有机无机复合保温板及其应用技术研究

薛黎明（安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥　230001）



有机无机复合保温板及其应用技术研究

薛黎明
（安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥230001）

摘要：有机无机复合（OIC）保温板是采用聚合物改性水泥以及有机与无机保温骨料复合制备而成，具有A级防火、质轻、吸水率低、保温性能接近有机保温板材等特点。研究了聚合物乳液用量对OIC保温板压缩强度、抗折强度和吸水率的影响，聚苯颗粒用量对OIC保温板性能的影响，聚苯颗粒-膨胀玻化微珠比对保温浆料耐火阻燃性能的影响以及添加硅灰对OIC保温板性能的影响等。OIC保温板应用于屋面时不宜作为倒置式防水屋面保温层；应用于外墙时以薄抹灰外墙外保温系统的形式使用。

关键词：复合保温板；原材料；制备；性能；应用；外墙外保温

0　引言

目前，外墙外保温材料已经放宽到燃烧性能为B2级类材料。这可能会导致今后一段时间内有机保温板材在外墙外保温系统中会重新成为主导材料。而适用于外墙外保温系统的现有有机保温板材主要是EPS板、XPS板和硬泡聚氨酯板等。另一方面，有机保温板材除易变形和防火性能较差外，在外墙外保温系统的结构构造中必须按照相关要求设置防火隔离带。这些因素使得在使用有机保温板材时的设计、施工和材料使用以及成本、性能等相应变得复杂。因而，研究燃烧性能为A级的保温板材，对于建筑节能和薄抹灰类外墙外保温系统技术的应用仍然具有重要意义。

有鉴于此，我们开展了有机无机复合（organic-inorganic composite，OIC）保温板及其应用技术研究项目。复合保温板采用有机与无机保温骨料为主体保温材料，以聚合物改性水泥为胶结材料制成，除了具有A级防火性能外，还具有质轻、吸水率低、保温性能接近有机保温板材等特点。

该项目已于2015年7月27日通过安徽省住建厅组织的技术鉴定。为了使该技术成果尽快推向市场，鉴定时将OIC保温板称之为“匀质改性复合防火保温板”。

1　 OIC保温板制备研究

1.1 OIC保温板的制备原理

OIC保温板系综合多种保温材料制造技术制成，保温骨料选择了有机的聚苯颗粒和无机的膨胀玻化微珠；胶结料选择了通用硅酸盐水泥、硅灰、灰钙粉和苯乙烯-丙烯酸酯共聚乳液。其中，聚苯颗粒的作用是降低板材干密度、导热系数和吸水率等，这就从材料的固有性能方面解决了通常无机板材存在的性能缺陷。聚苯颗粒的加入量是以使板材能够满足A级防火性能要求确定的。

膨胀玻化微珠的使用既能够避免单独使用聚苯颗粒时难以满足A级不燃的性能要求，又解决了单独使用聚苯颗粒由于保温骨料颗粒级配不良而需要大量浆体填充，从而导致干密度增大、保温性能下降的问题。同时，玻化微珠的加入还能改善制备保温板时料浆的和易性。

硅灰的加入能够提高材料中水泥石的强度，配合以足够量的苯丙乳液，使OIC保温板能够在较低密度下具有所需要的力学强度，从而满足OIC保温板良好的保温-力学性能的综合平衡。

1.2原材料

海螺P·O42.5水泥；市售商品硅灰、灰钙粉、苯丙乳液等；河南信华玻化微珠有限公司产Ⅱ型玻化微珠；聚苯乙烯泡沫颗粒为市售加工好的废聚苯乙烯泡沫颗粒，其性能符合JG 158—2004《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》标准要求。

1.3试验基础配合比（见表1）

表1　 OIC保温板试验基础配合比

1.4试验方法

先将水、塑化剂等计量后搅拌均匀。然后，再加入硅灰、灰钙粉、水泥、聚合物乳液等搅拌均匀。接着，加入聚苯颗粒、玻化微珠搅拌成制备OIC保温板用的料浆。将该浆体按照性能试验要求成型试件并养护至试验龄期。

1.5测试方法

按照JG 149—2003《膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统》、GB 29906—2013《模塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统材料》和JGJ144—2004《外墙外保温工程技术规程》等相关标准进行试件性能测试。

2　试验结果及分析

作为一种应用于外墙外保温系统和屋面保温层的保温板材，应当重点研究的性能包括强度、保温隔热性能和耐久性。由于制备OIC保温板使用的主要胶结材料是普通水泥、硅灰、灰钙粉和苯丙乳液，以其制得的保温材料在强度满足要求时其耐久性已经得到大量材料长期使用的检验，因而耐久性不是研究目标。这样，OIC保温板需要研究的就只有强度和保温性能。

2.1聚合物乳液用量对OIC保温板压缩强度的影响

OIC保温板因密度的限制，水泥用量不能太高，因而聚合物乳液对其各方面性能的影响就变得非常重要。

由于OIC保温板中添加了聚苯颗粒和聚合物乳液，其受压破坏已不再呈现脆性破坏特征，而呈现有机材料受压的破坏形式，即材料在受压时是体积变小的压缩，而非脆性破坏。不同聚合物乳液用量下OIC保温板的压缩试验结果如表2所示。

表2　聚合物乳液用量对OIC保温板强度的影响

从表2可以看出，随着聚合物乳液用量的增加，OIC保温板的压缩强度先逐渐增大，达到一定程度后增加变得不明显。这说明聚合物乳液赋予材料柔性的能力有其适当的范围，超过该范围后其作用不明显。在试验条件（即水泥用量不变和固定聚苯颗粒用量）下，聚合物乳液改善压缩强度的最佳用量为25%。

2.2聚合物乳液用量对OIC保温板抗折强度的影响

抗折强度是OIC保温板的重要性能，从实用角度来说，保温板材的抗折强度是比压缩强度更重要的性能指标。影响OIC保温板抗折强度的主要因素是聚合物乳液，次要因素则是胶凝材料。从表2可知，聚合物乳液用量显著影响OIC保温板的抗折强度。当聚合物乳液用量为10%时，抗折强度仅为0.06MPa，而聚合物乳液用量提高到15%时，抗折强度提高到0.15MPa。但当聚合物乳液用量在20%以上再继续提高时，抗折强度虽然还继续增长，但其增加已不像低用量情况下那样显著，而是均匀的提高。可见，在试验条件下聚合物乳液改善抗折强度的最佳用量约为20%。

当聚合物乳液用量较高时，试件浸水后的抗折强度损失较多。当聚合物乳液用量为15%时，耐水抗折强度为原强度的87%，当聚合物乳液用量增加到25%时，耐水抗折强度下降为原强度的71%；而当聚合物乳液用量增加到30%时，耐水抗折强度下降为原强度的68%。这说明聚合物乳液受水影响时，其强度降低明显。这与耐水性能非常好的水泥基材料有明显区别。

在以前的研究中还发现，当聚合物水泥基材料（例如外墙腻子）中聚合物组分的含量较低时，试件耐水试验后的强度不但不降低，有时还会提高，而且这种情况并不少见。因而，为了使OIC保温板产品具有良好的力学性能和耐水性，不但应当保持合适的聚合物乳液用量，还应考虑聚合物乳液和胶凝材料的比例（即“聚灰比”），以获得较好的综合性能。

2.3聚合物乳液用量对OIC保温板吸水率的影响

有机建筑保温材料的吸水率极小，这是其最大的性能优势。较小的吸水率可以使材料性能受水浸蚀的影响不明显，也使材料的保温性能不会因为吸水而显著降低。聚合物乳液用量对OIC保温板吸水率的影响如表3所示。

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表3　聚合物乳液用量对OIC保温板吸水率的影响

从表3可以看出，在聚合物乳液用量较低时，试件的吸水率较高。当聚合物乳液用量为10%时，试件的吸水率为13.6%；当聚合物乳液用量提高到25%时，试件的吸水率下降到4.3%。这是因为，聚合物乳液能够在水泥石的毛细孔壁上成膜而堵塞毛细孔，封闭了材料微观结构中的吸水通道。同时，聚合物乳液用量的增加也使得材料的密实度提高，导致材料内部产生输水作用的通道减少。

2.4聚苯颗粒用量对OIC保温板性能的影响

由于聚苯颗粒具有较低的密度和表面封闭的空隙，因而聚苯颗粒的加入能够控制OIC保温板的性能。聚苯颗粒用量（按占总体积计）对OIC保温板干密度、导热系数和吸水率的影响见表4。

表4　聚苯颗粒用量对OIC保温板干密度、导热系数和吸水率的影响

从表4可以看出，OIC保温板中聚苯颗粒的加入能够改善干密度、导热系数和吸水性能。即，随着聚苯颗粒添加量的提高，试件的干密度、导热系数和吸水率均随之降低。聚苯颗粒是改善试件干密度、导热系数和吸水率等性能的有效方法。但聚苯颗粒添加量的增大会导致力学性能降低，特别是会使防火性能降低。

2.5聚苯颗粒-膨胀玻化微珠比对保温浆料

耐火阻燃性能的影响

虽然聚苯颗粒的添加会降低OIC保温板材料的阻燃性能，但由于仅用作为保温骨料制备的胶粉聚苯颗粒保温浆料的燃烧性能能够达到B1级，距离A级仅有一步之遥，因而在OIC保温板中加入玻化微珠并降低聚苯颗粒的添加量，使OIC保温板达到A级不燃在技术上并无难度。

表5　无耐火隔热添加剂时有机-无机保温骨料比对OIC保温板耐火阻燃性能的影响

从表5可见，要使OIC保温板符合A级不燃的防火要求，聚苯颗粒与膨胀玻化微珠质量比应小于1∶14。

进一步的研究表明，通过向胶凝材料中引入粉煤灰空心微珠，可使聚苯颗粒与膨胀玻化微珠的质量比由1∶14变化到1∶10。一般，在保温浆料中能够使用的聚苯颗粒量越大，材料的保温隔热性能越好，浆料在施工时由于膨胀玻化微珠的体积小，破碎的量就越少。

粉煤灰空心微珠提高OIC保温板防火不燃性能的原因在于其呈圆球形空心结构和玻璃化薄壁外壳，降低了凝胶材料组分的密度，并提高了隔热性能，这种经改性的防火不燃浆体组分，在保温浆料中粘结了同样具有耐火和不燃性能的膨胀玻化微珠，二者所形成的“防火砂浆”粘结聚苯颗粒，并包裹在聚苯颗粒表面形成一层防火层，在耐火阻燃试验中延缓聚苯颗粒受试验火焰高温作用的时间。

2.6硅灰对OIC保温板性能的影响

硅灰能够显著激发水泥基材料的活性，提高材料的物理力学性能。硅灰对OIC保温板物理力学性能的影响见表6，其中硅灰添加量按水泥质量计。

表6　硅灰对OIC保温板物理力学性能的影响

由表6可见，硅灰的添加不但能明显提高OIC保温板的压缩强度，也使抗拉强度有所提高，这对改善保温板材的性能很有利。

2.7 OIC保温板的技术性能指标

根据对OIC保温板制备技术、性能影响因素研究所得到的有关OIC保温板的性能，并参考了挤塑聚苯板、模塑聚苯板等外墙外保温板材标准，制定了企业标准Q/SL 01—2015 《OIC保温板外墙外保温系统》，该标准对OIC保温板物理力学性能指标要求如表7所示。

表7　 OIC保温板的技术性能指标

3　 OIC保温板的应用

OIC保温板主要应用于建筑外墙和屋面的保温。用于屋面时，其应用方法和常见无机保温板材无异，但不宜作为倒置式防水屋面保温层使用。

3.1 OIC保温板薄抹灰外墙外保温系统构造

OIC保温板以薄抹灰的形式应用于外墙外保温系统中，其构造层及组成材料见表8，构造示意见图1。

从表8可见，OIC保温板外墙外保温系统由基层、粘结层、保温层、抗裂防护层和饰面层组成，是一种以OIC保温板为保温层材料，采用聚合物改性粘结剂粘结并辅加机械锚固方式固定在基层外墙表面，再以耐碱玻纤网格布增强的聚合物砂浆为保护层，外饰面采用涂料的复合绝热装饰系统，其抹面层的厚度为4～6mm。这种构造和常见的薄抹灰外墙外保温系统并无差别；同样，系统的性能指标和常见薄抹灰外墙外保温系统相似。

表8　 OIC保温板外保温系统基本构造及组成材料

图1　 OIC保温板外保温系统构造示意

3.2 OIC保温板薄抹灰外墙外保温系统特征

OIC保温板外墙外保温系统的特征集中在OIC保温板保温层，具有以下几个特征：（1）OIC保温板是具有防火安全性能的复合板，其燃烧性能分级达到A级，由此带来的系统特征表现在施工和使用期间无产生火灾的风险，并且在系统的构造设计中不需要设置防火隔离带；（2）与有机保温板材相比，OIC保温板能够体现无机材料体积稳定性的特征，即在温度发生变化时，保温板的体积变化小，这一特性减少了系统开裂的风险；（3）OIC保温板外墙外保温系统除可靠的节能效果外，生产OIC保温板能够有效利用废旧聚苯乙烯泡沫，有环境效益；（4）OIC保温板的成本不高，比能够达到A级燃烧性能的有机保温板材（例如石墨型膨胀聚苯板）的价格稍低，具有实用价值；（5）OIC保温板与发泡水泥板相比，具有更好的技术经济效益。

4　结论

（1）综合多种保温材料制造技术，OIC保温板采用聚苯颗粒、膨胀玻化微珠等保温骨料，以水泥、硅灰、灰钙粉和聚合物乳液为胶结料制成。其中，聚苯颗粒降低保温板的干密度、导

热系数和吸水率等；膨胀玻化微珠可提高保温板的防火性能和解决单独使用聚苯颗粒时颗粒级配不良的问题；聚合物改性水泥赋予OIC保温板柔韧性、强度等性能。

（2）OIC保温板外墙外保温系统为薄抹灰类，其结构构造和普通的薄抹灰类外墙外保温系统相同。系统构成材料仅是保温板材的不同。

（3）OIC保温板生产与应用技术的研究能够提高建筑节能的实际效果和技术水平，有较好的技术、社会和环境效益。

The OIC thermal insulating panel and it's application technology research

XUE Liming
（Anhui Province Building Science Research and Design Instiute，Hefei 230001，China）

Abstract：Organic-inorganic composite（OIC）insulation panel is composite prepared with polymer modified cement and organic and inorganic insulation aggregate，which has features of class A fireproof，light weight，low water absorption rate，thermal insulation performance close to the organic insulation panel and so on.This paper studied the influence of polymer emulsion dosage on the compressive strength，flexural strength and water absorption rate of OIC insulation panel，the influence of dosage of polystyrene particles on performance of OIC insulation panel，the impact of polystyrene particles-expansion glass beads ratio on the fire retardant of insulation slurry as well as the impact of silica fume addition on performance of OIC insulation panel.When OIC insulation panel is used as roofing，it should not be used as insulation layer for inverted waterproof roof；when applied to the exterior wall，it can be used in the form of thin plaster external wall insulation system.

Key words：composite insulation panel，raw materials，preparation，performance，application，exterior wall insulation

作者简介：薛黎明，男，1979年生，安徽肥东人，高级工程师。地址：合肥市蜀山区山湖路567号，E-mail：5024800@qq.com。

收稿日期：2015-08-18

中图分类号：TU551

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）01-0068-04