节能型高分子材料在建筑工程领域的应用

汪华莉（泸州职业技术学院，四川省泸州市 646005）



节能型高分子材料在建筑工程领域的应用

汪华莉
（泸州职业技术学院，四川省泸州市 646005）

摘 要：综述了节能型高分子材料的类型、特征及其在建筑工程领域的应用现状及前景。大部分直接节能型高分子材料通过提高室内保温效果来降低能耗；功能性节能或储能高分子材料，以聚合物太阳能电池为代表，通过利用洁净可再生资源产能或储能，从而为室内提供能源；间接节能型高分子材料主要通过延长材料使用寿命和降低材料制备成本来降低能耗。这些高分子材料应用于建筑工程中，可有效减少室内供暖和制冷的能源消耗，进而实现建筑行业的节能改造。

关键词：高分子材料 节能 直接型 间接型 功能性 建筑工程

建筑行业是一种高耗能的产业，其年平均能耗占全球产业总能耗的30%～40%。目前，我国既有建筑面积超过500亿m2，其中，高耗能建筑占90.0%以上，城镇建筑中只有23.1%为节能建筑。近年来，我国年新增建筑面积约为20亿m2，其中，节能型建筑面积的比例少于20.0%。随着科技的发展和高分子材料种类的丰富，越来越多的高分子材料应用于建筑行业，有些高分子材料具有与无机材料或金属材料相媲美的力学性能，有些材料具有保温、节能、储能等优异性能。在大力提倡节能环保主题的时代，节能型高分子材料在建筑行业起着举足轻重的作用。本文主要综述了应用于建筑工程的直接节能型高分子材料、间接节能型高分子材料以及功能性节能或储能高分子材料的类型、特性及应用现状。

1　直接节能型高分子材料

用于建筑外墙的结构保温材料或保温涂料，不仅需要具有良好的保温效果，还必须具有优异的防水、防火性能，以及化学稳定性好、膨胀率低、使用寿命长等性能。常用于建筑外墙的保温高分子材料有聚氨酯、酚醛树脂以及高分子包覆的相变复合材料，这些高分子材料不仅可以同时满足建筑的保温效果和安全性能，还具有施工简便等特点。

硬质聚氨酯泡沫塑料具有90%以上的闭孔率，孔洞中封闭二氧化碳和一氟二氯乙烷等低导热率的发泡剂。聚氨酯在现场喷涂完成后导热率一般为0.020 W/（m·K），老化后稳定的导热率可维持在0.023 W /（m·K），保温效果是其他材料无法媲美的；聚氨酯材料具有良好的疏水性，其闭孔率较高，水分不易进入材料内部，具有优异的防水性能，可以防止材料遇水膨胀，保证其尺寸稳定性；另外，硬质聚氨酯泡沫塑料具有十分优异的黏附性能，其与金属板、混凝土、木板、胶合板、纤维板等的黏附强度远大于聚氨酯泡沫的撕裂强度，在建筑施工时操作方便，对施工环境要求低；但聚氨酯的氧指数较低（约为17%），而建筑工程中保温材料的氧指数要求大于26%，尤其是2012年上海特大火灾之后，国家对建筑保温材料的防火性能更加重视，部分地区将材料的氧指数提高到32%。复合阻燃剂的成功研制，提高了聚氨酯的阻燃性能。红宝丽集团股份有限公司研制的阻燃型聚氨酯泡沫塑料的氧指数达26%以上，并于2003年成功研制出氧指数大于32%的高阻燃型聚氨酯泡沫塑料［1］。

由于传统的聚氨酯、聚苯乙烯类等保温材料易燃，因此，以酚醛树脂为主的第3代保温材料逐渐发展起来。酚醛树脂具有优异的耐燃性、隔热性及较低的发烟量和毒性，但酚醛树脂较脆导致其施工困难，在一定程度上限制了其在建筑工程领域的应用。为克服酚醛树脂的力学缺陷，国内外研究学者开始着重于提高其力学强度和韧性的研究，主要以共混型酚醛树脂和夹层型酚醛树脂为主。共混型酚醛树脂以酚醛树脂为基体材料，用碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、木纤维、蒙脱土、纳米二氧化硅、麦芽糊、脲醛树脂等填充来提高材料的力学性能，采用不同尺寸和不同类型填充物复合的酚醛树脂的力学性能均有不同程度提高：碳纤维可以有效阻碍树脂中裂纹的扩展［2］，麦芽糊和脲醛树脂可以有效改善酚醛树脂的脆性和抗压强度［3］，亲水性A200纳米二氧化硅可以有效增强酚醛树脂［4］。夹层型酚醛树脂可以为基体提供骨架支撑，进而提高厚度方向的压缩强度，用于增强的材料主要有金属板、蜂窝材料和树脂浸润的纤维材料。用Nomex纸蜂窝增强的酚醛树脂泡沫，导热系数为0.045 W/（m·K），阻燃等级达B-2级，120 ℃条件下经8 h固化后，平压强度达4.07 MPa，横向剪切强度达1.42 MPa，纵向剪切强度达1.56 MPa［5］。

高分子相变保温材料主要采用力学性能较好的聚合物形成交联网络，然后与相变材料共混。由于液-固型相变材料的相转变温度通常为20～30℃，是人体感觉舒适的温度，所以高分子包覆的相变保温材料中一般使用液-固型相变材料。以石蜡为相变材料，聚乙烯、聚氧化乙烯、乙烯-乙酸乙烯共聚物、聚乙二醇等高分子材料为基体进行共混，可以得到稳定性、耐热性和力学性能优良的相变材料［6-7］。20世纪末期，德国首先制备了相变保温隔热材料，并成功应用于建筑工程领域［8］。目前，我国主要在常规保温隔热材料中使用相变材料，而且在保证材料本身力学性能和使用寿命的前提下，期望提高材料的保温性能和热稳定性。

2　功能性储能或节能高分子材料

应用于建筑工程领域的功能性储能或节能高分子材料以聚合物太阳能电池和热致变色型高分子材料为主。聚合物太阳能电池是将光能转化为电能并储存起来，为室内提供电力支持，可应用于屋顶、外墙、玻璃等；热致变色高分子材料是一种对温度敏感的高分子材料，属于典型的功能性节能材料，主要用作建筑的屋顶和外墙涂料。

在聚合物太阳能电池问世之前，被人们广泛认知的是多晶硅和单晶硅太阳能电池。与多晶硅和单晶硅太阳能电池相比，聚合物太阳能电池质量轻，可加工成柔性太阳能电池器件，无污染，成本低，广泛应用于建筑工程领域［9-13］。发展初期，聚合物太阳能电池的使用寿命较短，光电转化率也较低。1990年，Burroughes等［14］制备了聚对苯乙炔，促进了共轭聚合物在太阳能电池领域的发展和应用。经过近20多年的发展，聚对苯乙炔和富勒烯所构成的本体异质结型太阳能电池器件已具有较高的光电转化效率（4.00%～5.00%）。近年来，以聚3-己基噻吩为代表的噻吩类聚合物、含苯并噻二唑单元的共聚物为代表的聚芴类材料以及含吡啶和N-十二烷基吡咯重复单元等低能带间隙聚合物为主的电子给体材料发展迅速，用其制备的太阳能电池具有较高的发光效率。另外，聚合物电子受体材料的发展也在很大程度上推动了太阳能电池的应用，聚合物电子受体材料能够较好地与给体材料相容，并且存在一定程度的相分离，产生的激子分裂界面会形成无数个异质结，极大提高了有效分离界面，从而提高光电转换效率。其中，电子受体材料以杂环形聚合物和梯形聚合物为主，杂环形聚合物［如聚（1，1-二溴-2-甲氧基-5-（2-乙基己氧基）二甲苯-对苯撑乙烯撑、聚（2-甲氧基-5-十二烷氧基）-对苯撑乙烯撑等］溶解性较差，更利于制备双层P/N异质结型太阳能电池；梯形聚合物的耐高温性能较好且光学性能独特，如平面结构的苯并咪唑-苯并菲咯啉共聚物具有优异的光学性能，而且其独特的结构更利于电子传输，是一种理想的N-型半导体材料。国内外研究者通过对聚合物太阳能电池光电转换机理的研究，聚合物太阳能制备材料的开发、活性层形貌的调控以及聚合物太阳能电池制备技术和工艺的优化，使聚合物太阳能电池的光电转换效率和使用寿命得到了很大程度提升。在中型生产线上，光电转换效率超过7.00%的聚合物太阳能电池便可以投入使用，早在2009年，美国Solarme能源公司便研制出了光电转化效率为7.90%的聚合物太阳能电池。与多晶硅和单晶硅太阳能电池相比，虽然聚合物太阳能电池的光电转换效率较低，但其生产成本和能耗低10%～20%，间接节省了建筑工程行业的能耗。2011年，Dou Letian等［15］将多个具有不同吸收频段的电池串联起来，制备了新型串联型太阳能电池，这种串联型太阳能电池的光电转换效率达8.62%。2012年，日本Sumitomo Chemical公司的研究人员在该“串联”的基础上集成了一种新的红外吸收高分子材料，经美国能源部下属的国家可再生能源实验室认证，其光电转换效率可达10.60%。近年来，聚合物太阳能电池的光电转换效率不断提高，2014年，澳大利亚设计师设计的绿叶型聚合物太阳能电池的光电转换效率已达11.00%以上，而且这种太阳能电池使用方便，将其贴于房间的玻璃窗上即可储存电能供室内使用，极大推进了聚合物太阳能电池在建筑工程领域的应用。

热致变色高分子材料的研究比聚合物太阳能电池材料成熟得多［16-18］。一般情况下，热致变色高分子材料均具有一个相转变温度，在相转变温度附近，聚合物发生结构或性能的变化，从而使聚合物的颜色随之变化。如液晶高分子随温度变化发生温致溶晶、内酯类化合物发生开环或闭环反应、丙烯酰胺类聚合物氢键及范德华力的相互转变及相转变等。聚N-异丙基丙烯酰胺是一种热致变色高分子材料，其相转变温度约为31.5 ℃。在相转变温度以下，聚N-异丙基丙烯酰胺内部氢键的密度比范德华力的密度大，聚合物显黑色；而当温度升至相转变温度以上后，聚N-异丙基丙烯酰胺内部的氢键逐渐转变为范德华力，聚合物显白色。将聚N-异丙基丙烯酰胺用于建筑物的屋顶材料或外墙涂料时，温度较低的冬天呈黑色，可提高建筑物的热量吸收，起保温作用；而当温度较高的夏天则呈白色，提高建筑物表面的热量反射，起到降温作用［19］。与未应用这种热致变色高分子涂料的建筑相比，该节能型建筑冬天的室内温度要高2℃左右，而夏天室内温度要低1 ℃左右，极大降低了室内冬天供暖和夏天制冷所需的能耗。

3　间接节能型高分子材料

间接节能型高分子材料是通过降低材料生产成本，提高材料使用寿命等方式实现能源的节约或通过改善传统高分子材料的耐水性、化学稳定性、耐老化性、抗菌性、可加工性等来达到节能的目的。

提高水性聚氨酯保温涂料的交联度、制备超支化水性聚氨酯或纳米粒子复合型水性聚氨酯涂料，可以有效提高材料的耐水性，从而提高聚氨酯涂料在高湿度环境下的稳定性［20-22］。以纳米银、纳米二氧化钛、纳米氧化锌复合的高分子杂化材料以及末端为季铵盐、季磷盐及吡啶盐烷烃长支链的高分子材料具有一定抗菌性能，将这些高分子材料应用于外墙或内墙涂料、管道等，在高湿度的工作条件下可以改善材料本身易霉变的性能，从而提高材料的使用寿命［23］。缩短材料的成型时间或降低材料的成型条件也是间接降低能耗的一种手段，紫外光固化的涂料固化速率快，且力学性能、光学性能和稳定性优良，是一种应用前景广泛的高分子涂料［24］。梁红波等［25］用端基为羟基的树枝状聚醚-酰胺、甲苯-2，4-二异氰酸酯、丙烯酸羟乙酯和十八异氰酸酯合成具有丙烯酸酯双肩和长链脂肪烃的紫外光固化半结晶聚合物，其玻璃化转变温度为41～45 ℃，熔点为122～123 ℃，而且通过改变固化参数可以极大提高涂层的硬度、耐摩擦性能、柔韧性及黏附性能等。

4　结语

直接节能型高分子材料以聚氨酯泡沫塑料、酚醛树脂和高分子相变材料等保温材料为主，经过化学成分、结构和加工工艺的优化，这些材料已经成熟地用于建筑工程领域；功能性节能或储能高分子材料以聚合物太阳能电池和热致变色高分子材料为主，主要利用材料本身特有的功能性，为室内提供能源或节约能源消耗；间接节能型高分子材料主要是通过改善传统高分子材料的耐水性、化学稳定性、耐老化性、抗菌性、可加工性等提高材料的使用寿命或降低材料的加工能耗。高分子材料不仅具有质轻、易加工、优良的化学稳定性等，还具有保温隔热、光电转化、环境敏感等特殊性能，在建筑工程领域有广泛的应用前景。

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Application of energy-saving polymer materials in construction engineering

Wang Huali
（Luzhou Vocational and Technical College，Luzhou 646005，China）

Abstract：This paper describes the energy-saving polymer material in terms of its type，property and usage in construction engineering. Most of the direct energy-saving polymer reduces energy consumption by improving the interior heat-insulation effect； functional energy-saving or energy-storage polymer，such as polymer solar cell，provide energy or storage energy through renewable resource； the indirect energy-saving polymer realizes the energy saving by extending service life and reducing the production costs. The energy consumption of interior heating or cooling is reduced significantly and the energy conservation improvement in construction engineering will be promoted by use of these materials.

Keywords：polymer material； energy-saving； direct type； indirect type； functionality； construction engineering

作者简介：汪华莉，女，1980年生，讲师，2012年硕士毕业于四川大学环境工程专业，主要研究方向为建筑技术、建筑施工组织管理、装饰设计，与建筑相结合的环境工程研究等。联系电话：18982708160； E-mail： nice322@qq.com。

收稿日期：2015-11-29；修回日期： 2016-02-28。

中图分类号：TQ 050.4+25

文献标识码：A

文章编号：1002-1396（2016）03-0089-04