低熱值高效保溫材料的制備研究

徐桂靈河南鄭州（450000）

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低熱值高效保溫材料的制備研究

徐桂靈
河南鄭州（450000）

摘要:這里對比了多種有機、無機保溫材料的導熱系數指標、燃燒熱值指標，提出一種能夠降低復合材料的燃燒熱值并使其達到高效保溫材料的方法。

關鍵詞:燃燒熱值；導熱系數；聚氨酯；復合保溫材料

0引言

2015年5月1日，《建筑設計防火規范》GB 50016-2014正式開始實施。這部規范對建筑外墻保溫有專門的章節論述，其中第6.7章不但詳細規定了建筑外墻保溫選用材料的燃燒性能級別，而且在第6.7.7條第一款規定“除采用B1級保溫材料且建筑高度不大于24 m的公共建筑或采用B1級保溫材料且建筑高度不大于27 m的住宅建筑外,建筑外墻上門、窗的耐火完整性應不低于0.5 h?！比绻@一條款能夠得到認真的執行，就基本限制了高層建筑采用可燃性外墻保溫材料的可能性。假如高層建筑外墻都采用丙級（耐火半小時）的防火門、防火窗，對于業主來說，無論從造價方面還是從適用性考慮，都是不現實的，因此，A級（包括A1級和A2級）保溫材料在外墻保溫上的應用勢在必行。

河南省大部分地區處于寒冷地區，寒冷地區對于外墻保溫材料的選取具有一定的局限性。由于外墻保溫層整體厚度的限制，選取導熱系數低于0.05 W/（m·K）的高效保溫材料才能滿足建筑節能的需要。

1材料比較

建筑外墻保溫材料按照《建筑材料及制品燃燒性能分級》GB 8624-2012標準的分級，A級保溫材料可分為A1級和A2級，其中A1級保溫材料以巖棉、玻璃棉、泡沫水泥、泡沫玻璃、無機保溫砂漿等無機保溫材料為主。A2級比A1級適當放寬了多項指標要求，在材料的燃燒熱值指標中，A1級材料的總熱值PCS≤2.0 MJ/kg，A2級材料的總熱值PCS≤3.0 MJ/kg。

A級保溫材料主要以無機材料為主構成，其中可添加有機功能性添加劑，常見無機保溫材料的導熱系數及熱值見表1。

表1無機保溫材料的燃燒熱值及導熱系數

由表1可知,無機保溫材料具有極低的熱值，但是，無機保溫材料的導熱系數普遍較高，保溫隔熱效果并不理想。雖然巖棉、玻璃棉等松散材料具有極低的熱值以及較低的導熱系數，但是材料本身強度很低,難以滿足外墻保溫系統的力學要求。

對比常見可燃（及易燃）有機保溫板的導熱系數及熱值見表2。

表2有機保溫材料的燃燒熱值及導熱系數

由表2可知，有機保溫材料具有較低的導熱系數，可達到高效保溫材料的要求，但是，有機保溫材料熱值很高，屬于可燃材料，即便添加阻燃劑能夠使材料達到難燃（B1)級別，也遠遠超出《建筑材料及制品燃燒性能分級》GB 8624-2012標準A2級材料的要求。

2材料優選

通過采用有機無機材料的復合，控制復合材料的總熱值PCS≤3.0 MJ/kg，同時，又能降低復合材料的導熱系數≤0.05 W/（m·K），就可以制得滿足A級要求的高效保溫材料。

之前,通過采用聚苯顆粒和無機砂漿的復合，制得符合B1級要求的膠粉聚苯顆粒保溫砂漿，導熱系數在0.06 W/（m·K）以下。采用輕質無機膠結料和聚苯顆粒，制得符合A2級要求的復合保溫板，導熱系數也能控制在0.06以下。

在有機材料和無機材料的優選過程中，應充分考慮有機材料的熱值、導熱系數、堆積導熱系數、材料屬性、導熱機理等因素。無機材料應充分考慮材料的膠結黏結力、堆積密度等因素。因為復合材料中可能需要添加各種有機添加劑，所以有機添加劑的熱值以及導熱系數增加值也必須考慮到。

這里主要對有機材料的優選進行試驗及研究。

2.1有機材料的添加比例

有機材料在復合材料中添加比例的主要限制因素是有機材料的燃燒熱值，有機材料的摻加量控制指標要以復合材料的總熱值PCS≤3.0 MJ/kg為限。對比以上幾種有機保溫材料的燃燒熱值，聚氨酯和酚醛燃燒熱值較低，這兩種材料在復合材料中能夠有更大的添加比例。

復合材料總熱值PCS公式為:

其中，PCSn——第n種組分的熱值；Mn——第n種組分的質量。

扣除必須考慮的復合材料中有機添加劑的燃燒熱值，通過計算，采用聚氨酯和酚醛制得的復合保溫材料，有機材料能夠按照10%（重量百分比）左右的比例添加。采用擠塑聚苯板和模塑聚苯板制得復合材料，有機材料能夠按照7%（重量百分比）左右的比例添加。

2.2有機材料的導熱系數研究

有機材料在復合材料中主要是以顆粒形式存在的，因此，有機材料的顆粒粒徑、顆粒形式、堆積導熱系數是非常重要的因素。研究中測試了上訴四種材料的顆粒在堆積狀態下的導熱系數，測試結果見表3。

考慮到無機膠凝材料對復合材料的導熱系數增加值應在0.01～0.02 W/（m·K）。對于堆積狀態的有機保溫材料，通過調整顆粒粒徑及顆粒形式，其松散堆積狀態下的顆粒材料導熱系數應在0.04 W/（m·K）以下。

表3四種保溫材料顆粒在堆積狀態下的導熱系數

有機材料的選擇除應考慮有機材料的類別、顆粒形式外，有機材料的導熱機理也是必須考慮的重要因素，每種有機材料具有不同的保溫機理。

表4是密實狀態下,有機材料的導熱系數對比。

表4密實狀態下各種材料的導熱系數

由表4可知，密實狀態下的聚氨酯材料導熱系數大于密實狀態下聚苯乙烯的導熱系數。這說明密實狀態下聚氨酯的保溫性能并不優秀。硬泡聚氨酯和膨脹聚苯乙烯兩種材料的保溫機理并不相同。

硬質聚氨酯泡沫保溫材料的高效保溫性能是由于聚氨酯所用發泡劑的導熱系數比空氣低得多，聚氨酯材料特有的閉孔性和高抗氣體擴散性使得封閉在泡沫空腔中的發泡劑氣體能夠在幾十年的時間里不泄露擴散，這使得硬質聚氨酯泡沫保溫材料的隔熱性能優于只含空氣（空氣的導熱系數是0.02 W/（m·K））的聚苯乙烯泡沫保溫材料。采用不同的發泡劑，發泡后的硬泡聚氨酯保溫材料導熱系數也不同。比如，采用水發泡的聚氨酯保溫板，泡沫空腔中的氣體是CO2，由于CO2的導熱系數是0.015 W/（m·K）。制得的保溫材料導熱系數是0.026 W/ （m·K），而同樣泡沫空腔是開孔狀態的普通聚氨酯泡沫填縫劑,由于泡沫空腔中填充的是空氣，固化后的填縫劑導熱系數是0.035 W/（m·K）。

利用聚氨酯材料的低熱值、高抗氣體擴散性、閉孔性，采用低導熱系數的氣體發泡劑制得的大空

腔、低密度、帶有表皮的硬質聚氨酯泡沫顆粒，能夠控制其松散堆積狀態下導熱系數低于0.04 W/（m· K）。控制聚氨酯泡沫顆粒的摻量在10%以下，控制復合材料的總體熱值指標，配合以輕質無機膠結料,可制得滿足A2級熱值指標要求的高效保溫材料。

3結論

1）要想制得能夠滿足A級要求的復合有機材料，有機材料的熱值和有機材料泡沫顆粒在堆積狀態下的導熱系數是兩個重要的指標。調節這兩個控制指標的摻和比例，可制得燃燒熱值和導熱系數都滿足要求的復合保溫材料。

2）復合材料中有機材料的選擇應考慮到有機材料的保溫機理，像聚苯乙烯泡沫顆粒這種依靠空氣發泡的材料，無法滿足復合保溫材料的要求。

徐桂靈:身份證號：412724197312270640