新型建筑保溫隔熱材料的研究及應用進展

劉 榮 高文元 ，2

（1.大連工業大學紡織與材料工程學院，遼寧大連116034；2.遼寧新材料與材料改性重點實驗室，遼寧大連116034）

0 引言

近年來世界各國均面臨嚴重的能源問題，我國的能源形勢更是令人堪憂，我國的能源消耗總量已經超過13億噸，占世界能源消耗的近10%，居世界第二位。因此，如何解決能源問題已經迫在眉睫，各國也出臺了許多政策來緩解能源危機。一方面是要開發和勘探新的替代能源，如核能、風能、地熱能、潮汐能、太陽能等來替代碳氫化合物燃料；另一方面就是要做好能源的充分利用以及其相應的配套能源利用設施。保溫隔熱墻體材料便是在此背景之下產生的，它不但做到了生產過程的能源最低化以及制備工藝的最簡單化，而且在實際的建筑物應用中也減少了能源的損耗，真正做到了所謂的節能環保。

此外，我國建筑能耗占據全國總能耗的比例已經達到了30%，同時工業生產和交通運輸中的能耗又有16.7%用于房地產以及建筑行業中，這些能耗加在一起總共有46.7%。此數據在一些發達國家里已經達到了50%以上，而且隨著我國經濟、科學技術的穩步發展以及人們生活質量、城鎮化步伐的加快，這個比例還會上升并達到發達國家的水平[1]。

在過去的十幾年里我國城鎮化步伐十分快，城鎮化率已經躍升到了50%，在這個時期我國房地產業經歷了黃金的發展階段。我國目前已經有430億平方米的建筑存量，其中95%以上為高耗能的建筑物，每年新建的房屋建筑面積占世界的50%以上，2011年全球新建的43億平方米的建筑中有23億來自于中國，這些建筑中大部分并不是節能建筑，再加上我國農村和山區的一些非標準性住宅，這個數值還要增加。

可見做到建筑物節能是一個牽一發而動全身的問題，在此背景下建筑保溫材料近十幾年間發展十分迅速。

1 建筑保溫隔熱材料

保溫隔熱材料是一種對熱對流起到明顯阻礙作用的材料。它通常分為保溫和隔熱兩種形式，把控制室內熱量外流的材料稱為保溫材料，把防止室外熱量進入室內的材料稱為隔熱材料。保溫材料之所以擁有保溫的性能，主要是因為保溫材料的內部擁有許多封閉的孔狀結構，而這些孔里填充了許多的空氣，這些空氣的導熱系數非常低，若保溫材料內部擁有許多這樣的孔的話，那么整個材料自身的導熱系數便會很低，從而達到保溫隔熱的作用。

保溫隔熱材料通常是一種質輕、疏松、多孔、熱導率低的材料。在冬天可以防止熱量從室內傳向室外，達到保溫的作用；在夏天可以有效阻止室外太陽輻射熱進入室內，又起到隔熱的作用。通常所指的保溫隔熱材料系指導熱系數小于0.14 W/(m·K)的材料[2]。用于建筑物的保溫隔熱材料除了具有良好的保溫隔熱性能之外，還需要具有質量輕、容重小、強度（抗折、抗壓強度)高、不燃、耐久性好、耐化學腐蝕性好等特點。一般情況下用于建筑物的保溫隔熱材料要求導熱系數不大小 0.17 W/(m·K)，表觀密度小于1000 k g/m3，抗壓強度大于0.3 MPa。當然在建筑保溫材料的選用時，要綜合保溫隔熱目標、圍護結構的構造、施工的難易、材料來源、經濟核算等因素考慮。

保溫隔熱材料發展到目前為止已經擁有了很多的種類，目前普遍使用的分類方法是根據材料質地劃分，一般分為無機保溫隔熱材料、有機保溫隔熱材料和金屬保溫隔熱材料三類。

2 建筑保溫隔熱材料的作用原理

物體之間只要有溫差的存在，就會發生傳熱現象，物體之間的傳熱是一種復雜的熱能轉移過程，根據不同的物理本質可以分為導熱、對流和輻射三種基本方式。在建筑保溫材料中，固體的傳熱形式是導熱，而材料內部多孔結構中的靜止空氣除了導熱以外，還存在對流和輻射兩種形式，但是對流和輻射所傳導的熱量所占據的比例十分小，所以在建筑熱工計算中并不考慮在內。

建筑保溫材料多為微孔、纖維、氣泡狀、層狀的結構，內部填充了大量的靜止空氣，空氣的熱導率[0.023 W/(m·K)]遠低于固體的熱導率，這使得材料單位時間內傳遞的熱量降低，進而起到保溫隔熱的作用。另外內部大量孔隙的存在也增大了固體導熱的路徑，與密度固體相比大大降低了傳熱速率。

材料的保溫隔熱性能通過熱導率來衡量，它是材料的固有特性。熱導率通常取決于材料的密度、成分、孔隙率、內部結構、含水率等因素，其中密度、濕度、熱流方向和粒度是對熱導率影響比較大的因素。①密度。由于材料中固體物質的導熱能力比空氣要大，因而材料密度越大，導熱性就越好，熱導率越大。這與材料的孔隙率與孔隙特征又有著密切的聯系，一般情況下孔隙率越大密度越低，熱導率越小。在孔隙率相同的條件下，孔隙尺寸越大，熱導率越大?？紫断嗷ミB通比封閉的熱導率要高，這是由于空氣產生對流傳熱的原因（如超細玻璃纖維）。②濕度。材料受潮之后孔隙中會含有水分，而水分的熱導率[0.581 W/(m·K)]遠遠大于空氣的熱導率，使材料的整體熱導率增大。如果受潮之后再產生冰凍情況的話，熱導率會更大，因為冰的熱導率為2.326 W/(m·K)。③熱流方向。它與熱導率的關系十分密切，只存在于各向異性的保溫材料（如纖維狀保溫材料）中，熱流方向與纖維方向相同時，熱阻力小熱導率大。④粒度。大粒度產品堆積時所產生的空隙大，則熱導率必然大，顆粒受熱時尺寸變化也大[3]。

3 幾種新型建筑保溫隔熱材料

基于目前的能源形勢，國內外對于新型保溫材料的研究也越來越受到世界各國的重視。保溫材料的發展是從19世紀70～80年代開始的，我國的保溫材料在1980年之前發展十分緩慢，之后的30年才進入快速發展階段，不少的保溫材料從無到有，從品種單一化到品種的多樣化，從低質量到高質量，已經形成了較健全的建筑保溫材料市場。

3.1 無機建筑保溫隔熱材料

無機建筑保溫隔熱材料是指由非金屬顆粒、粉末或者纖維等材料經過一定的工藝過程制備而成的一種具有低密度、高強度的保溫隔熱材料。這種材料主要包括傳統的保溫材料膨脹珍珠巖石及其制品、礦物棉及其制品，以及近年來研究比較熱的泡沫玻璃、輕質保溫砌塊。

3.1.1 膨脹珍珠巖及其制品

珍珠巖是在火山噴發時形成的一種無機非金屬礦物，它是一種酸性玻璃質熔巖，主要成分是玻璃，同時含少量透長石、石英等結晶質礦物。膨脹珍珠巖是以珍珠巖為原料，并在1250～1300℃的回轉窯中焙燒，最后經過瞬間冷卻在膨脹力的作用下形成的一種多孔輕質白色顆粒，它屬于一種硬質保溫材料。

膨脹珍珠巖具有十分穩定的理化性能，其顆粒內部是蜂窩狀多孔結構，具有良好的絕熱防火性能、較小的堆積密度、化學穩定性好、無毒、不燃、吸濕性好，并且易于砂漿或粘結劑等結合形成不同性能的制品。再者我國是膨脹珍珠巖生產大國，擁有優質的珍珠巖礦物來源，但是珍珠巖也存在一系列的缺點：它不耐酸堿，內含多種礦物成分，酸性或堿性條件都會促使內部物質發生反應，導致性能的變化；它的吸水率高，使得熱導率變化嚴重。

膨脹珍珠巖的這一系列的物化性質使得其在冶金、電力、化工、制冷、食品加工過濾等行業有著廣泛的用途。尤其在建筑業，膨脹珍珠巖的使用可以有效地節約能源。目前膨脹珍珠巖在建筑業的應用主要有：①做墻體圍護材料，直接填充涂抹在墻體或屋頂；②與輕骨料配合使用，做成輕質建筑材料構件；③以膨脹珍珠巖為骨料，配合其它膠粘劑做成隔熱吸音材料；④將膨脹珍珠巖做成涂面材料。另外膨脹珍珠巖制品也發展出了許多種類，如水泥膨脹珍珠巖制品、水玻璃膨脹珍珠巖制品、磷酸鹽膨脹珍珠巖制品、瀝青膨脹珍珠巖制品等。我國針對膨脹珍珠巖已經分布了《膨脹珍珠巖絕熱制品》GB10303-2001國家標準。

Ozkan Sengul[4]等研究了膨脹珍珠巖對輕質混凝土力學性能和熱導率的影響，證明膨脹珍珠巖的加入量對于抗壓強度、彈性模量、吸水率等有明顯的增強作用，保溫效果也大大提高。趙維霞等[5]膨脹珍珠巖和粉煤灰雙摻技術得到了勻質的保溫材料，不但減少了離析和泌水，并且早期強度提高了5%。

3.1.2 礦物棉及其制品

礦物棉主要包括巖棉、玻璃棉、礦渣棉三種，屬于一種無機纖維保溫隔熱材料。巖棉和玻璃棉均是以天然的礦物為主要原料，配以其它一些原料以及工藝手段加工而成的，礦渣棉是以工業廢料（礦渣和石灰石）為原料生產出來的。

礦物棉具有十分優異的保溫隔熱性能，由于內部之間纖維狀的排列結構，其熱導率為0.035～0.048 W/(m·K)。礦物棉是理想的防火材料，礦物纖維具有良好的耐高溫性能，其中玻璃纖維和巖棉纖維的軟化溫度高達900～1000℃，工作溫度也能達到700℃以上，所以使用溫度較高、耐久性好。礦物棉之間由纖維狀結構排列而成，內部存在許多的空隙，所以所有良好的吸聲性，制品使用過程中可以根據厚度的變化來調節吸聲特性。另外礦物棉幾乎不吸水，這就保證了其保溫性能的穩定性。

目前歐洲大部分國家、日本、俄羅斯等對于礦物棉的應用較多，其中瑞典的巖棉工業水平較高。巖棉和玻璃棉在建筑工程上可應用于外墻體和復合外墻板、屋面保溫、吊頂、頂棚、吸聲墻體等；礦渣棉大部分應用于不受水濕的熱力設備和管道。我國針對巖棉、礦渣棉、玻璃棉物理性能指標制定了《建筑用巖棉、礦渣棉絕熱制品》G B/T19686-2005國家標準和《建筑絕熱用玻璃棉制品》G B/T17795-1999國家標準。

3.1.3 泡沫玻璃

泡沫玻璃是一種無機的多孔（閉孔）保溫隔熱材料，它主要是利用廢玻璃以及石灰石、焦炭等發泡劑在高溫下燒制而成，故主要成分是SiO2。

泡沫玻璃內部含有一半以上的閉孔結構，并且孔內填充的氣體因發泡劑的不同而各異，這使得材料本身具有較好的保溫隔熱性能。光泡沫玻璃的吸水率十分低甚至完全不吸水，內部孔為封閉式的，因此也幾乎不透水，在建筑材料中應用十分廣泛。泡沫玻璃的線膨脹系數是所有保溫材料中最低的，與水泥或鋼鐵等建筑結構材料最接近，不會因為建筑物的熱脹冷縮而開裂。但是泡沫玻璃存在一個致命的缺點，它是一種具有極高脆性的材料，十分容易破碎，不便于存放，所以泡沫玻璃的應用范圍也因此受到限制。

泡沫玻璃的特點決定其不應用于建筑承重材料，一般用作建筑裝飾材料。它可用作門窗材料，來降低保溫、降噪；還可以用作屋頂防水隔熱，在國外泡沫玻璃作為輕質填充材料應用在市政建設上。我國對于泡沫玻璃也已經頒布了行業標準《泡沫玻璃絕熱制品》JC/T647-1996。

3.1.4 新型輕質保溫砌塊（板、磚）

新型輕質保溫砌塊（板、磚）是近年來發展起來的一種無機保溫材料，它一般利用一些工業和生活廢棄物配合水泥、發泡劑及水等使用，在降低成本的同時有效利用了資源，減少了對環境的污染。輕質保溫砌塊（板、磚）分為燒結和非燒結兩種類型。燒結砌塊是在高溫（800℃以上）下通過物質內部的化學反應產生晶體結構的變化得到的，如燒結糖濾泥多孔材料、燒結硅藻土保溫材料等；而非燒結砌塊是通過攪拌混合工藝在自然條件或低溫蒸汽條件下養護制得的，如加氣（泡沫）混凝土、泡沫水泥、石膏空心砌塊等。

（1）加氣（泡沫）混凝土砌塊。它比傳統的粘土材料質量要輕的多，密度要小的多，一般為500 k g/m3，因此可以大大減少建筑物的自重，提高抗震性能。我國加氣混凝土的種類主要是以水泥、礦渣、砂、石灰、粉煤灰這五種原料相互配合，所制得的混凝土砌塊不但具有較高的早期強度，其后期強度也不會降低甚至還會超過前期的強度。我國針對混凝土砌塊也制定了國家標準，具體見《普通混凝土小型空心砌塊》G B8239-1997。但是自然條件下由于干濕循環所引起的受力不均勻會導致加氣混凝土易出現收縮干裂的現象，再者加氣混凝土表面還會出現鹽析現象引起制品表層脫落，這些都是加氣混凝土保溫材料急需解決的問題。

（2）石膏空心砌塊。它以石膏為主要原料，配以定量的輕質骨料以及化學外加劑經過澆注制成，內部形成許多柱狀孔洞結構，因此具有良好的保溫隔熱性能。石膏砌塊強度與水灰比、干燥條件有著密切的聯系，在加工制作的過程要特別注意。

3.2 有機建筑保溫隔熱材料

有機保溫隔熱材料在建筑保溫材料中占有重要的地位，它通常是以高分子化合物或聚合物為主要原料，加以各種化學添加劑經過一定的工藝過程制得的。有機建筑保溫材料主要包括三種類型，分別是聚苯乙烯泡沫塑料（P S）、聚氨酯泡沫塑料（PUF）、酚醛泡沫塑料，另外還包括聚氯乙烯泡沫塑料、脲醛泡沫塑料等。

3.2.1 聚苯乙烯泡沫塑料

它的主要原料是聚苯乙烯樹脂，目前按照生產方法的不同有兩種應用比較廣泛的材料分別是模塑型聚苯乙烯樹脂泡沫塑料（E P S）和擠塑型聚苯乙烯樹脂泡沫塑料（X P S）。二者的物化性能也不盡相同，E P S吸水率比X P S要大，耐酸堿性要好，有一定的彈性，但是它們都具有極好的保溫性能，其中E P S材料中的孔并不是全封閉式的。它們的這些性能受到建筑業的親睞，成為建筑節能中一種十分重要的保溫材料。

3.2.2 聚氨酯泡沫（PUF）塑料

聚氨酯泡沫的主要原料是聚合物多元醇和異氰酸，在其它化學助劑、表面活性劑的催化下制成的一種高分子泡沫保溫材料，根據發泡情況的不同又分為硬質和軟質聚氨酯泡沫。硬質聚氨酯泡沫的是保溫隔熱性能特別好，結構內部為封閉的多孔結構，并且孔與孔之間相互不連通，因此具有良好的防水性，可以做為屋頂和墻體保溫防水材料。這種材料既可以預先成型，又可以現場噴涂成型，方便操作。但是它的成本相比其它保溫材料來講比較高，并且在高溫下灼燒時會釋放出清煙，對人體非常不利。

3.2.3 酚醛泡沫塑料

酚醛泡沫塑料的主要原料是酚醛樹酯，根據發泡工藝的不同可以分為機械發泡酚醛泡沫和化學發泡酚醛泡沫。機械發泡所得到的制品是張開的連通孔，致使其保溫性能遠遠不如化學發泡制品，因此根據制品工作需求可以選擇不同的發泡方法。酚醛泡沫的防火性能比PUF好的多，它通常在火焰直接作用1 h下仍無熔化、滴落物等現象，這相比其它高分子具有較強優勢[6]。

3.3 金屬類建筑保溫隔熱材料

此類材料主要是指金屬面夾心板，由上下兩層以及中間的夾芯組合而成。中間的夾層芯材可以是無機的巖棉、珍珠巖、輕質混凝土，也可以是有機的聚苯乙烯泡沫顆粒、聚氨酯硬質泡沫，層與層之間通過粘結劑粘結而成。目前金屬類的面夾心板主要應用于大跨度的建筑圍護材料中。它的優點是強度高、質量輕、方便拆等，但是金屬表面易于腐蝕，因此這種材料一般不用于住宅建筑中。

4 建筑保溫隔熱材料的發展趨勢

建筑保溫隔熱材料在我國經過幾十年的發展已經越來越成熟，但是與國際先進水平相比還有很大的差距。目前，建筑保溫材料正向著高性能化、多功能復合化、環境友好化等方向發展。

由之前的傳統發泡技術向外部直接引進帶孔物質，或者通過散料堆積直接形成孔隙發展。如膨脹珍珠巖砂漿、膨脹蛭石砂漿、玻璃微珠、中空纖維等，它們都呈現出優良的保溫隔熱性能，力學強度也可以達到建筑材料的標準，隨著日后技術的日益成熟，這些材料在保溫材料的應用會更加廣泛。

黃鴻胤等[7]通過研究組分對填充型膨脹珍珠巖砂漿性能的影響，發現膨脹珍珠巖的摻量對砂漿的流動性以及孔隙率都有一定的影響，并且對制品的抗壓強度也有不同程度的影響。馬玲等[8]以膨脹蛭石為原料配制無機砂漿，比較了玻化微珠保溫砂漿的物理熱工性能的差異，發現膨脹蛭石與?；⒅閺秃仙皾{的性能優于單一?；⒅樗嗷鶡o機保溫砂漿。張之穎等[9]研究了空心玻璃微珠含量比對涂料隔熱性能的影響，指出空心玻璃微珠涂料是一種良好的保溫材料具有優良的隔熱效果。李貴佳等[10]對填充料不同的堿金屬粘結劑做了導熱系數分析，發現空心氧化鋯纖維的保溫效果遠比多孔陶瓷土、陶瓷微珠、玻璃微珠好。

由微孔保溫材料向納米孔保溫材料發展。隨著納米技術的日趨成熟，納米孔保溫材料也隨即發展起來，其中主要是SiO2氣凝膠。它運用超臨界干燥法并保留SiO2在凝膠狀態下排列所得到的，與傳統意義的保溫材料相比，它具有明顯的體積小、質量更輕的優點。由于其制備方法的限制，成本比較大，一般應用于航空、航天等領域，但是隨著技術的成熟，納米級保溫材料會成為未來發展的趨勢。

向多種材料、多層復合方向發展。我國對于建筑保溫材料的需求日益加大，對于多種材料復合、多層材料復合實現材料的多功能化更是未來發展方向。它包括無機材料與無機材料的復合、無機材料與有機材料的復合、無機材料與金屬材料的復合、有機材料與金屬材料的復合等，這些材料可以綜合無機、有機和金屬材料的性能，實現材料多功能化效果。

5 結語

近年來建筑保溫材料發展十分迅速，這與國家政策以及人們的需求是分不開的，對于保溫隔熱材料的性能要求也在不斷的提高。日后除了發展多功能復合建筑保溫材料、納米孔建筑保溫隔熱材料外，還要重視向環境友好型材料發展，實現資源環境效益、技術產品效益、功能舒適效益的三豐收。

1 江億.中國建筑能耗現狀及節能途徑分析.新建筑,2008,(2)：4～7

2 王慧利,鄧建國等.多孔隔熱材料的研究現狀與進展.化工新型材料,2011,39(12)

3 3 A.M.Papadopoulos.State of the art in thermal insulation materials andaims for future developments.Energy and Buildings,2005(77~86)

4 SENGUL O.Effect of expanded perlite on the mechanical propertiesand thermal conductivity of lightweight concrete.Energy andBuildings, 2011, 43: 671~676

5 趙維霞,楊海勇等.雙摻粉煤灰和膨脹珍珠巖對泡沫混凝土性能的影響.粉煤灰綜合利用,2010,6

6 蘇潔,于穎穎.酚醛保溫材料在建筑節能中的應用.建筑與工程,2009,15

7 黃鴻胤,鮑旺等.組分對填充型膨脹珍珠巖砂漿性能的影響.新型建筑材料,2012

8 馬玲,雷賢慶等.膨脹蛭石與?；⒅閺秃蠠o機保溫砂漿應用研究.中國西部科技,2012,11（2）

9 張之穎,張丹等.空心玻璃微珠含量比對涂料隔熱的影響.功能材料,2007,38:3151～3155

10 李貴佳.輕質薄型復合材料的研究.濟南:山東大學,2005