建筑隔热保温材料的制备工艺和应用现状

陆成龙，戴永刚，张国焘

( 1. 湖北理工学院 矿区环境污染控制与修复湖北省重点实验室，湖北 黄石 435003； 2. 广东金意陶陶瓷集团有限公司，广东 佛山 528031)

建筑能耗在我国能源总消耗中的占比逐年提升，日前已达40%[1]，如何在建筑领域降低能源消耗已经成为一个亟待解决的问题。据不完全统计，如果使用具有良好保温绝热性能的建筑材料，建筑物的能耗可降低25%～51%。因此，使用建筑隔热保温材料能够很好地解决建筑能耗问题。然而，目前我国仍存在一部分建筑没有有效使用建筑隔热保温材料，致使建筑物的能源消耗与损失十分严重[2]。因此，创新性地研究和开发具有良好隔热保温性能的建筑材料，不仅能够大大减少建筑能源消耗，还能提高室内住所的保温隔热能力，对提升人们生活质量和保护周围环境具有重大的意义[3]。

1 建筑隔热保温材料简介

1.1 建筑隔热保温材料的定义

一般说，隔热保温材料的共同特点是轻质、疏松、多孔、导热系数低，通过有效阻隔建筑物与外界的热量交换来降低建筑物能耗，以实现建筑节能的目的。无机隔热保温材料具有不燃、使用温度宽、耐化学腐蚀性较好等特点。有机隔热保温材料具有吸水率较低、不透水性较佳等特点。一般建筑保温隔热材料的导热系数小于 0.17 W/(m·K)，表观密度小于 1 000 kg/m3，抗压强度大于 0.3 MPa[4]。

1.2 建筑隔热保温材料保温原理

热量传递方式主要有热传递、热辐射、热对流3种。大多数保温材料内部孔隙较多，孔隙中充满着空气，而空气导热系数远低于固体，所以能阻隔热量从高温端向低温端的传递，达到保温隔热的目的。因此，保温材料的原理就是通过材料内部密闭小孔中的空气对热量所具有的慢导性，使得材料温度随外界变化得非常缓慢，最终达到保温效果。

2 隔热保温材料在建筑中的应用

2.1 保温材料在墙体的应用

墙体保温一般分为内墙保温和外墙保温两部分，但内墙保温存在占据室内空间面积、防火能力不足和对室内环境及人体健康产生影响等问题，因此目前我国主要是对外墙应用保温材料以提高墙体隔热能力，而内墙保温只在上海、重庆等少数城市普及。外墙保温主要分为外墙内保温技术和外墙外保温技术，外墙内保温即在墙内侧铺设隔热保温板，整体操作较为简单，目前在我国许多建筑中都有使用，内保温主要应用于保暖，具有室内快速升温的能力[5]。外墙内保温技术成型时间比较早，技术原理简单，安装拆卸和后期维护也比较快捷，对环境也不会产生不良影响。外墙外保温技术将保温层铺设在墙体外侧，能有效降低热桥的发生，从而减少热量的损失，防止外墙出现裂缝等情况，因此能够延长墙体的使用寿命。相比外墙内保温技术，外保温无疑更具优势，然而外墙外保温技术比较复杂，对施工人员和设备的要求较高，对保温材料的性能要求也较为严格[6]。所以很多保温材料无法满足实际要求，外保温技术的施工在短期内难以实现规范和统一。

2.2 保温材料在建筑顶部的应用

建筑物顶部与外界进行大量的热量交换。一般可在屋顶铺膨胀珍珠岩、玻璃棉等保温材料，还可以在天花板上铺设矿物棉毡、垫保温棉等材料来增强保温隔热的性能。屋面有平面屋和非平面屋2种，在屋顶铺设保温隔热材料时，应视屋面的形状和保温材料的具体功能而定，应满足屋顶的防水能力、装潢美观程度等要求[7]。保温材料铺设方法也有不同，玻璃保温棉可以铺到天花板上，也可以和装饰用材料制成天花板来直接铺设。我国已经生产、开发和引进了很多新型保温节能材料，如岩棉、玻璃棉、聚苯乙烯塑料、水泥聚苯板、硅酸盐复合绝热砂浆等[8]。

2.3 保温材料在地下场所的应用

大多数建筑物都有地下室或地下空间，与室内主活动空间分隔开来，处在保温隔热区域之外。在冬季温度较低时，这些地下部分的保温能力将极大降低。热量大量损失，造成地下室内温度降低，随着生产生活要求的提高，地下场所的保温需求也逐渐加大。因此有必要在地下室底部的地板下面铺设保温隔热性能良好的建筑材料。同时，地下场所保温隔热性能的提升也会有助于整个建筑保温隔热体系的构建，从而实现能源的循环利用。

3 建筑隔热保温材料的分类及性质

建筑隔热保温材料导热系数小，具有保温、消音、防火等性能，建筑隔热保温材料的种类很多，按照形态可以分为纤维状、微孔状、层状、气泡状；按照材质可以分为金属保温隔热材料、有机保温隔热材料、无机保温隔热材料。市面上的建筑隔热保温材料以泡沫塑料、矿物棉、膨胀珍珠岩、多孔陶瓷等较为常见[9]。泡沫塑料作为一种重要的有机保温隔热材料，主要分为聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料和聚乙烯泡沫塑料[10]。

1)聚氨酯泡沫塑料最早于20世纪50年代由德国研制使用，具有良好的保温与防水性能。近年来在建筑保温工程中大量使用，在屋顶、墙体等用作保温层效果非常好，目前正逐渐取代传统防水保温层。但当前聚氨脂泡沫塑料的发展到了一个瓶颈期，其制备过程使用的氯氟烃类发泡剂会破坏大气层，目前已被联合国禁止使用。因此许多国家正在逐渐减少聚氨脂泡沫塑料的使用，寻找并使用新型环保发泡剂正成为聚氨脂泡沫保温材料的出路。

2)聚苯乙烯泡沫塑料是目前应用最广泛的一类保温材料，具有保温、吸音、抗冲击等特性，适用于寒冷地区。泡沫塑料保温板和夹心复合板是聚苯乙烯泡沫塑料的主要制品，由于其低廉的价格和优良的保温隔热能力，成为了墙体及屋面保温系统中的主要应用材料。真空聚苯乙烯泡沫材料也是其发展方向之一，虞夏等[9]对比了真空聚苯乙烯泡沫材料和传统聚苯乙烯发泡材料，发现真空聚苯乙烯在制冷领域保温效果更显著，且其价格低廉，经济益好，未来真空聚苯乙烯泡沫材料的发展前景很广阔。我国每年都有大量聚苯乙烯泡沫塑料遭到废弃，造成了部分环境污染，而以废弃聚苯乙烯泡沫塑料为主要原料，可以制备出具有优良保温耐热性能的复合保温材料，这也是聚苯乙烯泡沫保温材料发展的新方向[11]。

3)聚乙烯泡沫塑料发展时间较长，20世纪40年代美国最早研制成功，具有耐热、柔韧、不吸水等优良特性 。当前聚乙烯泡沫保温材料主要以轻质复合材料为主，其轻质、导热系数低等物理特性能够满足一般建筑的保温需求。聚乙烯泡沫塑料价格高昂、防火能力差，加之使用时对温度也有要求，因而目前应用范围不大，但聚乙烯具有很好的加工性能,在聚乙烯等主要原料中加入高分子弹性材料，可以制成具有良好柔韧性能的复合材料，可以满足更多个性化的需求[12]。

矿物棉主要是由沥青和有机物经过特殊工艺制成，1840年最早由英国研制成功，至今已有100多年的发展历史。矿物棉制品价格低廉，保温隔热性能较好，且具有良好的耐火性，一般应用于外墙、屋面房顶等部位的保留隔热，在其他工业领域也得到了大量应用，而且矿物棉材料成本非常低，经济效益显著。但矿物棉制品含有一定的有害物质，会对环境造成一定破坏，而且其强度很低，用作保温隔热层时容易发生塌陷的现象，所以矿物棉制品正逐步被其他材料所取代[13]。

膨胀珍珠岩是由珍珠岩、黑曜岩等原料制成，具有导热系数低、耐火、无毒等优良性质，而且成本很低，主要用作建筑抹灰料、保温填料、保温板材等。20世纪40年代，美国最早开始珍珠岩的工业制备，我国最早于20世纪60年代在大连成功生产珍珠岩制品。李胡勇等[4]以膨胀珍珠岩为原料，水玻璃为胶黏剂，制备出了一种优良的珍珠岩制品，其导热系数为0.065 ～0.074 W/(m·K)，表观密度为284～340 kg/m3，抗压强度为0.55～1.30 MPa。虽然膨胀珍珠岩的保温及防火性能好，但其强度不高，容易吸水，吸水后其保温隔热能力会大幅度降低，所以膨胀珍珠岩的使用范围较小，且使用时需要对其进行疏水处理。

4 发泡陶瓷作为新型建筑隔热保温材料的制备及应用进展

4.1 常用高温发泡陶瓷隔热保温材料的制备

发泡陶瓷通常采用压制成型或直接烧成法，对坯料的要求不高，一般是以粘土、石英、长石为主要原料，添加发泡剂，采用先进的生产工艺在高温下烧成的高气孔率的闭孔陶瓷材料。发泡陶瓷的制备主要有球磨、干燥、造粒、烧成等工艺流程,对不同功能需要的高温陶瓷还可进行装饰和切割等加工处理[14]。

发泡剂在高温下发生分解及氧化还原反应，产生了挥发性气体，并与材料基体共熔，溶剂性组分材料也会在高温的情况下与发泡剂共熔，产生硅酸盐熔体，气体被封闭在材料内部，进而材料不断膨胀。当温度不断地降低，封闭在材料内部的气体会产生闭气孔；而未被熔融状态的高温熔体封闭的气体会产生开气孔[15]。在制备过程中，通过保证原料成分、控制烧成技术，最终获得品质较高的发泡陶瓷。

在制备高温发泡陶瓷时，选用合适的发泡剂是制备的关键。常用的发泡剂主要有碳化硅、铁粉、碳粉、碳酸钙等[16]。曾小州等[17]以氧化铁粉做发泡剂，以瓷砂和废玻璃为主要原料，制备了具有保温和防水功能的高温发泡陶瓷。刘卫东等[18]以硫酸钙作为发泡剂，石英为主要原料，长石为助熔剂，1 600 ℃ 高温制备了泡沫陶瓷样品。实验表明，一般加入0.05%～1.0%的SiC作高温发泡剂时的效果最好。发泡剂细度的不同对发泡效果的影响也会不同，有时会对材料的成色造成影响。以SiC发泡剂为例，颗粒越细，SiC在坯料中的分散度就越高，材料发泡膨胀效果越均匀一致。

烧成技术的控制对发泡陶瓷的制备也起到非常重要的作用，一般来说，烧成技术越好，发泡剂与其他材料反应得就越充分、发泡越多，发泡陶瓷的成品就越好。采用SiC 为发泡剂时，温度和保温时间都会对坯体结构产生影响，通常烧成温度为1 170～1 200 ℃，保温时间为15～25 min，若保温时间太短，气体不能完全挥发出来，材料内部发泡情况会有差异；如果保温时间太长，材料的黏度将会极大地降低，而内部气体的挥发会导致材料的气孔变多，容易对材料的强度等性能产生影响[19]。采用Fe2O3作为发泡剂时，烧成温度应为1 200 ℃左右。

4.2 常用高温发泡陶瓷隔热保温材料的应用进展

高温发泡陶瓷具有保温、耐火、耐腐蚀、防水、吸音等功能，性能稳定。且其在高温烧制过程中不产生有害物质，不会对生态环境造成污染。其应用范围极为广泛，主要用于图书馆、电影院、会议室等场所的防噪，也可用作墙体保温、减重、地下或水下及其他特殊领域的工程材料中，在军事上也可用作防火材料。高温发泡陶瓷最早用于建筑建材中，目前作为介质材料被广泛应用于电力、环保、建筑装潢等领域[20]。

进入21世纪以来，我国对建筑节能提出了更高的要求，新型建筑节能保温材料得到了大量应用，高温发泡陶瓷作为一种多孔陶瓷保温材料，具有气孔率高、保温、防火、消音、强度高等优良性能，能够满足提高建筑保温能力、降低建筑能源消耗的需求。自20世纪70年代，其系列材料被广泛用于各行各业的保温处理中。我国对高温发泡陶瓷技术的研究时间比较长，也已经自主制备出许多高温发泡陶瓷材料，但由于制备技术和相关机器设备的差异，目前我国制备的高温发泡陶瓷的产量及质量仍远落后于发达国家。如今，高温发泡陶瓷凭借其广泛的用途和低廉的价格，日益显现其巨大的市场价值。当前迫切的任务是早日解决高温发泡陶瓷制备上的技术难题、规范建筑行业保温发泡陶瓷的生产，推动我国建筑业发泡陶瓷的应用，进而达到建筑节能的目的。

5 结束语

在科技发展日新月异的今天，能源问题日益突出，建筑领域的能源浪费现象尤为严重。许多建筑保温隔热性能不佳，内部能源传递到外界，造成了巨大损失，而应用保温隔热材料是提高建筑能源利用率的重要一环。常用的保温隔热产品包括多孔陶瓷、泡沫塑料、矿物棉、膨胀珍珠岩等。这些材料价格低廉、保温隔热性能良好、强度高，能起到很好地保温隔热作用。研究与应用保温隔热建筑材料，不但能很好地降低能源的损失与浪费，还能对提高居民的生活舒适程度和维持建筑物周围环境的稳定起到重要作用。在今后的一段时间，对建筑保温隔热材料的深入研究势必会成为我国建筑工程发展的新方向。