絕熱保溫材料研究進展

凡雙玉 韓衛濟

摘 要：文章在綜合迄今為止絕熱保溫材料的研究、生產和應用方面研究的基礎上，重點介紹了聚丙烯泡沫、聚異氰脲酸脂泡沫、納米氣凝膠等幾種新型環保型絕熱保溫材料，并對其研究進展和應用進行了總結。

關鍵詞：絕熱保溫材料；環保；聚丙烯泡沫；聚異氰脲酸脂泡沫；納米氣凝膠

1 概述

絕熱材料是指在平均溫度等于或小于623K（350℃）時，熱導率小于0.14W/（m·K）的材料[1]。絕熱材料又稱為保溫或保冷材料[2]。航天領域中熱力設備及管道用保溫材料多為無機絕熱材料，具有不腐爛、不燃燒、耐高溫等特點；普冷下的保冷材料多用有機絕熱材料，具有極小的導熱系數、耐低溫、易燃等特點。前者主要發展了石棉、玻璃纖維、泡沫玻璃、硅酸鈣材料體系，后者主要發展了聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、酚醛樹脂泡沫材料體系。隨著絕熱材料使用行業的迅速發展，傳統絕熱保溫產品已不能滿足社會和工業需求，近些年來，既有保溫材料不斷升級完善，新型環境友好型保溫材料應運而生，絕熱保溫材料的組成體系和性能特點也正在逐漸的擴大化。

2 絕熱保溫材料發展現狀

2.1 泡沫塑料保溫隔熱材料

泡沫塑料作為一種重要的有機保溫隔熱材料主要有聚苯乙烯、聚氨酯、酚醛泡沫塑料三種。有機類保溫材料具有導熱系數低、吸濕性小、容重輕、價格便宜等優點；缺點是不耐高溫、親和性較差、易燃等。目前應用比較多的是聚氨酯泡沫塑料（PU）、聚苯乙烯泡沫塑料（PS）和酚醛（PF）泡沫塑料。

聚氨酯泡沫塑料由含有羥基的聚醚樹脂或聚酯樹脂與異氰酸酯反應構成聚氨酯主體，由異氰酸酯與水反應產生CO2氣體，或用低沸點氟氯烴受熱氣化而成，閉孔率可高達92%。聚氨酯泡沫塑料一般可分為：硬質泡沫塑料、軟質泡沫塑料、半硬質泡沫。其中硬質泡沫塑料制品熱導率低、質輕，廣泛用作保溫隔熱材料，具有優異的抗水滲透性、機械強度和抗老化性。

聚苯乙烯泡沫塑料板，是以聚苯乙烯樹脂為基料，加入一定劑量的含低沸點液體發泡劑、催化劑、穩定劑等輔助材料，經加熱后使可發性聚苯乙烯珠粒預發泡，然后在模具中加熱而制得的一種具有密閉孔結構的聚苯乙烯泡沫塑料。聚苯乙烯泡沫塑料類是目前使用最普遍的一種保溫隔熱材料，聚苯乙烯泡沫塑料制品具有質輕、吸水性小、保溫隔熱性能良好，吸聲良好、價格低的性能。

酚醛樹脂泡沫保溫材料是由酚醛齊聚物通過交聯發泡制成的。酚醛樹脂分為熱固性樹脂和線型酚醛樹脂兩類。具有導熱系數低（近期已經研制出導熱系數僅為（0.0175 W/（m·K））的酚醛泡沫塑料）力學性能好、尺寸穩定、吸水率低、耐熱性好、電絕緣性優良、難燃、良好的耐酸性和耐溶劑性等優點，尤其適合于某些特殊場合作隔熱保溫材料或其他功能性材料。其優異的防火阻燃性是以上兩種泡沫塑料無以媲美的，它可以長期在130℃下工作，抗火焰穿透時間可達1h以上。酚醛樹脂與其它材料共混改性，可以制備出性能極優良的復合保溫材料，如密度小于50kg/m3的泡沫玻璃為填料的玻璃酚醛泡沫塑料極限抗壓強度可達0.16MPa，使用年限可超25年。酚醛泡沫均勻的細孔結構，決定了它的導熱能力小。不管在0℃以上還是以下，導熱系數都隨著溫度的升高和平穩的升高，因而在實際應用中表現出特優的絕熱和絕冷作用。如表1對幾種常用保溫隔熱材料的性能進行了對比。

2.2 復合硅酸鹽保溫材料

復合硅酸鹽保溫材料具有導熱系數低、可塑性強、耐高溫、收縮率小等特點。主要種類有硅酸鎂、硅鎂鋁、稀土復合保溫材料等。而近年出現的海泡石保溫隔熱材料作為復合硅酸鹽保溫材料中的佼佼者，海泡石保溫隔熱材料是以特種非金屬礦物質-海泡石為主要原料，輔以多種變質礦物原料、添加助劑，采用新工藝經發泡復合面而成。該材料無毒、無味，為灰白色靜電無機膏體，干燥成型后為灰白色封閉網狀結構物。其顯著特點是導熱系數小，溫度使用范圍廣，抗老化、輕質、隔音、阻燃、施工簡便、成本低等。廣泛應用在石油、化工、電力、冶煉、交通、輕工與國防工業等部門的熱力設備，管道的保溫隔熱和煙囪內壁、爐窯外殼的保溫（冷）工程中。

2.3 玻璃棉制品保溫材料

玻璃棉是以硅砂、石灰石、螢石等礦物為主要原料，熔化后經過特殊工藝將熔融玻璃液制成無機纖維。質輕，導熱系數為0.034W/（m·K），是非燃材料，最高使用溫度300℃，抗老化，不溶于水和有機溶劑，但缺點是吸水率大，須防水處理。玻璃棉使用壽命較短，它受潮后易變形，即使風干后也不能恢復至原來的性能。在由于成本低廉、施工方便，是空調工程中較為廣泛使用的一種保溫材料。

2.4 泡沫玻璃保溫材料

泡沫玻璃是由定量的碎玻璃、發泡劑、改性添加劑和促進劑等，經過細粉碎混合均勻后、放入到特定的磨具中，經過預熱、熔融、發泡、退火等工藝制成的多孔玻璃。是一種性能優越的絕熱（保冷）、吸聲、防潮、防火的輕質高強建筑材料和裝飾材料，泡沫玻璃的工作溫度范圍為-200～+430℃、導熱系數為0.058W/（m·K），膨脹系數較小（8×10℃），且可逆，因此材料性能長期不變，不易脆化，穩定性好。

3 新型環境友好型保溫絕熱材料

3.1 聚丙烯泡沫保溫材料

聚丙烯發泡材料以其優良的力學性能和環保性能，引起了廣泛的關注。聚丙烯發泡材料具有優良的耐熱性，使用溫度范圍-20℃～+150℃；作業溫度下的制品尺寸穩定，優良的力學性能彎曲模量高，具有良好的耐沖擊性能；環境友好性出色，燃燒時無毒氣放出，可自然光降解，易于回收；具有優良的耐化學腐蝕性，但聚丙烯是一種結晶聚合物，其發泡只能在結晶熔點附近進行，超過熔點熔體粘度迅速下降使發泡成型非常困難。

BASF公司的Neopolen P系列泡沫塑料的粒子呈球狀，以非交聯閉孔為主要結構。這種結構制造的制品質量輕，吸收沖擊載荷的能力強，形變后回復率高，吸水率低，耐腐蝕性好，耐熱及隔熱性強。Neopolen P系列粒子密度為20～85kg/m3，不含氟利昂等有害發泡劑，可用于接觸食物，干凈的回收料可再次回收利用。

Sentinel公司正在與Dow化學公司合作生產Strandfoam的PP發泡板，采用共擠出方法，先擠出多層發泡片材，然后迅速冷卻使其堅硬而且高度取向，制得密度 0.1～0.5g/cm3以及厚度1～3.5mm的聚丙烯片材。這些片材可以用于食品或肉品包裝，還可以用于制作薄殼制品、各種器皿（盤、碟、碗、盒等），以及汽車中的消音和絕緣材料等用的內插件。此外，用共擠出方法將發泡層和密實的覆蓋層相結合，可以得到十分良好的表觀質量和更好的柔韌性；光潔的表面也改善了表面的光學性能和印刷性。這種板可以用作沖浪板。該公司正在開發其在絕緣和汽車上的應用。

Packaging Trays公司已經在旋轉熱成型機上熱成型發泡PP片材。PP泡沫除了價格上低廉，其還可在微波爐中安全使用。該公司采用化學交聯劑生產的發泡PP片材密度為0.5g/cm3在工業中的應用主要是在汽車工業上，如地毯背襯材料、遮光板、門襯和行李架等。

目前國內在硬脂酸鋇對聚丙烯發泡過程的影響及其機理等方面曾有過一定的研究，但總體上，在聚丙烯發泡技術方面的研究與實際應用中需要的水平仍相差很遠。聚丙烯良好的耐應力開裂性能，使PP從擠出到熱成型加工成本低于PS， 因此PP發泡制品備受人們的青睞。聚丙烯發泡材料，尤其是發泡片材在我國有著廣泛的應用前景。

3.2 聚異氰脲酸脂泡沫保溫材料

聚異氰脲酸脂泡沫塑料（PIR），由異氫酸醋為主要原料，加入催化劑等其它輔料通過自聚反應發泡而成的高分子化合物，如圖1所示，該分子結構中含有異氰脲酸脂環，形成封閉的多孔結構。PIR節能保溫板，不僅不含氟利昂、甲醛、游離苯等有害物質，還具有防火和高保溫功能，保溫效果比聚氨酯泡沫提高了30%左右，更是聚苯板、酚醛板、玻璃棉的兩倍，導熱系數低達0.018W/（m·K）（25℃），是新一代環保型保溫材料。

PIR節能保溫板擁有十分優異的防火性能，機理是通過添加復配反應型的阻燃劑或采取異氰酸酯過量三聚反應原理，在聚異氰脲酸酯環狀分子結構中引入了大量的聚氨酯分子鏈段，使得阻燃劑滲透到分子結構凝聚相中，從分子架構層次上提高泡沫的阻燃性能，遇火時阻燃劑可阻止CO氧化為CO2，對凝聚相形成一層薄的玻璃狀液態保護膜，隔絕或降低了氧氣擴散和氣相與固相之間的熱量傳遞，從而抑制了炭的氧化，阻礙火焰向泡沫內部燃燒，且發煙量低，刺激小，無融滴現象，本體幾乎無明火。PIR泡沫兼具更超越了聚異氰脲酸酯和聚氨酯兩種材料的全部優異性能。經DOW實驗室、中國科學院理化技術研究所低溫實驗室測試PIR節能保溫板的允許工作溫度范圍為-265℃～+205℃，物理性能穩定，無變形、融塌、鼓泡現象發生。

3.3 納米氣凝膠保溫絕熱材料

一般所說的納米氣凝膠為二氧化硅（SiO2）氣凝膠，由 SiO2網絡骨架和填充在納米孔隙中的氣體構成的一種高分散固體材料。由于SiO2氣凝膠的密度僅為 30～100kg/m3，并具有 80%以上的孔隙率，因此，常溫下SiO2氣凝膠的熱導率僅為0.102W/（m·K），最高可耐1600℃的高溫。是一種典型的輕質、高效隔熱材料，在航空航天、能源、化工等眾多領域中得到廣范應用，也是一種最理想的新型節能和環保材料。

美國“旋翼飛行器的輕質隔熱材料研究（LTIR）”以及“氣凝膠與航天器生存能力（ARIAS）”研究計劃在AATD和JTCG基金資助下開展了研究，制備了溫度在350℃～1000℃性能優良的多孔納米氣凝膠。與傳統絕熱材料相比，質量更輕、厚度更薄、體積更小的納米孔超級絕熱材料可以達到與之等效甚至更好的隔熱效果。

美國國家宇航局（NASA）Ames研究中心開發了陶瓷纖維-氣凝膠復合防熱瓦，復合后的航天飛機絕熱瓦與原隔熱瓦相比，導熱系數大幅度下降，強度大大提升，對航天器的隔熱性能比現有防熱瓦提高10～100倍。NASA艾姆斯研究中心的研究表明，這種新型氣凝膠防熱瓦可用于未來重復使用航天器和燃料箱隔熱層中。它能有效地透過太陽光，并阻止環境溫度的紅外輻射，是一種理想的絕熱透明太陽能采暖材料。在美國發射的火星探測器上，氣凝膠被用作保溫材料，對火星表面機器人的電子儀器設備起到保溫作用。

廣州英德埃力生公司生產了一種以二氧化硅氣凝膠為主原料復合的氣凝膠氈，環保、柔韌、可抑制輻射、可靈活施工的氣凝膠氈，其導熱系數極低，可應用于-200℃到1000℃溫度范圍的保溫隔熱，是世界上最為先進的新型節能保溫材料之一。

4 結束語

另外，隨著科學技術的飛速發展，人類社會的不斷進步，人們自我保護意識的不斷增強，開發科技含量高、性能高且穩定、環境友好型保溫絕熱材料必定是國內外發展的重點及熱點。

參考文獻

[1]王強，楊林，劉敏.聚氨酯制品的應用現狀及發展趨勢[J].遼寧化工，2003，32（7）：289-290.

[2]朱呂民，劉益軍，等.聚氨酯泡沫塑料[M].第三版.北京：化學工業出版社，2004：1-2，393.

作者簡介：凡雙玉（1987-），女，助理工程師，專業：高分子材料。