外墻外保溫材料性能分析及應用思考

于 原（中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024）

1 研究背景

目前，我國大規模應用的外墻外保溫材料主要是模塑聚苯乙烯泡沫和擠塑聚苯乙烯泡沫，這些材料質輕、閉氣，防水性、絕熱性好，因此被保溫行業廣泛使用。但是，在實際應用和檢驗中發現，如果這些有機保溫材料沒有經過化學分子結構的改性，只是簡單地添加阻燃劑，一旦遇到火源仍易燃燒，并且高溫時還會發生蔓延和轟燃現象，火災隱患并未根治。

從北京央視大樓和上海靖安大廈兩例特大火災案件中不難窺見，外墻外保溫材料起火主要是由于內、外兩方面原因共同造成的：于“外”，往往是指“偶然”的違規操作。但是，通過嚴格的操作規程、有效的現場管控以及得當的人員培訓是可以降低其發生的幾率；于“內”，通常是指保溫材料的特性。由于現階段，我國大規模采用的外墻外保溫材料為模塑聚苯乙烯泡沫和擠塑聚苯乙烯泡沫，均屬于可燃材料，防火性能不佳。而在實際施工過程中，又無法完全避免明火情況的發生，因此，最根本解決問題的辦法就是采用難燃、不燃的材料，力求杜絕此類火災的發生。

國內市場上常見的，可用于替代EPS（聚苯乙烯泡沫）和XPS（擠塑聚苯乙烯泡沫）的保溫材料分為無機保溫材料（以巖棉、玻璃棉以及泡沫玻璃為代表）和有機保溫材料（以聚氨酯PU以及酚醛泡沫為代表）兩大類。下面，根據每個替代品的工藝流程、性能特點以及應用現況等逐一進行分析、描述。在比較優、劣勢之后，以上述替代品的局限性作為切入點展開深層次思考，找到未來行業技術的發展方向。

2 外墻外保溫材料介紹

1 玻璃棉

玻璃棉屬于玻璃纖維中的一個類別，是一種人造無機纖維。國內企業多采用離心法技術加工成型玻璃棉氈或板，即以碎玻璃、石英砂、石灰石、白云石等為主要原料，配合一些純堿、硼砂等輔助原料，按固定的比例投放進窖爐，在一定溫度下熔成玻璃液。然后，與粘結劑（調和液+樹脂）混合，在熔融狀態下，借助外力吹制式甩成絮狀細纖維，最后利用集錦機中的負壓收集在網帶上，從而形成玻璃棉氈。如若成板，則還需在固化爐鏈板和熱風循環的雙重作用下，壓制而成。

正是由于離心玻璃棉內部的纖維不規則地蓬松交錯，阻止了空氣的流動，削弱了對流在熱傳導中的作用，所以其有不錯的保溫、隔熱效果。另外，材料存在大量微小的孔隙，這些無數細小而深入并相互貫通的孔洞能使聲波受到磨擦和粘滯阻力，使其又具有良好的吸聲特性。同時，貌似看來抗拉強度不高的離心玻璃棉卻因為絲徑纖細（5μm～7μm），絲面微紋既少又小，在抗拉強度方面卻有著驚人的表現。最為重要的，玻璃棉屬于人工制成的無機材料一種，燃燒性能可達到A 級的要求，符合國家優先發展不燃保溫材料的政策導向。

當然，離心玻璃棉的劣勢也不容小視。首當其沖的是將調和液與樹脂在配制成粘結劑的過程中會產生甲醛和苯酚。甲醛是一種無色易溶的刺激性氣體，吸收低劑量的甲醛可引起慢性呼吸道疾病，甚至導致鼻咽癌；苯為無色具有特殊芳香味，是室內揮發性有機物之一且被有關專家確認為嚴重致癌物質。此外，在安裝和拆卸過程中釋放到空氣中的人造纖維也會對人體組織造成損傷。其次，玻璃棉表面及內部存在大量且連通的孔隙，所以親水性能好，抗滲能力差。因此，當受到雨水沖淋后，會吸收大量水分而導致強度降低、導熱系數加大。最后，當離心玻璃棉直接應用于外墻時，其內部紋理勢必與基材表面平行，再加上自身容重較輕，致使抗剝離性能較差。

對于上述問題，當前可采取的辦法有：⑴使用環保型粘合劑并加入一定量憎水劑，從而一方面減少或消除對環境的污染、對人體的傷害，另一方面提高防水性能，趨于接近憎水材料；⑵在離心玻璃棉氈或板的兩面分別粘貼玻纖布和鋁箔，不僅可以防止纖維飛散而且還達到防潮效果；⑶直接在勻質離心玻璃棉的基礎上增強抗剝離性能的途徑很少，只有采取曲線迂回的方法，將離心玻璃棉氈豎向（垂直于絲向）切割成條形狀，在長邊對接拼合成面板后上下兩面再加貼金屬飾面層，形成復合輕板。如此一來，通過整個復合輕板體系的共同作用，間接提高了離心玻璃棉的抗剝離性能。另外，還有一種理論上的可能性，就是將集錦機和褶皺機結合利用，使網帶收集的玻璃棉絲進行疊層處理，從而改變了原來單一的橫向紋理結構，直接提高了材料的抗剝離性能。但是，此種可能性還處于推測階段，需要進一步嚴謹的科學論證和大量的實驗數據作為前提和依據。

2 巖棉

巖棉由玄武巖、白云石等為主要原材料，在沖天爐或燃氣池爐中融化成液狀，經四輥離心機高速甩絲成纖，同時噴入適量專用粘合劑，合成巖棉纖維。然后，通過捕集帶收集、定速擺錘、固化爐成型，最后切割成不同規格的巖棉板制品。

巖棉是一種優質高效的保溫材料，它具有良好的保溫隔熱、隔聲及吸聲性能，與傳統的保溫材料相比，具有密度小、導熱系數低、不燃燒、防火無毒、適用范圍廣、化學性能穩定、使用周期長等突出優點。在國外，尤其是歐洲的建筑市場中大量使用了巖棉制品，北歐人均消耗量在20 kg 以上，美國人均消耗量為5-10 kg。由于防火問題，在美國巖礦棉占70%，在德國超過22 米高的建筑外保溫幾乎全部采用巖棉保溫材料。但在我國，巖棉作為建筑保溫材料的使用率還較低，主要應用于能源、石油化工、船舶工業和建筑輕板的絕熱、防火、隔聲等方面，而在民用建筑中應用得很少，特別是外墻外保溫的應用仍是空白。究其原因主要是由于以下幾點造成的：

⑴在原材料選用方面，與玻璃棉所采用的充分利用廢舊物資發展循環經濟的碎玻璃不同，巖棉主要所用的玄武巖、白云石均為不可再生且無法循環利用資源，此與我國節能降耗的整體發展態勢不相符；

⑵巖棉被水浸泡后馬上軟塌，因此喪失了許多原有的優良性能；

⑶國產“巖棉板”的技術性能較國外產品有很大差距，主要表現在抗拉強度及吸水率方面，而這兩項指標正是限制巖制板應用于外墻外保溫系統很關鍵的指標。影響這兩項指標的原因在于酸度系數偏低，硅氧-鋁氧骨干結構不合理以及在成型過程中設備自動控制程度不高。

對于生產原材料不可循環利用這塊短板，我們可以換一個角度，從廢棄的巖棉制品著手，尋求一條資源可持續發展之路。首先一種可行性方法是對廢棄巖棉進行破碎、梳理和風選,去除雜質后制成均勻疏松的巖棉纖維，混入粘結劑、防水劑等，在壓制設備上壓制成硬質巖棉磚。此技術制成的硬質保溫磚不僅可用于炎熱地區的屋面隔熱，又可用于嚴寒地區屋面保溫，大量節省了取暖費和空調費；其次一種可行性方法是將廢巖棉通過擠壓、剪切的方式制成顆粒狀，而后再將這些顆粒與水泥或者石膏粉等膠結料進行干拌，重新成為一種建筑材料。

巖棉板外墻外保溫系統常見的病害基本都與體系浸水有關，對于該體系，如何降低水分的侵入就顯得非常關鍵。可以從兩方面入手：一方面，在工藝流程中將高效憎水劑添加于粘合劑中，使生產的巖棉板制品具有高效憎水的性能；另一方面，提高巖棉板外墻外保溫系統中抹面砂漿的防水性與抗裂性，阻止巖棉板與水分接觸。

由于巖棉體內硅氧四面體和鋁氧四面體結構骨架內能偏高會造成酸度系數偏低，導致抗濕熱性能、彈性、抗拉強度和熱穩定性等偏低。而成型過程中設備自動控制程度不高，也導致板材中纖維的三維分布狀況不理想，使得板材的抗壓、抗拉、抗剪強度偏低，彈性不好。因此，只有通過改進原料配方，提高酸度系數，優化熔制和固化工藝，開發深度打摺工藝等方法，才能縮小國內、外巖棉產品的技術差距，使我國巖棉大規模用于外墻外保溫變為可能。

3 泡沫玻璃

泡沫玻璃是一種無機硬質保溫材料，由無機玻璃作為主要原料，加入碳酸鹽等發泡劑和其他輔料，將其一起磨細混合均勻后放在耐熱鋼模具內，再在爐窯中經過高溫燒結發泡和退火冷卻處理制成。

泡沫玻璃的物理化學性能突出：其具有較好的抗腐蝕性，作為外墻保溫材料，可以防止酸雨或酸霧對外墻的腐蝕性，可以防止大氣碳化，可以增強外墻對紫外線的抵抗能力。此外，泡沫玻璃還具有良好的物理性能：它可以耐高溫與低溫，能在-196℃-400℃的環境中正常使用；它的抗水能力與抗凍能力較強；它是不燃性的材料，并且無毒，不會污染空氣，也不會對人們的身體造成危害。但是，泡沫玻璃在我國建筑保溫領域的應用還比較少，主要原因是其價格比較高，無法大面積推廣使用。

細下分析，造成國內泡沫玻璃價格居高不下的“元兇”是由于技術工藝上的落后，即泡沫玻璃的組成設計缺乏有效的實踐驗證、采用有模離散型發泡工藝、產品質量差、成品率低。因此，在政府部門建立有效機制以推動泡沫玻璃保溫材料在建筑節能領域的應用和生產企業加大對各種高性能泡沫玻璃研發的基礎上，引進國外先進的無模連續發泡技術，同時學習科學的管理模式，以實現泡沫玻璃保溫材料健康、快速的發展。

4 酚醛泡沫

由熱固性酚醛樹脂發泡而成的酚醛泡沫是一種性能優異的防火、節能隔熱、隔音的輕質難燃材料。其遇火后表面略有碳化卻不燒穿，既不會著火也不會散發濃煙和毒氣。并且，在所有保溫材料中，其具有最低的導熱系數。

但是，酚醛泡沫材質本身較脆、易粉化成為其廣泛應用于民用建筑保溫的最大障礙。目前，可以通過化學和物理方法進行性能提升，從而達到改善缺點的目的。化學方法：通過一些助劑的添加改變酚醛泡沫板分子結構；物理方法：開發酚醛泡沫復合保溫板。也就是說，以酚醛泡沫為芯材，表面復合一層聚合物砂漿以及玻璃纖維網格布。其中，聚合物砂漿和網格布與酚醛表面的復合過程在工廠一次預制成型。

5 聚氨酯PU

世界上公認的最佳保溫絕熱材料為聚氨酯PU。聚氨酯PU 屬于熱固性（材料被加熱時不能軟化和反復塑制）有機材料，通過雙組份液料反應交聯固化發泡而形成。其呈網狀結構，耐高溫性能、結構穩定性和結構強度等物化綜合性能比普通塑料泡沫要優越得多。聚氨酯PU 未經阻燃加工處理時，屬易燃體。但是，在引入難燃、耐溫、低發煙、低毒性的環狀結構化合物或具有難燃結構聚合物納米顆粒后，聚氨酯PU 內部性質發生變化，在遇火時不產生收縮，同時形成一層碳化層，隔絕了熱量的傳遞和氧份的滲透，從而阻止火焰繼續擴張，不產生蔓延燃燒現象。

3 行業分析

公安部和消防局于2011年3 月14 日發布了《關于進一步明確民用建筑外保溫材料消防監督管理有關要求的通知》(公消［2011］65 號)，該《通知》要求民用建筑外保溫材料采用燃燒性能為A級的材料。為此，有機保溫材料燃燒性能基本上都不滿足要求，只有無機保溫材料燃燒性能方可達到A 級。雖然，同年8 月，公安部和建設部又共同發出《民用建筑外保溫系統及外墻裝飾防火規定》（征求意見稿），其中在第一章第二條中規定“民用建筑外保溫材料的燃燒性能宜為A 級，且不應低于B1 級（新標準B 級）”，比年初“65號文”的語氣態度稍微緩和，但是從中可見端倪的是國家對于使用不燃保溫材料的大力倡導和主推方向。此外，以聚氨酯PU 為代表的部分有機保溫材料的燃燒性能等級為B2 級（新標準E 級），即使加了阻燃劑或阻燃處理，也只能達到B1級（新標準B 級）。可是，一旦發生火災，火苗會通過窗戶或者挑臺等位置燃燒到其他位置，甚至波及整棟建筑。同時，這些有機材料在燃燒過程中，放出的煙毒性很大，也是火災時危害人民群眾的主要源頭。

4 結語

綜上所述，玻璃棉、巖棉和泡沫玻璃均為不燃材料，應用于外墻外保溫系統的舉措即符合國家所倡導的宏觀政策，也順應國外先進的技術潮流。但是，三者的性能局限性和未來技術發展方向也應該引人注意，發人深思，故歸結如下：

⑴玻璃棉抗剝離性能差。可將集錦機和褶皺機結合利用，使網帶收集的玻璃棉絲進行疊層處理，從而改變了原來單一的橫向紋理結構，直接提高了材料的抗剝離性能；

⑵巖棉體內硅氧四面體和鋁氧四面體結構骨架內能偏高會造成酸度系數偏低，導致抗濕熱性能、彈性、抗拉強度和熱穩定性等偏低。而成型過程中設備自動控制程度不高，也會導致板材中纖維的三維分布狀況不理想，使得板材的抗壓、抗拉、抗剪強度偏低，彈性不好。可改進原料配方，提高酸度系數，優化熔制和固化工藝，開發深度打摺工藝；

⑶泡沫玻璃價格高。在政府部門建立有效機制以推動泡沫玻璃保溫材料在建筑節能領域的應用和生產企業加大對各種高性能泡沫玻璃研發的基礎上，引進國外先進的無模連續發泡技術，同時學習科學的管理模式，從而減少不合格率，提高產能，降低成本和價格。

[1]GB/T25975-2010 建筑外墻外保溫用巖棉制品，中國標準出版社，2011

[2]GB/T25975-2007絕熱用硬質酚醛泡沫之品（PF），中國標準出版社，2007

[3]GB50404-2007 硬泡聚氨酯保溫防水工程技術規范，中國計劃出版社，2007