，应用范围相对较小，难以大规模推广。由此，新兴了一种新型保温隔热材料—有机无机复合保温隔热材料。目前大致有三种复合型保温隔热材料，即复合型硅酸盐保温隔热材料、中空陶瓷-乳液复合型保温隔热材料和泡沫塑料-硅酸盐复合保温隔热材料。

(1)复合型硅酸盐保温隔热材料

复合硅酸盐保温材料导热系数低、热稳定性好、无毒、不腐蚀设备、防水性好、使用寿命长、力学性能好，并且施工方便，主要应用于常温下建筑屋面、墙面等的保温隔热以及石油、化工等领域的热力设备和管道的保温隔热，还能应用于烟囱内壁和炉窑外壳的保冷。日本东京发明了一种高效多孔陶瓷隔热材料[30]。这种材料不仅克服了有机隔热材料和无机隔热材料的不同缺陷，而且还具有不燃、不吸湿、抗折强度高、耐用、易于加工成型等优点，能广泛用于干燥室、工业窑炉、建筑隔热等。

(2)中空陶瓷-乳液复合型保温隔热材料

中空陶瓷-乳液复合型保温隔热材料主要由一些悬浮于惰性乳胶中的微小陶瓷颗粒构成，具有低导热系数、低蓄热系数等热性能，和优良的隔热反射功能。在国外，该材料已经从航天领域发展到民用建筑以及工业领域中[31]。国内北京志盛威华化工有限公司早已研制出了一种ZS-211反射保温隔热涂料，它具有高反射率，低导热系数,低蓄热系数等热工性能，是一种隔热保温、防潮阻燃、绝缘防火、高附着、长寿命、无异味、隔音环保的节能涂料。

(3)泡沫塑料-硅酸盐复合保温隔热材料

泡沫塑料与其他材质所构成的复合材料不仅具有良好的保温隔热性能，而且还具有很多优异性质，现已被广泛应用于化工生产、能源输送以及食品工业等领域。龙志勤等[32]以聚苯乙烯泡沫塑料板为主要原料，研制出了一种屋面防水保温隔热板。该板具有保温隔热与防水的性能，非常适用于屋面防水与保温隔热铺设。胡冰彬等[33]制得了一种超低密度的有机-无机复合泡沫玻璃保温隔热材料。该材料相比于低温泡沫玻璃板和传统泡沫玻璃孔径结构更均匀、孔径更小、抗压强度更高，是一种具有广泛应用前景的多孔保温隔热材料。徐峰等[34]以膨胀聚苯乙烯颗粒、膨胀玻化微珠作为保温隔热骨料和P.O42.5作为胶粉料，制得了一种性能优异的无机-有机复合型保温浆料，导热系数是0.062W/(m·k)，可用于外墙外保温系统。

复合材料具有施工难度小、工程成本低、抗火阻燃性好、并行系数小、保温隔热性能好、抗老化性能强、耐久性强、原材料来源广泛、生产过程中的能耗低、符合生态环保的要求，可以实现资源的循环利用等优点。对于复合保温隔热材料的生产工艺、施工方法以及应用效果上值得在实践中去完善和验证。

2我国保温隔热墙体材料的应用现状

国外的保温材料工业历史悠久，主要应用于建筑领域，美国1987年以来建筑保温材料的使用占所有保温材料的81%左右[35]。而我国在这方面起步较晚，自改革开放以来，我国保温隔热墙体材料得以迅速发展，其中主要包括：矿物棉、聚苯乙烯泡沫板、聚苯颗粒保温料浆等。其中矿物棉具有防火性能好、价格低廉以及兼有隔声功效等优点；但由于其存在抗拉强度低、耐久性比较差等不足而未能在市场得以大量应用。聚苯乙烯泡沫板作为保温材料虽然具有良好的保温效果；但由于板材施工的特点，使得其不适宜于外形较为复杂的建筑物保温，施工工艺较复杂且成本高。聚丙板具有憎水性，与常规的亲水性材料不适应，使得面层砂浆容易出现开裂、脱落、空鼓等质量问题，这对建筑物的外装饰构成了很大的制约，因此也未能在市场上得以广泛应用。

我国幅员辽阔，生产力发展不平衡，资源分布不均匀，同时地区气候差异明显，各地区对保温墙体的需求也相差较大，这使得我国保温隔热墙体材料的使用情况因地区不同而有很大差异，市场应用率也相对较低。我国正在大力促进新材料的发展，相信《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》的提出，将能有效的促使保温隔热墙体材料沿着高性能、高效率、高环保方向不断的发展。

3结语

近年来，保温隔热墙体材料发展十分迅速，这与国家出台的一系列优良政策是分不开的。其中，有机保温材料和无机保温材料各有优缺点，纵使现在各自的应用范围和领域不同，也不能断定哪一种材料将会取代另一种材料。我们应努力实现两种材料的优势互补、各取所长，发展复合保温隔热材料，这是当今保温隔热墙体材料的发展的一个方向。不仅要努力发展复合保温隔热材料，而且还要重视向资源节约型、环境友好型的新兴材料发展，努力实现环境资源、功能效应、产品技术综合效益的丰收。

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Research Status of Thermal Insulation Wall Materials

Chen Yanlin1, 2Shang Shanshan1Yan Ming1Li Zongyu1Gao Wei1

(1School of Materials Science & Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068;2Huber Provincial Key Laboratory of Green Materials for Light Industry, Hubei University of Technology, Wuhan 430068)

Abstract:Thermal insulation materials, being widely used in the wall, have been rapidly developed, recently. The current state of organic, inorganic and composite thermal insulation wall materials researches are summarized in the work. Domestic organic thermal insulation materials mainly adopts polystyrene foam board (EPS), polyurethane (PU), extruded polystyrene foam board (XPS) and so on, and the inorganic heat preservation material with foam, foam concrete, rock wool and glass inorganic insulation mortar, etc. There are advantages and disadvantages of organic and inorganic thermal insulation materials and we predict that composite thermal insulation wall materials will become a development trend through comparison. Finally, the application of thermal insulation wall materials in China is introduced.

Keywords:thermal insulation materials;categories;research status

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.03.005

作者简介：陈艳林(1970~),女，硕士.主要从事MAX陶瓷及其梯度复合材料制备、结构与性能表征与功能化的研究.

基金项目：大学生创新训练项目(201410500016)；湖北省自然基金(2012FFB00608)；湖北省教育厅重点项目(D20131406).