硬质聚氨酯泡沫塑料在建筑保温体系中的应用

文/ 陈海丽 深圳市宝安区工程质量检测中心 广东深圳 518000

我国的建筑节能水平与发达国家差距较大，单位面积能耗是气候相近发达国家的3～5倍。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。节能减排是实现绿色经济的重要手段，特别是建筑的节能，是世界各国共同关注的课题。聚氨酯是一类性能优良、应用广泛的高分子材料，聚氨酯硬泡保温材料，具有质量轻、比强度高、绝热、隔音、防震、抗冲击等优良性能，是目前国内外理想的建筑节能保温材料。

1、制备方法

一般硬质聚氨酯泡沫塑料的制备方法是采用聚醚树酯和异氰酸为主要原料，以反应中生成的二氧化碳为发泡剂，在高温条件下直接喷涂于建筑界面上，经过一段时间(30min)的反应冷却定型，二氧化碳在其内部形成大量气泡状结构，使其具有高闭孔率，同时硬质聚氨酯泡沫将完全黏附在建筑界面上。

主要有3种制备方法：1）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。该方法发泡易控制，但工艺复杂，预聚体黏度过高，实际应用受到限制。2）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。3）一步法：将聚醚（酯）多元醇、异氰酸酯和其他助剂一次性投入，使之反应生成聚氨酯硬泡。工艺流程简单，成本低廉。

2、在建筑工程保温体系中的应用

硬质聚氨酯泡沫塑料（RPUF）是由有机异氰酸酯与多元醇化合物相互作用而得的高分子聚合物材料。它是一种性能优良的结构材料和绝热材料，它多为闭孔结构，比强度大、重量轻、施工方便，同时还具有电绝缘、防震、隔音、耐溶剂、耐寒、耐热等特点。它用途非常广，例如用于房屋建筑的保温结构以及石油化工管道、冷柜、冰箱等的隔热保温。

2.1 建筑外墙保温

硬质聚氨酯泡沫塑料对砖墙以及水泥砂浆的附着力强，墙体整体性好，采用喷涂硬质聚氨酯泡沫塑料不但保温节能，而且能够有效的解决局部热桥问题，特别适用于高层建筑剪力墙结构外墙保温。通常采用硬质聚氨酯泡沫塑料与其他板材形成复合材料作为墙体，其他板材包括金属板、塑料片材、牛皮纸、铝箔等，其中金属板由于具有隔热、防水、价廉等优点而被广泛应用。硬质聚氨酯泡沫塑料墙体铺设方法有两种，第一种为首先将硬质聚氨酯泡沫塑料加热形成混合溶液，倒入墙间空隙处，硬质聚氨酯泡沫塑料自行在墙内发泡，与内外墙融为一体，此种方法适合新建建筑。第二种为直接在外墙上喷涂硬质聚氨酯泡沫，再涂上界面剂，最后上色，此工艺更为简单易行，且造价便宜，平均每平方米成本仅为40元人民币，适合既有建筑改造。将硬质聚氨酯泡沫塑料隔热性能与其他材料进行对比，结果如表1所示。

表1 不同建筑材料隔热性能对比

2.2 屋面保温

传统的屋面保温结构是在屋面的结构层上作好找平层后，先铺隔热保温层（膨胀珍珠岩、加气混凝土、矿棉等），再作防水层。防水层由于暴露在外面，受高低温和日光的作用，防水层极易开裂老化，加之传统的保温材料都容易吸水，而且吸水后就失去了保温隔热性。与传统做法相反，采用屋顶保温倒置法利用硬质聚氨酯泡沫塑料的低吸水性和耐久性，可改变防水层的工作环境，使其防水功能长期有效。由于屋顶长期的温度变化范围为－30～90℃，优良的保温隔热性能更使硬质聚氨酯泡沫塑料能承受阳光长期照射在屋顶表面所产生的高温以及季节变化产生的低温。采用硬质聚氨酯泡沫塑料作为建筑墙屋面，构造简单，易于施工，其具体构造如图1所示。

图1 硬质聚氨酯泡沫塑料保温屋面构造

在硬质聚氨酯泡沫塑料保温屋面构造中，起主要作用的是硬质聚氨酯泡沫塑料层和外保护层。其中硬质聚氨酯泡沫塑料层具有防水及防水蒸气渗透、保温作用，因此无需另行铺设隔气层和防水层。外保护层一方面可保护硬质聚氨酯泡沫塑料层免受紫外线和外界侵蚀，另一方面可提高墙面整体强度，避免墙面出现机械损伤。硬质聚氨酯泡沫塑料层能与墙面外保护层和找平层形成牢固的黏合，使墙面虽为多层结构，实则融为一体，不易发生脱层现象。同时，硬质聚氨酯泡沫塑料由于密度小、质轻，对屋面承载负荷较小，此特点对于改善房屋结构十分重要，可用于进行大跨度屋面设计。将硬质聚氨酯泡沫塑料承载负荷与其他材料进行对比，结果如表2所示。

表2 不同建筑材料承载负荷对比

由（表2）可知，硬质聚氨酯泡沫塑料屋面的承载负荷比传统的普通水泥材料和珍珠岩材料低得多，与聚苯乙烯板相比差距不是特别大，但聚苯乙烯板作为建筑材料却存在着施工复杂、结构性差等缺点。

2.3 地面保温

表3 硬质聚氨酯泡沫塑料的性能指标

在室内地面保温时，无论是在楼板下铺设保温层，还是在地面上进行保温，硬质聚氨酯泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料都特别有用。由于硬质聚氨酯泡沫塑料热导率低于聚苯乙烯泡沫塑料，一般20～40 mm厚的硬质聚氨酯泡沫塑料板块就能够满足要求，而聚苯乙烯泡沫塑料则需要30～60 mm，非常地经济实用。其主要性能指标见表3。

3、硬质聚氨酯泡沫塑料建筑施工

3.1 硬质聚氨酯泡沫塑料建筑施工流程

1)在施工前，应做好准备工作，包括检测硬质聚氨酯泡沫产品等建筑原料是否具有合格证明，不同原料应分别放置于阴凉通风处，核对界面剂信息防止出错，同时选用无有机质的饮用水作为水源。

2)根据测量结果，在建筑屋面上打孔，同时确保基层质量符合建筑要求。

3)根据施工当天环境参数，确定原料加工温度。

4)将聚醚树酯和异氰酸按1∶1的比例加入物料混合器混匀，同时加入催化剂和发泡剂等助剂，一段时间后，便可得到硬质聚氨酯泡沫塑料。

5)确保墙面基础层平整，表面无杂质，无灰尘。

6)喷涂基面界面剂，厚度控制在40～60mm范围内，厚度均匀，放置1d。

7)使用高压枪将硬质聚氨酯泡沫塑料进行喷涂，可重复喷涂，尽量保证厚度均匀，不能有厚度小于30mm的地方。

8)喷涂完成，待墙面干燥后，检测喷涂效果，将过厚处使用铲刀清除，过薄处用硬质聚氨酯泡沫塑料补上。

9)待硬质聚氨酯泡沫塑料冷却熟化后，铺设保护层，在此期间，应避免施工过程对硬质聚氨酯泡沫塑料层造成机械损伤。

3.2 硬质聚氨酯泡沫塑料建筑施工注意事项

1)建筑基层应平整，表面无杂质，特别是油酯类物质，同时应由均匀泡沫组成，无发脆、脱层、起皮等不良物理现象。基层与连接处房屋结构应做成圆弧状，若有排水系统，则排水系统处水落口周围应为凹坑状，用铁质材料覆盖。

2)喷涂施工时，应选择环境温度为5～35℃之间，空气湿度为60%～90%范围内进行，大面积施工时，对风力也有要求。

3)聚氨酯泡沫塑料喷涂后需15～30min发泡固化，等到聚氨酯泡沫塑料完全固化后再铺设其他外层。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。

4)喷涂过程中，随时查看质聚氨酯泡沫塑料质量及与基层黏连状况，确保其黏连牢固。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5mm较佳；

5)在整个施工过程中，应使用遮棚遮挡建筑物，防止建筑材料高温时部分挥发到空气中污染环境。

6)施工现场严禁火种，且现场配备消防器材。聚氨酯泡沫塑料在高温条件下具有一定毒性，在混匀及喷涂过程中，施工人员应佩戴防毒面具。

7)为防止建筑结构发生变形，可在找平层沿黏连处纵横弹线，之后铺设毡条。

8）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。

4、硬质聚氨酯泡沫塑料的优点

硬质聚氨酯泡沫塑料的密度是在建筑行业应用中的一项重要物理指标。通常用于屋面保温防水的硬质聚氨酯泡沫密度在35～40kg/m3,压缩强度大于0.2MPa,由于硬质聚氨酯泡沫是微孔泡沫体,闭孔率普遍在95%左右,具有良好的不透水性。聚氨酯泡沫对一般溶剂和浓度较低的酸碱盐,具有良好的耐化学稳定性,在阳光照射下其物理性能有所变化,但老化的速度非常缓慢。

1)硬质聚氨酯泡沫塑料的闭孔率达95%以上，密度为35～40kg/m3，导热系数为0.018～0.024W/(m·K)。其导热系数是目前已有的所有保温材料中最低的，可采用较薄的材料达到较好的保温效果，节约材料同时增大建筑面积。

2)硬质聚氨酯泡沫塑料与混凝土、金属、水泥等多种建筑基层材料黏结性好，不易脱落，可用于旧房屋改造。

3)硬质聚氨酯泡沫塑料吸水性差、防水防蒸气，将保温和节能两种功效融为一体。

4)硬质聚氨酯泡沫塑料密度小，抗风抗压强度却较大，能承受一定的机械荷载，加上外保护层，可进一步增加其机械强度和抗压能力。

5)硬质聚氨酯泡沫塑料采用现场浇注工艺，可形成无缝连接的整面墙体，同时在不同部位的连接部分采用定点喷涂工艺，加强其阻隔性。

6)硬质聚氨酯泡沫塑料相对于传统有机材料，具有不易老化、化学性能稳定等优点，在20℃条件下的导热系数可稳定保持50年。

7)硬质聚氨酯泡沫塑料在高温环境中短时间内不易熔化，同时具有一定阻燃性，发生火灾时可短时间阻止火势蔓延，提高建筑安全性能。

8)硬质聚氨酯泡沫塑料作为建筑材料，施工简便、价格低廉，可降低施工工程造价。9)硬质聚氨酯泡沫塑料不含有毒化学原料，对人体安全无毒副作用，且原材料可循环使用，节能环保。

5、应用前景

（1）建筑保温装饰一体化

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）无卤、低烟、低毒的聚氨酯保温材料

研究无卤难燃的聚氨酯材料是未来发展的方向。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，开发无卤、低烟、低毒的聚氨酯保温材料。

（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级防水要求，但无机材料的导热系数比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。

结语：

屋面使用硬质聚氨酯泡沫防水保温材料后,能降低建筑物的能耗,因此具有极其广泛的环保和社会效益;硬质聚氨酯泡沫用于建筑保温具有良好的发展前景。随着建筑围护结构热工性能要求的不断提高，保温性能更高的硬质聚氨酯泡沫塑料已经越来越多地取代了曾大量使用的聚苯乙烯泡沫塑料，硬质聚氨酯泡沫塑料其热导率要显著低于聚苯乙烯泡沫塑料，而且能形成连续的保温层，可保证墙体与保温材料的共同作用并有效阻断热桥，适合结构较为复杂、节能标准较高的多层和高层建筑，但由于综合造价投入较大且对工人技术要求较高，目前使用率仅占我国外墙保温市场的5%。