低热值高效保温材料的制备研究

2016-03-24徐桂灵河南郑州450000

河南建材 2016年1期

关键词：聚氨酯

徐桂灵河南郑州（450000）

低热值高效保温材料的制备研究

徐桂灵
河南郑州（450000）

摘要:这里对比了多种有机、无机保温材料的导热系数指标、燃烧热值指标，提出一种能够降低复合材料的燃烧热值并使其达到高效保温材料的方法。

关键词:燃烧热值；导热系数；聚氨酯；复合保温材料

0引言

2015年5月1日，《建筑设计防火规范》GB 50016-2014正式开始实施。这部规范对建筑外墙保温有专门的章节论述，其中第6.7章不但详细规定了建筑外墙保温选用材料的燃烧性能级别，而且在第6.7.7条第一款规定“除采用B1级保温材料且建筑高度不大于24 m的公共建筑或采用B1级保温材料且建筑高度不大于27 m的住宅建筑外,建筑外墙上门、窗的耐火完整性应不低于0.5 h。”如果这一条款能够得到认真的执行，就基本限制了高层建筑采用可燃性外墙保温材料的可能性。假如高层建筑外墙都采用丙级（耐火半小时）的防火门、防火窗，对于业主来说，无论从造价方面还是从适用性考虑，都是不现实的，因此，A级（包括A1级和A2级）保温材料在外墙保温上的应用势在必行。

河南省大部分地区处于寒冷地区，寒冷地区对于外墙保温材料的选取具有一定的局限性。由于外墙保温层整体厚度的限制，选取导热系数低于0.05 W/（m·K）的高效保温材料才能满足建筑节能的需要。

1材料比较

建筑外墙保温材料按照《建筑材料及制品燃烧性能分级》GB 8624-2012标准的分级，A级保温材料可分为A1级和A2级，其中A1级保温材料以岩棉、玻璃棉、泡沫水泥、泡沫玻璃、无机保温砂浆等无机保温材料为主。A2级比A1级适当放宽了多项指标要求，在材料的燃烧热值指标中，A1级材料的总热值PCS≤2.0 MJ/kg，A2级材料的总热值PCS≤3.0 MJ/kg。

A级保温材料主要以无机材料为主构成，其中可添加有机功能性添加剂，常见无机保温材料的导热系数及热值见表1。

表1无机保温材料的燃烧热值及导热系数

由表1可知,无机保温材料具有极低的热值，但是，无机保温材料的导热系数普遍较高，保温隔热效果并不理想。虽然岩棉、玻璃棉等松散材料具有极低的热值以及较低的导热系数，但是材料本身强度很低,难以满足外墙保温系统的力学要求。

对比常见可燃（及易燃）有机保温板的导热系数及热值见表2。

表2有机保温材料的燃烧热值及导热系数

由表2可知，有机保温材料具有较低的导热系数，可达到高效保温材料的要求，但是，有机保温材料热值很高，属于可燃材料，即便添加阻燃剂能够使材料达到难燃（B1)级别，也远远超出《建筑材料及制品燃烧性能分级》GB 8624-2012标准A2级材料的要求。

2材料优选

通过采用有机无机材料的复合，控制复合材料的总热值PCS≤3.0 MJ/kg，同时，又能降低复合材料的导热系数≤0.05 W/（m·K），就可以制得满足A级要求的高效保温材料。

之前,通过采用聚苯颗粒和无机砂浆的复合，制得符合B1级要求的胶粉聚苯颗粒保温砂浆，导热系数在0.06 W/（m·K）以下。采用轻质无机胶结料和聚苯颗粒，制得符合A2级要求的复合保温板，导热系数也能控制在0.06以下。

在有机材料和无机材料的优选过程中，应充分考虑有机材料的热值、导热系数、堆积导热系数、材料属性、导热机理等因素。无机材料应充分考虑材料的胶结黏结力、堆积密度等因素。因为复合材料中可能需要添加各种有机添加剂，所以有机添加剂的热值以及导热系数增加值也必须考虑到。

这里主要对有机材料的优选进行试验及研究。

2.1有机材料的添加比例

有机材料在复合材料中添加比例的主要限制因素是有机材料的燃烧热值，有机材料的掺加量控制指标要以复合材料的总热值PCS≤3.0 MJ/kg为限。对比以上几种有机保温材料的燃烧热值，聚氨酯和酚醛燃烧热值较低，这两种材料在复合材料中能够有更大的添加比例。

复合材料总热值PCS公式为:

其中，PCSn——第n种组分的热值；Mn——第n种组分的质量。

扣除必须考虑的复合材料中有机添加剂的燃烧热值，通过计算，采用聚氨酯和酚醛制得的复合保温材料，有机材料能够按照10%（重量百分比）左右的比例添加。采用挤塑聚苯板和模塑聚苯板制得复合材料，有机材料能够按照7%（重量百分比）左右的比例添加。

2.2有机材料的导热系数研究

有机材料在复合材料中主要是以颗粒形式存在的，因此，有机材料的颗粒粒径、颗粒形式、堆积导热系数是非常重要的因素。研究中测试了上诉四种材料的颗粒在堆积状态下的导热系数，测试结果见表3。

考虑到无机胶凝材料对复合材料的导热系数增加值应在0.01～0.02 W/（m·K）。对于堆积状态的有机保温材料，通过调整颗粒粒径及颗粒形式，其松散堆积状态下的颗粒材料导热系数应在0.04 W/（m·K）以下。

表3四种保温材料颗粒在堆积状态下的导热系数

有机材料的选择除应考虑有机材料的类别、颗粒形式外，有机材料的导热机理也是必须考虑的重要因素，每种有机材料具有不同的保温机理。

表4是密实状态下,有机材料的导热系数对比。

表4密实状态下各种材料的导热系数

由表4可知，密实状态下的聚氨酯材料导热系数大于密实状态下聚苯乙烯的导热系数。这说明密实状态下聚氨酯的保温性能并不优秀。硬泡聚氨酯和膨胀聚苯乙烯两种材料的保温机理并不相同。

硬质聚氨酯泡沫保温材料的高效保温性能是由于聚氨酯所用发泡剂的导热系数比空气低得多，聚氨酯材料特有的闭孔性和高抗气体扩散性使得封闭在泡沫空腔中的发泡剂气体能够在几十年的时间里不泄露扩散，这使得硬质聚氨酯泡沫保温材料的隔热性能优于只含空气（空气的导热系数是0.02 W/（m·K））的聚苯乙烯泡沫保温材料。采用不同的发泡剂，发泡后的硬泡聚氨酯保温材料导热系数也不同。比如，采用水发泡的聚氨酯保温板，泡沫空腔中的气体是CO2，由于CO2的导热系数是0.015 W/（m·K）。制得的保温材料导热系数是0.026 W/ （m·K），而同样泡沫空腔是开孔状态的普通聚氨酯泡沫填缝剂,由于泡沫空腔中填充的是空气，固化后的填缝剂导热系数是0.035 W/（m·K）。

利用聚氨酯材料的低热值、高抗气体扩散性、闭孔性，采用低导热系数的气体发泡剂制得的大空

腔、低密度、带有表皮的硬质聚氨酯泡沫颗粒，能够控制其松散堆积状态下导热系数低于0.04 W/（m· K）。控制聚氨酯泡沫颗粒的掺量在10%以下，控制复合材料的总体热值指标，配合以轻质无机胶结料,可制得满足A2级热值指标要求的高效保温材料。