聚氨酯硬泡在外墙保温体系中的应用研究

冯泳检，崔航，胡剑青，王锋，涂伟萍（华南理工大学 化学与化工学院，广东 广州　510640）



聚氨酯硬泡在外墙保温体系中的应用研究

冯泳检，崔航，胡剑青，王锋，涂伟萍
（华南理工大学 化学与化工学院，广东 广州510640）

聚氨酯是一类性能优良、应用广泛的高分子材料，聚氨酯硬泡在建筑节能方面已成功应用。介绍了聚氨酯硬泡保温材料的优势、技术指标、制备方法、施工过程及质量控制要点，简要概括了国内外聚氨酯硬泡的研究进展，并对聚氨酯硬泡的发展方向进行了展望。

聚氨酯硬泡；外墙保温；建筑节能

0　前言

节能减排是实现绿色经济的重要手段，如何实现节能减排，特别是建筑的节能，是世界各国共同关注的课题。据统计，建筑能耗占我国全社会能耗的30%，预计到2020年，这一占比将上升至40%左右［1］。我国的建筑节能水平与发达国家差距较大，单位建筑面积能耗是气候相近发达国家的3～5倍。因此，研究建筑节能材料，是提高资源利用率、走可持续发展道路的重要途径。

聚氨酯硬泡保温材料，是目前国内外理想的建筑节能保温材料，以其优异的保温性能，已经有着大量成功使用的案例［2］。

1　聚氨酯硬泡保温材料的优势

硬质聚氨酯泡沫塑料（RPUF），又称聚氨酯硬泡，由于保温性能好且受外界环境影响小，广泛应用于建筑保温领域［3］，具有以下独特性能：

（1）导热系数低。聚氨酯硬泡在同样保温效果下，导热系数约为EPS发泡聚苯板的1/2，密度为35～40 kg/m3时，导热系数只有0.018～0.022 W/（m·K），是目前建材中导热系数最低的保温材料之一。

（2）独特的防水性能。聚氨酯硬泡结构致密，闭孔率达92%以上，具有极高的水蒸气渗透阻隔性能和良好的不透气性。硬泡在施工成型后，与基层粘接牢固，不易发生脱落或剥离，从而避免的层间渗水的可能［4］。

（3）自粘性能好，施工简便。聚氨酯硬泡能够与混凝土、木板、胶合板、纤维板等直接粘接，施工时无需对屋面基层进行再处理，即可直接施工，且对屋面外型无特殊要求，可在任何复杂屋面进行施工作业。设备、工艺十分简单，操作简便，便于施工人员掌握。

（4）抗裂性能好。在EPS体系中，由于EPS的收缩，会造成体系的开裂，从而影响正常使用。而聚氨酯硬泡具有一定的延伸性，能够通过变形抵抗外界温度、干湿条件的变化，保证体系的防水性和稳定性。即使主体结构出现膨胀、收缩或者小裂缝，也不会发生裂缝和剥离。

（5）耐腐蚀，耐老化。聚氨酯硬泡对汽油、苯等溶剂化学性质稳定。虽然聚氨酯硬泡也会发生老化，但老化速度非常缓慢，在20℃条件下聚氨酯硬泡的导热系数可稳定保持50年。

2　聚氨酯硬泡的技术性能

聚氨酯硬泡的技术性能要求见表1。

表1　聚氨酯硬泡材料的性能指标

根据JG/T 314—2012，聚氨酯硬泡外墙保温系统的整体性能要求如下：

抗风荷载性能：系统抗风压值Rd大于风荷载设计值。对饰面层粘结保温层的外保温系统，系统安全系数K应大于1.5；对于饰面层干挂的外保温系统，系统安全系数K应大于2.0。

抗冲击性：普通型：3 J级，适用于建筑物2层及以上墙面等不易受碰撞部位；加强型：10 J级，适用于建筑物首层墙面以及门窗口等易受碰撞部位。

吸水量：水中浸泡1 h，系统的吸水量小于1.0 kg/m2。

耐冻融性能：对于饰面层粘结于保温层的外保温系统，30次冻融循环后，保护层无空鼓、脱落，无渗水裂缝；保护层与保温层的拉伸粘结强度应大于0.1 MPa，破坏部位应位于保温层。对于饰面层干挂的外保温系统，30次冻融循环后，系统各部分外观无明显变化。

热阻：系统抗风压值Rd大于风荷载设计值。对于饰面层粘结于保温层的外保温系统，系统的安全系数K应大于1.5；对于饰面层干挂的外保温系统，系统的安全系数K应大于2.0。

抹面层不透水性：2 h不透水。

水蒸气渗透阻：水蒸气湿流密度≥0.85 g/（m2·h）

系统耐候性：对于饰面层粘结于保温层表现面的外保温系统，经过耐候性试验后，系统不得出现饰面层起光或剥落、保护层空鼓或脱落等破坏，不得产生渗水裂缝；具有抹面层的系统，抹面层与保温层的拉伸粘结强度不得小于0.1 MPa，且破坏部位应位于保温层。对于饰面层干挂的外保温系统，经过耐候性试验后，系统外观不得出现明显变化。

3　聚氨酯硬泡的制备方法

聚氨酯硬泡的主要制备方法分为预聚体法、半预聚体法和一步法3种［5-6］。

预聚体法：将异氰酸酯和聚醚（酯）多元醇反应生成预聚体，然后添加催化剂、发泡剂等混合发泡的方法。该种方法发泡易控制，但工艺复杂，预聚体黏度过高，实际应用受到限制。

半预聚体法：先将过量的异氰酸酯和多元醇反应，生成末端带有NCO基团的中间体，然后与聚醚（酯）多元醇、催化剂、发泡剂等混合。该方法便于调节物料的黏度，加工操作容易。

一步法：将聚醚（酯）多元醇、异氰酸酯和其它助剂一次性投入，使之反应生成聚氨酯硬泡。工艺流程简单，成本低廉。

4　国内外聚氨酯硬泡保温材料的研究及应用成果

对于聚氨酯硬泡的基础理论研究一直得到国内外科研工作者的关注。Shutov［7］在研究硬质聚氨酯泡沫塑料性能与结构中发现，在相同条件下，其力学强度及其杨氏模量与泡孔平均高宽比H/D呈正比。Goods等［8］通过大量实验研究发现，密度与压缩强度、密度和模量都存在相应的指数关系，且测算得出指数值分别为2.1和1.6。Philip等［9］通过对硬质聚氨酯泡沫塑料的密度从100～810 kg/m3的蠕变、蠕变回复和压缩性能的研究，提出密度的平方与压缩强度和模量都成正比。周秋明等［10］研究了异氰酸酯指数、原料温度、模具温度、催化剂、发泡剂、匀泡剂与聚氨酯硬泡发泡压力的关系。朱海静等［11］、Fabrice Saint-Micher等［12-13］研究了硬质聚氨酯泡沫塑料断裂性能、机械强度与密度、泡孔结构的关系。

在聚氨酯硬泡改性方面，Hilyard［14］提出，将玻璃纤维添加到硬质聚氨酯泡沫中，彼此的相容性直接影响材料性能的好坏。Lee等［15］初步研究了环氧树脂与聚氨酯反应中网络互穿的机理，还发现聚氨酯泡沫塑料通过环氧改性，压缩模量明显改善。Andrzej K Bledzki等［16］通过亚麻织物、黄麻织物的改性增强，制备出了均匀微孔结构的聚氨酯硬泡的复合材料。并探讨了亚、黄麻织物的含量与密度、微孔数量的关系，分析了微孔量及织物纤维形态对复合材料力学性能的影响。Harikrishnan G等［17］研究了有机蒙脱土对硬质聚氨酯泡沫塑料的增强改性。邱建华等［18］用聚醚和聚酯复配后再与异氰酸酯反应生产聚氨酯硬泡，通过无机薄毡覆面后，该硬泡的饱和吸水量降低，燃烧性能和尺寸稳定性得到提高。

5　聚氨酯硬泡材料的施工过程及质量控制

聚氨酯硬泡保温体系的施工方法主要有喷涂法、浇注法、粘贴法和干挂法4种。目前使用较多的是喷涂法，其施工过程主要包括以下几个步骤：

（1）对基层进行处理，清除杂物、油污等，必要时应对基层的裂纹进行补强。

（2）根据设计的厚度进行喷涂，喷涂时应由上而下水平进行。

（3）发泡完成后，开始饰面施工，先在聚氨酯硬泡上刷1层界面剂，24 h后再按正常顺序施工。

硬泡的施工过程直接影响其保温性能，施工质量控制有以下几个要点：

（1）适宜的施工温度在15～35℃，空气湿度不大于90%，大面积施工时，对风力也有要求。

（2）不宜1次发泡成型，而是采用分层喷涂。如2次喷涂时，第1次喷涂形成的自结表皮会构成防水隔汽层，防水性能得以提高。

（3）喷涂时，应注意使喷涂表面尽量平整，不能起鼓、断裂，最大喷涂波纹小于5 mm较佳。

（4）硬泡喷涂时，为避免飞散，应采取遮挡措施，以免污染环境。

（5）喷涂结束后，需要在聚氨酯表面涂1层防紫外线的高分子涂层，因为阳光直射会加速老化，影响其性能。

（6）施工现场严禁火种，且现场配备消防器材。施工过程中，操作人员应做好防护措施，佩戴防毒面具。

6　聚氨酯硬泡保温材料的发展方向

（1）建筑保温装饰一体化

聚氨酯硬泡的保温性能优异，但采用传统的先保温层后装饰施工的工艺，施工周期长且工艺复杂。将保温和装饰融为一体，可大大缩短施工周期，也可避免保温层与施工层结合牢固问题而引发的脱落。

（2）开发无卤、低烟、低毒的聚氨酯保温材料

未来的PU保温材料必须兼顾节能与环保，保温和防火。而当前采用的含卤阻燃剂，燃烧时烟雾大且毒性强。研究无卤难燃的聚氨酯材料是未来发展方向。其中在聚醚多元醇中引入阻燃基团，合成结构型阻燃聚醚多元醇，应得到充分关注。

（3）聚氨酯与无机材料复合

无机材料可以达到有机材料难以达到的A级防火要求，但无机材料的导热系数比聚氨酯等有机保温材料大很多，保温性能较差。聚氨酯与无机材料复合，制备复合型保温材料，是未来发展的趋势。

（4）开发生物质聚氨酯硬泡保温材料

生物质PU材料包含纤维素、木质素和植物油基等，该类材料低碳环保、可再生，比石油路线价格上占优势，应得到重视。

［1］刘京丽，代德伟，路国忠，等.墙体保温材料及体系政策分析［J］.新型建筑材料，2013（12）：46-48.

［2］林永飞.浅谈建筑节能与聚氨酯保温材料防火技术的应用［J］.城市住宅，2011（Z1）：110-113.

［3］王大壮.秸秆纤维聚氨酯高效保温材料的研究［D］.吉林：吉林建筑工程学院，2011.

［4］熊卫，黄洪，赵守佳.聚氨酯系列产品在外墙外保温体系中的应用［J］.新型建筑材料，2007（5）：69-73.

［5］赵志超.阻燃聚氨酯泡沫塑料的制备与性能研究［D］.辽宁：辽宁工程技术大学，2010.

［6］孔维维.有机蒙脱土改性硬质聚氨酯泡沫复合材料的研究［D］.杭州：浙江大学，2010.

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［10］周秋明，王建华，芦艾，等.硬质聚氨酯泡沫塑料模塑成型压力研究［J］.工程塑料应用，2002，30（9）：19-21.

［11］朱海静，杨伟，杨鸣波，等.增强硬质聚氨酯泡沫塑料的压缩破坏行为［J］.高分子材料科学与工程，2003，19（4）：133-135.

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［15］ Lee Y，Ku W，Tsou J，et al.Epoxy modified polyurethane.rigid foams［J］.Polymer Science：Part A，1991，29（8）：1083-1088.

［16］Andrzej K Bledzki，Zhang Wenyang，Andris Chate.Natural-fiberreinforced polyurethane microfoams［J］.Composites Science and Technology，2001，61：2405-2411.

［17］Harikrishnan G，UmasankarPatro T，Khakhar D V.Polyurethanefoam-clay nanocomposites：nanclays as cell openers［J］.Ind.Eng. Chem.Res.，2006，45：7126-7134.

［18］邱建华，钱中秋，许霞，等.高性能聚氨酯复合保温板制备及其性能研究［J］.新型建筑材料，2012（12）：24-26.

Application and research of polyurethane foam to external thermal insulation system of exterior wall

FENG Yongjian，CUI Hang，HU Jianqing，WANG Feng，TU Weiping
（School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Polyurethane is a versatile polymer material with excellent performance，and has been successfully applied in buildingenergysaving.Theadvantages，technicalspecifications，preparation，constructionprocessandqualitycontrolpointsof polyurethane foam insulation materials were introduced.This paper briefly summarizes the research progress of polyurethane foam in China and abroad，and polyurethane foam development direction is prospected.

polyurethane foam，external wall insulation，building energy-saving

TU55+1.2

A

1001-702X（2016）06-0085-03

中央高校基本科研业务费专项资金资助（2013ZM0072）；广东省高校轻化工清洁生产工程技术研究中心开放课题

2016-01-02

冯永检，女，1990年生，广东中山人，硕士研究生。地址：广州市天河区五山路 华南理工大学化学与化工学院。通讯作者：涂伟萍，E-mail：cewptu@scut.edu.cn。