外墻外保溫材料及系統研究進展

邵路山 陳新同 馮秀艷* 國愛麗 馬國儒

(1. 北京建筑材料檢驗研究院股份有限公司,北京,100041;2. 國家建筑防火產品安全質量檢驗檢測中心,北京,100041)

隨著社會快速發展,我國建筑物能源消耗逐年增加,目前已占全社會能耗的30%以上[1-2]。節約能源、減少建筑能耗刻不容緩。建筑圍護結構的保溫處理是實現建筑節能最重要的舉措[3]。外墻外保溫系統避免了外墻內保溫系統“熱橋”易結露以及外墻自保溫系統節能不足等問題,逐步成為我國建筑墻體主要的保溫形式。

外墻外保溫系統的保溫材料主要包括有機保溫材料和無機保溫材料。有機保溫材料具有導熱系數低、致密性高、吸水率小、保溫隔熱效果好、易于加工等優點,但存在不耐老化、變形系數大、穩定性差、易于燃燒等缺點,如聚苯乙烯(PS)泡沫、聚氨酯(PU)泡沫、酚醛樹脂(PF)泡沫等[4-5]。無機保溫材料具有較高的機械強度、優異的防火性能及良好的保溫隔熱性能,常用于高層及特殊要求的建筑,如巖棉、玻璃棉、真空絕熱板、泡沫玻璃等。

外墻外保溫系統在使用過程中可能出現粉化、起皮、開裂、滲水、空鼓、脫落等問題,輕則造成系統熱工性能喪失,重則威脅人民生命財產安全。因此,外墻外保溫系統能否通過耐久性測試極為重要。

下面綜述了幾種常用外墻外保溫材料的性能、應用情況、存在問題及研究現狀,介紹了外墻外保溫系統性能與質量的有效評價方法,展望了建筑外墻用保溫材料的研究方向。

1 外墻外保溫材料

1.1 PS泡沫

PS泡沫分為模塑聚苯乙烯泡沫(EPS)和擠塑聚苯乙烯泡沫(XPS)。EPS的氣泡體積占比高達98%,且具有微細閉孔結構[6-7]。近年來,隨著建筑節能和防火性能要求日趨嚴格,市場上出現了2種新型保溫板:石墨改性聚苯乙烯泡沫板(GEPS)和熱固復合聚合聚苯乙烯泡沫板(AEPS)。GEPS中的石墨具有特殊層狀結構,形成鏡面反射熱輻射,使其具有良好的絕熱性能;AEPS是利用負壓滲透工藝將無機防火材料滲透于EPS板材內而得到的A級阻燃板材,其在燃燒狀態下會發生一定的形變,但不產生熔融滴落物[8]。EPS和XPS的閉孔蜂窩結構會促進空氣流通,在燃燒過程中源源不斷地供給氧氣,造成燃燒速率較高、熱量釋放量較大、產生大量熔滴和濃煙、不易自熄等問題。

PS的阻燃方法主要有聚合阻燃、浸漬阻燃、后處理圖層阻燃、包覆阻燃等,其中,聚合阻燃是將阻燃劑加入苯乙烯的懸浮聚合體系中,阻燃劑分布更均勻,阻燃效果更持久,應用最廣泛[9]。

鹵系阻燃劑是一種廣泛使用的添加型阻燃劑,阻燃效率高,以溴系阻燃劑為主,其中,甲基八溴醚、八溴醚、溴化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物等溴系阻燃劑較環保,逐漸成為EPS和XPS的主流阻燃劑[10]。隨著環境問題的日益嚴重,鹵化阻燃劑的使用受到極大限制,無鹵替代品的研究日趨火熱,將逐漸成為今后發展的主要方向[11]。Wang G等[12]研究發現:在阻燃PS復合材料中,可膨脹石墨(EG)、磷酸三聚氰胺(MP)、磷酸三苯酯(TPP)、六苯氧基環三磷酸腈(HPCTP)復合使用具有很好的阻燃協效性,EG和MP產生惰性氣體并催化促進殘炭層的形成,TPP和HPCTP生成活性磷物質和苯氧基自由基,增強了氣相阻燃效果,減少了熱量釋放。

1.2 PU泡沫

PU泡沫分為硬質PU泡沫、半硬質PU泡沫及軟質PU泡沫[13-14],其中,硬質PU泡沫具有優異的隔熱性能、隔音性能、耐油性能、防水性能、尺寸穩定性,且強度較高,可以在120 ℃下長期使用, 可以在190 ℃下短時間(8～10 h)使用。

硬質PU泡沫用阻燃劑的種類主要有鹵系阻燃劑、氮系阻燃劑、磷系阻燃劑、磷-氮協同阻燃劑和膨脹阻燃劑。Zhao Q Q等[15]合成了亞磷酸酯-苯二異辛酯(PDOP),用于阻燃硬質PU泡沫。結果表明:當PDOP質量分數為10%時,材料的極限氧指數(LOI)達到27%,UL-94等級達到V-0級。Xi W等[16]研究發現:次磷酸鋁(ATH)/雙(2-羥乙基)氨基-甲基膦酸二甲酯(BH)/乙二醇(EG)三元體系對硬質PU泡沫的協同阻燃作用優于BH/EG體系和抗氧劑AO/BH/EG體系。

1.3 PF泡沫

PF泡沫分為甲階PF泡沫和線性PF泡沫[17]。由于具有獨特的閉孔結構,PF密度小,隔熱性能和隔音性能較好,且具有一定阻燃性能(LOI為35%～40%),主要應用于外墻外保溫系統,此時,PF泡沫板密度不小于40 kg/m3,導熱系數不大于0.032 W/(m·K)。

由于酚羥基和亞甲基容易被氧化生成剛性鏈段,PF脆性大、硬度大、延伸率較低,通常需要對其進行增韌改性。端羧基丁腈橡膠能夠與PF中的羥甲基發生酯化反應,起到增韌作用;含有異氰酸酯基的活性聚醚、端氨基聚醚、PU預聚體、生物質油、具有活性鏈段結構的有機硅改性劑、腰果酚和環氧樹脂中的環氧基團均能夠與PF中的羥甲基接枝共聚,起到增韌作用,例如,硅烷偶聯劑KH-560含有環氧環長柔性鏈,可以增韌PF[18-20]。Si T Y等[21]通過叔胺催化酚羥基的醚化反應,合成了一種新型環氧化大豆油增韌PF。

物理增韌劑分為高分子樹脂類增韌劑、纖維增韌劑、無機納米增韌劑等。高分子樹脂類增韌劑包括聚乙烯醇、聚乙二醇(PEG)、有機硅烷、聚苯醚酮、聚醚、PU預聚體等;纖維增韌劑包括碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等;無機納米增韌劑包括納米氧化鋅、納米蒙脫土、納米二氧化硅(SiO2)等。孫恒等[22]采用不同相對分子質量PEG 對PF進行改性。結果表明:與純PF相比,PEG改性PF的粉化率降低了4.3%,壓縮強度提高了0.11 MPa。

1.4 巖棉

建筑用巖棉主要分為巖棉板和巖棉條。市場上常見建筑用巖棉板根據垂直于表面的抗拉強度不同分為TR7.5,TR10,TR15,導熱系數不大于0.040 W/(m·K);巖棉條導熱系數不大于0.046 W/(m·K)。李曉梅等[23]研究發現:隨著酸度系數的增加,巖棉的點荷載、垂直于表面的抗拉強度、抗剪切強度和使用壽命等均明顯增加。另外,酸度系數越小,巖棉的耐火極限時間越短。玄武巖、輝綠巖化學成分中,SiO2,Al2O3,CaO,MgO的總質量分數約為80%,而Fe2O3和FeO的總質量分數為11%左右[24]。相比于礦渣棉(Fe2O3和FeO總質量分數小于1%),巖棉的原料中含有更高的FeO,使其熔體穩定性較好,且黏度不會發生較大變化。因此,巖棉更易成纖,且具有更高的酸度系數[25]。但是巖棉的吸水率較大,吸水后其導熱系數急劇增大,失去原有保溫性能,在雨季和冬季施工受到很大限制[26]。因此,降低巖棉的吸水率一直是研究重點。

1.5 玻璃棉

玻璃棉密度為10～100 kg/m3,纖維直徑一般不大于7.0 μm,導熱系數為0.034～0.048 W/(m·K)。根據成型狀態,玻璃棉產品主要有氈、毯、條和板。外墻外保溫用玻璃棉產品為玻璃棉板,按照生產工藝可分為縫制玻璃棉板和打褶玻璃棉板,其中,前者采用耐堿、不燃的高強度纖維經緯向交叉縫制,后者采用打褶工藝,改變玻璃棉纖維方向,使纖維褶皺相互交叉[27]。根據我國建筑現有設計要求,外墻外保溫用玻璃棉板需滿足相應的指標要求,例如,北京市通常按照DB11/T 1117—2014《玻璃棉板外墻外保溫施工技術規程》限定玻璃棉板的主要性能指標,其中,吸水率和抗拉強度的高低尤為重要。路國忠等[28]利用硅烷偶聯劑對玻璃棉板進行浸潤處理,玻璃棉板的防水耐堿性和力學性能均得到了明顯改善。

1.6 泡沫玻璃

泡沫玻璃的密度為150～500 kg/m3,氣泡體積占比高達80%～95%,氣泡直徑為0.5～5.0 mm,25 ℃下導熱系數小于0.058 W/(m·K)。泡沫玻璃隔熱性能優異、機械強度高、防水防潮、吸聲,廣泛應用于保溫隔熱工程領域,但其成本較高,在建筑外墻保溫隔熱工程領域應用相對較少[29-30]。

2 外墻外保溫系統

外墻外保溫系統位于建筑物外墻外側,自重較小,具有優異的保溫隔熱性能和耐候性能,使主體結構所受的溫差和溫度變形較小,對結構墻體起到保護作用。國內常見的外墻外保溫系統包括黏貼保溫板薄抹灰外保溫系統和保溫裝飾板外墻外保溫系統等,其中,黏貼保溫板薄抹灰外保溫系統應用更廣泛。系統性能指標主要包括整體系統的安全性能、墻體熱工性能和耐久性能[31-33]。主要測試項目包括耐候性能、耐凍融性能、吸水量、抹面層不透水性、水蒸氣透過性能、抗沖擊性能、熱阻值、抗風荷載性能等。

外墻外保溫系統需要經受風吹日曬、雨雪風霜、氣溫驟冷驟熱突變等氣候狀況,對其耐候性提出了較高要求[34]。外墻外保溫系統為多層結構,各層間的黏結強度成為其耐久性的主要影響因素[35]。經過熱雨循環和熱冷循環后,外墻外保溫系統的抹面層和保溫層之間的拉伸黏結強度下降,造成其在長期使用過程中出現空鼓、脫落等現象,具有極大的安全隱患。另外,為了保證外墻外保溫系統的脫落安全性,抗風荷載性能成為至關重要的評價指標[36]。

保溫層材料的燃燒性能是影響外墻外保溫系統防火安全性能的基本因素[37-38]。因此,研究外墻外保溫系統中保溫層材料在接近火災條件下的燃燒性能尤為重要。近年來,研究者確定了以窗口火試驗(內部火災)和墻角火試驗(外部火焰)為基礎的試驗驗證與評價體系,用來檢驗外墻外保溫系統的防火能力。

外墻外保溫系統的熱工性能取決于保溫層材料的保溫隔熱性能。當保溫層材料吸水后,其隔熱性能會顯著降低。因此,保溫層材料較低的吸水性能是保證外墻外保溫系統熱工性能持久性的關鍵。

3 結語

目前,外墻外保溫系統的應用日益廣泛,性能要求也越來越高。作為外墻外保溫系統最重要的組成成分,保溫層材料必須具有優異的防火性能和保溫性能。因此,開發綜合性能優異且穩定、環境友好的復合型保溫層材料成為今后研究的重點。選取有效的火災安全性能、耐久性測試方法為評價外墻外保溫系統性能與質量提供了有力保障。