硬質聚氨酯泡沫塑料在建筑保溫體系中的應用

文/ 陳海麗 深圳市寶安區工程質量檢測中心 廣東深圳 518000

我國的建筑節能水平與發達國家差距較大，單位面積能耗是氣候相近發達國家的3～5倍。據統計，建筑能耗占我國全社會能耗的30%，預計到2020年，這一占比將上升至40%左右。節能減排是實現綠色經濟的重要手段，特別是建筑的節能，是世界各國共同關注的課題。聚氨酯是一類性能優良、應用廣泛的高分子材料，聚氨酯硬泡保溫材料，具有質量輕、比強度高、絕熱、隔音、防震、抗沖擊等優良性能，是目前國內外理想的建筑節能保溫材料。

1、制備方法

一般硬質聚氨酯泡沫塑料的制備方法是采用聚醚樹酯和異氰酸為主要原料，以反應中生成的二氧化碳為發泡劑，在高溫條件下直接噴涂于建筑界面上，經過一段時間(30min)的反應冷卻定型，二氧化碳在其內部形成大量氣泡狀結構，使其具有高閉孔率，同時硬質聚氨酯泡沫將完全黏附在建筑界面上。

主要有3種制備方法：1）預聚體法：將異氰酸酯和聚醚（酯）多元醇反應生成預聚體，然后添加催化劑、發泡劑等混合發泡。該方法發泡易控制，但工藝復雜，預聚體黏度過高，實際應用受到限制。2）半預聚體法：先將過量的異氰酸酯和多元醇反應，生成末端帶有NCO基團的中間體，然后與聚醚（酯）多元醇、催化劑、發泡劑等混合。該方法便于調節物料的黏度，加工操作容易。3）一步法：將聚醚（酯）多元醇、異氰酸酯和其他助劑一次性投入，使之反應生成聚氨酯硬泡。工藝流程簡單，成本低廉。

2、在建筑工程保溫體系中的應用

硬質聚氨酯泡沫塑料（RPUF）是由有機異氰酸酯與多元醇化合物相互作用而得的高分子聚合物材料。它是一種性能優良的結構材料和絕熱材料，它多為閉孔結構，比強度大、重量輕、施工方便，同時還具有電絕緣、防震、隔音、耐溶劑、耐寒、耐熱等特點。它用途非常廣，例如用于房屋建筑的保溫結構以及石油化工管道、冷柜、冰箱等的隔熱保溫。

2.1 建筑外墻保溫

硬質聚氨酯泡沫塑料對磚墻以及水泥砂漿的附著力強，墻體整體性好，采用噴涂硬質聚氨酯泡沫塑料不但保溫節能，而且能夠有效的解決局部熱橋問題，特別適用于高層建筑剪力墻結構外墻保溫。通常采用硬質聚氨酯泡沫塑料與其他板材形成復合材料作為墻體，其他板材包括金屬板、塑料片材、牛皮紙、鋁箔等，其中金屬板由于具有隔熱、防水、價廉等優點而被廣泛應用。硬質聚氨酯泡沫塑料墻體鋪設方法有兩種，第一種為首先將硬質聚氨酯泡沫塑料加熱形成混合溶液，倒入墻間空隙處，硬質聚氨酯泡沫塑料自行在墻內發泡，與內外墻融為一體，此種方法適合新建建筑。第二種為直接在外墻上噴涂硬質聚氨酯泡沫，再涂上界面劑，最后上色，此工藝更為簡單易行，且造價便宜，平均每平方米成本僅為40元人民幣，適合既有建筑改造。將硬質聚氨酯泡沫塑料隔熱性能與其他材料進行對比，結果如表1所示。

表1 不同建筑材料隔熱性能對比

2.2 屋面保溫

傳統的屋面保溫結構是在屋面的結構層上作好找平層后，先鋪隔熱保溫層（膨脹珍珠巖、加氣混凝土、礦棉等），再作防水層。防水層由于暴露在外面，受高低溫和日光的作用，防水層極易開裂老化，加之傳統的保溫材料都容易吸水，而且吸水后就失去了保溫隔熱性。與傳統做法相反，采用屋頂保溫倒置法利用硬質聚氨酯泡沫塑料的低吸水性和耐久性，可改變防水層的工作環境，使其防水功能長期有效。由于屋頂長期的溫度變化范圍為－30～90℃，優良的保溫隔熱性能更使硬質聚氨酯泡沫塑料能承受陽光長期照射在屋頂表面所產生的高溫以及季節變化產生的低溫。采用硬質聚氨酯泡沫塑料作為建筑墻屋面，構造簡單，易于施工，其具體構造如圖1所示。

圖1 硬質聚氨酯泡沫塑料保溫屋面構造

在硬質聚氨酯泡沫塑料保溫屋面構造中，起主要作用的是硬質聚氨酯泡沫塑料層和外保護層。其中硬質聚氨酯泡沫塑料層具有防水及防水蒸氣滲透、保溫作用，因此無需另行鋪設隔氣層和防水層。外保護層一方面可保護硬質聚氨酯泡沫塑料層免受紫外線和外界侵蝕，另一方面可提高墻面整體強度，避免墻面出現機械損傷。硬質聚氨酯泡沫塑料層能與墻面外保護層和找平層形成牢固的黏合，使墻面雖為多層結構，實則融為一體，不易發生脫層現象。同時，硬質聚氨酯泡沫塑料由于密度小、質輕，對屋面承載負荷較小，此特點對于改善房屋結構十分重要，可用于進行大跨度屋面設計。將硬質聚氨酯泡沫塑料承載負荷與其他材料進行對比，結果如表2所示。

表2 不同建筑材料承載負荷對比

由（表2）可知，硬質聚氨酯泡沫塑料屋面的承載負荷比傳統的普通水泥材料和珍珠巖材料低得多，與聚苯乙烯板相比差距不是特別大，但聚苯乙烯板作為建筑材料卻存在著施工復雜、結構性差等缺點。

2.3 地面保溫

表3 硬質聚氨酯泡沫塑料的性能指標

在室內地面保溫時，無論是在樓板下鋪設保溫層，還是在地面上進行保溫，硬質聚氨酯泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料都特別有用。由于硬質聚氨酯泡沫塑料熱導率低于聚苯乙烯泡沫塑料，一般20～40 mm厚的硬質聚氨酯泡沫塑料板塊就能夠滿足要求，而聚苯乙烯泡沫塑料則需要30～60 mm，非常地經濟實用。其主要性能指標見表3。

3、硬質聚氨酯泡沫塑料建筑施工

3.1 硬質聚氨酯泡沫塑料建筑施工流程

1)在施工前，應做好準備工作，包括檢測硬質聚氨酯泡沫產品等建筑原料是否具有合格證明，不同原料應分別放置于陰涼通風處，核對界面劑信息防止出錯，同時選用無有機質的飲用水作為水源。

2)根據測量結果，在建筑屋面上打孔，同時確保基層質量符合建筑要求。

3)根據施工當天環境參數，確定原料加工溫度。

4)將聚醚樹酯和異氰酸按1∶1的比例加入物料混合器混勻，同時加入催化劑和發泡劑等助劑，一段時間后，便可得到硬質聚氨酯泡沫塑料。

5)確保墻面基礎層平整，表面無雜質，無灰塵。

6)噴涂基面界面劑，厚度控制在40～60mm范圍內，厚度均勻，放置1d。

7)使用高壓槍將硬質聚氨酯泡沫塑料進行噴涂，可重復噴涂，盡量保證厚度均勻，不能有厚度小于30mm的地方。

8)噴涂完成，待墻面干燥后，檢測噴涂效果，將過厚處使用鏟刀清除，過薄處用硬質聚氨酯泡沫塑料補上。

9)待硬質聚氨酯泡沫塑料冷卻熟化后，鋪設保護層，在此期間，應避免施工過程對硬質聚氨酯泡沫塑料層造成機械損傷。

3.2 硬質聚氨酯泡沫塑料建筑施工注意事項

1)建筑基層應平整，表面無雜質，特別是油酯類物質，同時應由均勻泡沫組成，無發脆、脫層、起皮等不良物理現象。基層與連接處房屋結構應做成圓弧狀，若有排水系統，則排水系統處水落口周圍應為凹坑狀，用鐵質材料覆蓋。

2)噴涂施工時，應選擇環境溫度為5～35℃之間，空氣濕度為60%～90%范圍內進行，大面積施工時，對風力也有要求。

3)聚氨酯泡沫塑料噴涂后需15～30min發泡固化，等到聚氨酯泡沫塑料完全固化后再鋪設其他外層。不宜1次發泡成型，而是采用分層噴涂。如2次噴涂時，第1次噴涂形成的自結表皮會構成防水隔汽層，防水性能得以提高。

4)噴涂過程中，隨時查看質聚氨酯泡沫塑料質量及與基層黏連狀況，確保其黏連牢固。應注意使噴涂表面盡量平整，不能起鼓、斷裂，最大噴涂波紋小于5mm較佳；

5)在整個施工過程中，應使用遮棚遮擋建筑物，防止建筑材料高溫時部分揮發到空氣中污染環境。

6)施工現場嚴禁火種，且現場配備消防器材。聚氨酯泡沫塑料在高溫條件下具有一定毒性，在混勻及噴涂過程中，施工人員應佩戴防毒面具。

7)為防止建筑結構發生變形，可在找平層沿黏連處縱橫彈線，之后鋪設氈條。

8）噴涂結束后，需要在聚氨酯表面涂1層防紫外線的高分子涂層，因為陽光直射會加速老化，影響其性能。

4、硬質聚氨酯泡沫塑料的優點

硬質聚氨酯泡沫塑料的密度是在建筑行業應用中的一項重要物理指標。通常用于屋面保溫防水的硬質聚氨酯泡沫密度在35～40kg/m3,壓縮強度大于0.2MPa,由于硬質聚氨酯泡沫是微孔泡沫體,閉孔率普遍在95%左右,具有良好的不透水性。聚氨酯泡沫對一般溶劑和濃度較低的酸堿鹽,具有良好的耐化學穩定性,在陽光照射下其物理性能有所變化,但老化的速度非常緩慢。

1)硬質聚氨酯泡沫塑料的閉孔率達95%以上，密度為35～40kg/m3，導熱系數為0.018～0.024W/(m·K)。其導熱系數是目前已有的所有保溫材料中最低的，可采用較薄的材料達到較好的保溫效果，節約材料同時增大建筑面積。

2)硬質聚氨酯泡沫塑料與混凝土、金屬、水泥等多種建筑基層材料黏結性好，不易脫落，可用于舊房屋改造。

3)硬質聚氨酯泡沫塑料吸水性差、防水防蒸氣，將保溫和節能兩種功效融為一體。

4)硬質聚氨酯泡沫塑料密度小，抗風抗壓強度卻較大，能承受一定的機械荷載，加上外保護層，可進一步增加其機械強度和抗壓能力。

5)硬質聚氨酯泡沫塑料采用現場澆注工藝，可形成無縫連接的整面墻體，同時在不同部位的連接部分采用定點噴涂工藝，加強其阻隔性。

6)硬質聚氨酯泡沫塑料相對于傳統有機材料，具有不易老化、化學性能穩定等優點，在20℃條件下的導熱系數可穩定保持50年。

7)硬質聚氨酯泡沫塑料在高溫環境中短時間內不易熔化，同時具有一定阻燃性，發生火災時可短時間阻止火勢蔓延，提高建筑安全性能。

8)硬質聚氨酯泡沫塑料作為建筑材料，施工簡便、價格低廉，可降低施工工程造價。9)硬質聚氨酯泡沫塑料不含有毒化學原料，對人體安全無毒副作用，且原材料可循環使用，節能環保。

5、應用前景

（1）建筑保溫裝飾一體化

將保溫和裝飾融為一體，可大大縮短施工周期，也可避免保溫層與施工層結合牢固問題而引發的脫落。

（2）無鹵、低煙、低毒的聚氨酯保溫材料

研究無鹵難燃的聚氨酯材料是未來發展的方向。其中在聚醚多元醇中引入阻燃基團，合成結構型阻燃聚醚多元醇，開發無鹵、低煙、低毒的聚氨酯保溫材料。

（3）聚氨酯與無機材料復合

無機材料可以達到有機材料難以達到的A級防水要求，但無機材料的導熱系數比有機保溫材料大很多，保溫性能較差。聚氨酯與無機材料復合，制備復合型保溫材料，是未來發展的趨勢。

結語：

屋面使用硬質聚氨酯泡沫防水保溫材料后,能降低建筑物的能耗,因此具有極其廣泛的環保和社會效益;硬質聚氨酯泡沫用于建筑保溫具有良好的發展前景。隨著建筑圍護結構熱工性能要求的不斷提高，保溫性能更高的硬質聚氨酯泡沫塑料已經越來越多地取代了曾大量使用的聚苯乙烯泡沫塑料，硬質聚氨酯泡沫塑料其熱導率要顯著低于聚苯乙烯泡沫塑料，而且能形成連續的保溫層，可保證墻體與保溫材料的共同作用并有效阻斷熱橋，適合結構較為復雜、節能標準較高的多層和高層建筑，但由于綜合造價投入較大且對工人技術要求較高，目前使用率僅占我國外墻保溫市場的5%。