一種聚氨酯節能保溫復合材料的實際應用性能研究

摘要：近幾年來，雙碳目標不斷推進，各行各業都在積極開展節能減排工作，以此實現國家的可持續發展戰略，聚氨酯保溫材料因其本身的性能優勢，在諸多領域內得到了廣泛應用。但在實際應用過程中，還需要對性能問題展開具體分析，以此強化應用效果。基于此，本文結合實際案例具體分析聚氨酯保溫材料在不同行業中的應用情況，并且結合實際案例針對材料本身的性能展開具體分析，以此實現保溫效果，為后續的材料制備工藝發展提供參考。

關鍵詞：聚氨酯；保溫材料；應用領域；導熱系數

中圖分類號：TQ323.8文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0072-04

Practical application performance of a polyurethane energy-saving thermal insulation composite material

YU Yu，WANG Lei，HAN Ling，GAO Yingdi，WANG Yaoxi，LI Xiaojing

（Wanhua Energysav Scienceamp;Technology Group Co.，Ltd.，Yantai 264000，Shandong China）

Abstract：In recent years，the dual carbon goal has been continuously promoted，and all walks of life are actively carrying out energy conservation and emission reduction work to achieve the country’s sustainable development strategy.However，in the actual application process，it is also necessary to carry out specific analysis of performance problems to strengthen the application effect.Based on this，this paper analyzes the application of polyurethane in?sulation materials in different industries in combination with actual cases，and carries out specific analysis of the properties of the materials themselves in combination with actual cases，so as to achieve the thermal insulation ef?fect and provide reference for the subsequent development of material preparation technology.

Key words：polyurethane；insulation material；application field；thermal conductivity

聚氨酯保溫材料因其突出的環保特性、保溫效果，在不同行業內得到了廣泛應用，如：建筑、冷藏、公路橋梁、石油化工等，但相應的制備工藝存在一定的差異性，所強化的材料性能也各不相同。從宏觀角度來看，聚氨酯保溫材料的隔熱性、機械性較為突出，且化學穩定性優異，因而具有較強的適用性。目前較為常見的聚氨酯保溫材料有硬質、半硬質和軟質三類，可以通過原料配比、添加助劑等手段，進一步優化材料的性能。

1聚氨酯保溫材料的制備工藝

聚氨酯保溫材料，主要由多元醇、異氰酸酯等原料經過聚合反應制得，在特定的溫度、壓力和催化劑作用下，多元醇與異氰酸酯發生反應，生成具有高分子量的聚氨酯。聚氨酯保溫材料最為突出的性能即為保溫性，相比較常規的礦棉、硅酸鹽等保溫材料，聚氨酯的導熱系數通常在0.020～0.028 W/（m× K）之間。另外，該材料不易被酸堿腐蝕，具有良好的耐化學腐蝕性，在實際制備和應用過程中，也不會釋放有害物質。值得一提的是，部分原料來自可再生資源，具有較好的環保性能。在實際制備過程中，通過調整制備手段、制備原材料，可以制備出富馬酸亞鐵阻燃聚氨酯保溫復合材料、吸濕聚氨酯保溫材料、全水發泡聚氨酯保溫材料、高阻燃噴涂硬泡聚氨酯保溫材料等不同的聚氨酯保溫材料，進一步激發出特殊性能[1]。

2聚氨酯保溫材料的應用實例

聚氨酯保溫材料，以其出色的保溫性能、化學穩定性及廣泛的應用適應性，在多個領域中均展現出其不可替代的價值。

2.1建筑領域

隨著現代建筑對節能、環保和舒適性的日益重視，聚氨酯保溫材料在建筑領域的應用逐漸受到廣泛關注。

第一，外墻保溫系統。高層建筑的外墻保溫是節能建筑的重要組成部分。在北京的某高層住宅樓外墻保溫工程中，采用了5 cm厚的聚氨酯保溫材料。經過一個冬季的連續監測，發現室內溫度波動范圍非常小。這一優異的性能主要歸因于聚氨酯保溫材料的低導熱系數和良好的耐候性[2]。以高阻燃噴涂硬泡聚氨酯保溫材料為例，在實際制備過程中，選用聚醚多元醇（配比45～50%）、MDI（配比35～40%）催化劑（配比0.5～1%）、阻燃劑（配比10～15%）、發泡劑（配比1.5～2.5%）等原材料。同時，制備的該保溫材料具有：密度57 kg/m3、導熱系數0.022 W/（m× K）、壓縮性能（形變10%）320 kPa、不透水性（0.2 MPa、30 min、無結皮）、尺寸穩定性（70℃、45 h）0.8%、閉孔率96%、吸水率0.6%、拉伸粘結強度（與水泥砂漿，常溫）0.45 MPa、氧指數30.5%，經阻燃測試，該材料的燃燒等級達到了B1級，具有良好的阻燃性能。

第二，屋頂保溫系統。屋頂作為建筑屋一個重要部分，其保溫效果直接關系到建筑的整體能耗。在上海某商業綜合體的屋頂保溫工程中，采用了聚氨酯噴涂工藝，形成了連續、無縫的保溫層。這種噴涂方法不僅提高了施工效率，而且有效降低了屋頂的傳熱系數，達到了顯著的節能效果[3]。比如：在屋頂保溫系統中可以采用改性聚氨酯屋面保溫材料，這種保溫材料可以采用多亞甲基多苯基多異氰酸酯，聚酯多元醇為主要原料，以廢棄的聚酯瓶回收料醇解后的產物為改性劑進行制備。實際性能檢測結果顯示：該保溫材料的導熱系數低于0.022 W/（m×K），比傳統保溫材料性能更優。同時，經過阻燃測試，材料的燃燒等級達到B1級，其他各項性能符合行業標準。此外，改性劑的加入使得材料具有更好的耐候性和抗老化性能[4]。

第三，地暖保溫系統。在寒冷地區，地暖系統的保溫效果對于室內溫度的舒適性和穩定性至關重要。東北某獨棟別墅社區建筑中的地暖保溫工程采用了2 cm厚的聚氨酯保溫板。這種材料不僅具有優異的保溫性能，而且能夠承受地暖管道的重量和壓力，確保系統的長期穩定運行[5-6]。以聚氨酯-復合纖維防火地暖保溫材料為例，其原材料包括聚氨酯、復合纖維、脫硫石膏粉、聚丁二烯環氧樹脂、乙基環己烷甲亞氨酸酯、細砂、鋁礬土、蛭石粉、磺酸鈣、水泥渣、防火劑、聚磷酸銨鉀、水。其制備的防火保溫材料具有性能：密度37 kg/m3、導熱系數0.019 W/m× K、抗壓強度2.6 kg/cm2、閉口孔率95%、吸水率2.7%、軟化點277℃。

2.2冷藏設備與交通運輸

冷藏設備和交通運輸領域對保溫材料的要求極為嚴格，而聚氨酯保溫材料憑借其出色的性能在這些領域中得到了廣泛應用。

第一，冷庫保溫。食品冷庫需要保持恒定的低溫環境，以確保食品的新鮮和安全。在廣州某食品冷庫的保溫工程中，采用了10 cm厚的聚氨酯夾芯板作為圍護結構。這種夾芯板具有出色的隔熱性能和耐低溫性能，確保了冷庫內部的溫度穩定[7]。

第二，車輛保溫。冷藏車在運行過程中需要保持良好的保溫效果，以確保貨物的質量和安全。在某冷藏車的保溫改造項目中，車廂內壁粘貼了1.5 cm厚的聚氨酯保溫材料。這種材料不僅質量輕、易粘貼，而且具有優異的保溫性能，顯著提高了冷藏車的運輸效率和質量[8]。采用低碳聚氨酯泡沫組合物作為保溫材料的電動汽車在保溫性能上表現出色，可以將車廂內溫度波動控制在最小范圍內，也進一步降低了車輛的能耗和碳排放，能夠最大程度提高汽車本身的環保性能[9]。

2.3石油、化工管道與設備

石油、化工行業的管道和設備經常處于高溫、高壓和腐蝕性環境中，對保溫材料的要求非常高[10，11]。在某石油化工廠的管道保溫工程中，采用了2～3 cm厚的聚氨酯保溫材料進行噴涂施工，憑借其卓越的耐化學腐蝕性和機械性能，能最大程度降低管道和設備的表面溫度，進而減少能源損失。另外，在特定應用場景，也可以采用聚氨酯保溫管包覆聚乙烯護套，以進一步優化管道的性能。生產制備過程中，需要根據具體情況進行分析。以上述項目為例，該項目中的管道長約1 000 m，直徑DN200 mm，輸送介質溫度為250℃。在管道外壁上噴涂聚氨酯保溫層，并擠出包覆聚乙烯護套層。聚乙烯護套層厚度均勻，無氣泡、裂紋等缺陷，耐化學腐蝕和耐磨損性能優異。不僅能夠有效地減少熱量損失和能源浪費，提高輸送效率，還能夠抵抗化工環境中的腐蝕性介質和機械磨損，延長管道使用壽命，同時降低維護成本和安全風險[12]。

2.4公路隧道

在隧道等特殊性工程中也可以采用聚氨酯保溫材料。以某施工項目為例，該隧道全長3 000 m，地處嚴寒地帶，冬季最低氣溫可達-30℃。為確保隧道內部溫度穩定，提高行車安全，決定采用噴涂聚氨酯保溫材料進行保溫施工。按照設定的噴涂厚度和速度，噴涂厚度一般為2～3 cm，噴涂速度控制在1～2 kg/min，噴槍移動速度0.5 m/s。噴涂過程中要保持適當的溫度和濕度，因此，在施工過程中要保持環境溫度≥-10℃，相對濕度≤85%，起泡時間在1～2 s，固化25～40 s，該噴涂方式可以有效避免生熱多，防水板鼓包等問題的出現，尤其是前兩層噴的厚度大于10 mm后聚氨酯保溫材料也不容易脫落，確保材料充分反應并形成良好的保溫層。施工后的性能指標：閉孔率98.9%、泡孔孔徑50μm、密度45 kg/m3、尺寸穩定性（-30℃，48 h）-0.3%、導熱系數0.022W/（m× K）、抗壓強度157 kPa、阻燃等級BI、產煙等級S1、煙氣毒性等級t0。

3聚氨酯保溫材料的性能試驗分析

3.1試驗原料與設備

工業級聚醚多元醇，密度1.1 g/cm3，羥值56mgKOH/g，純度99.5%的MDI（二苯基甲烷二異氰酸酯）等，借助高速攪拌器、恒溫烘箱、噴涂設備、電子天平（精度0.01 g）、導熱系數測量儀、熱重分析儀等設備完成試驗[13]。

先將所有原料在恒溫烘箱中預熱至40℃，以去除水分和其他揮發性成分。按照特定的配比，聚醚多元醇：MDI為1∶2，發泡劑為總量的2.5%，催化劑為0.5%，阻燃劑為10%，在高速攪拌器中將原料混合均勻，確保每種成分充分分散，并且避免出現局部濃度過高或過低的情況。將混合好的原料迅速倒入預熱的模具中，并在恒溫烘箱中進行發泡反應。反應溫度控制在80℃，時間10 min。發泡完成后，將材料在恒溫烘箱中繼續保溫2 h，以確保完全固化。從模具中取出固化后的聚氨酯保溫材料，進行修整、切割等后處理，得到所需形狀和尺寸的樣品[14]。

3.2試驗流程

試驗設計采用控制變量法，以研究不同原料配比、反應溫度和時間對聚氨酯保溫材料性能的影響。按照上述制備方法進行混合和發泡，制備多個樣品，每個樣品具有不同的原料配比、反應溫度和時間。進而對所有樣品進行導熱系數、阻燃性能、密度等性能的測試，對測試結果進行統計分析，找出性能最佳的原料配比和工藝條件。使用導熱系數測量儀，按照ASTM E1530標準方法進行測量。每個樣品至少測量3次，取平均值作為最終結果。采用UL-94可燃性試驗方法，評估樣品的阻燃等級。觀察樣品在明火下的燃燒行為，記錄燃燒時間和燃燒長度。使用電子天平測量樣品的質量，并計算其體積密度。每個樣品至少測量3次，取平均值作為最終結果。使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品的微觀結構，以評估其泡孔形態和分布。通過熱重分析儀對樣品進行熱穩定性測試，記錄在不同溫度下的質量損失情況，以評估材料的熱穩定性能[15]。

3.3試驗結果與分析

為了全面評估聚氨酯保溫材料的性能，應結合實際應用案例和相關試驗數據對其物理、化學、熱學、機械和電學性能進行全面探究[16]。

第一，物理性能分析。試驗數據顯示，聚氨酯保溫材料的密度較低，通常在0.4～0.6 g/cm3之間，同時具有較高的孔隙率，這使得材料在保持輕質的同時具有良好的保溫效果。在實際試驗過程中，測量不同樣品的密度，發現隨著發泡劑用量的增加，樣品密度逐漸降低，而保溫性能則相應提高。這表明，通過調整發泡劑用量可以在一定程度上優化聚氨酯保溫材料的性能。通過優化原料配比和工藝條件可以制備出具有均勻、細密泡孔結構的聚氨酯保溫材料從而進一步提高其保溫性能。同時該材料還具有良好的熱穩定性能夠在高溫環境下保持較好的性能穩定性[17]。

導熱系數是衡量保溫材料性能的重要指標。試驗結果表明，聚氨酯保溫材料的導熱系數低于0.025 W/（m× K），這一數值遠低于傳統保溫材料，顯示出優異的保溫性能。以導熱系數為例，不同原料配比和反應條件下的樣品導熱系數如表1所示。

從表1可知，提高反應溫度或延長反應時間均能有效降低聚氨酯保溫材料的導熱系數，提高其保溫性能。同時，適當增加發泡劑的用量也有助于降低導熱系數。在濕度較高的環境下，保溫材料的吸水性是一個關鍵指標。經過24 h的浸水試驗，聚氨酯保溫材料的吸水率低于2%，表現出良好的耐水性。聚氨酯保溫材料在保持輕質的同時，具有較高的抗壓和抗拉強度[18]。試驗數據顯示，其抗壓強度可達0.2～0.4 MPa，抗拉強度在0.1～0.3 MPa之間，能夠滿足實際應用中的力學性能要求。

第二，化學性能分析。聚氨酯保溫材料在多種化學溶劑中均表現出良好的穩定性，不易被腐蝕。例如，在酸、堿、鹽等溶液中浸泡24 h后，其質量和性能均無明顯變化。經過長時間的紫外線照射和高溫老化試驗，聚氨酯保溫材料仍然保持良好的物理和化學性能，顯示出優異的耐老化性能。聚氨酯保溫材料在生產和使用過程中不會產生有害物質，對環境友好。同時，其廢棄物可回收利用，符合當前環保和可持續發展的要求[19]。

第三，熱性能分析。在高溫環境下，聚氨酯保溫材料能夠保持良好的穩定性，不易分解或變形。實驗數據顯示，其在200℃以下無明顯質量損失和性能變化。聚氨酯保溫材料具有自熄性，即離開火源后能夠自動熄滅。同時，其燃燒時產生的煙霧和有毒氣體較少，有利于人員疏散和火災救援。按照UL-94可燃性試驗方法對樣品進行了測試，結果顯示，在添加了10%阻燃劑的條件下，所有樣品均達到了V-0級阻燃標準，表現出良好的阻燃性能。

第四，機械性能分析。聚氨酯保溫材料具有一定的硬度和韌性，能夠在受到外力作用時保持一定的形狀和尺寸穩定性[20]。經過磨損試驗機的長時間磨損測試，聚氨酯保溫材料表面無明顯磨損痕跡，顯示出良好的耐磨性。聚氨酯保溫材料與多種基材具有良好的粘接性能，能夠保證在使用過程中不易脫落或開裂。

第五，電性能分析。聚氨酯保溫材料具有良好的電絕緣性能，其體積電阻率和表面電阻率均達到較高水平，適用于需要電絕緣的場合。通過抗靜電性能測試發現，聚氨酯保溫材料具有一定的抗靜電能力，能夠減少靜電積累和放電現象的發生。

4結語

聚氨酯保溫材料具有良好的保溫性能、阻燃性能和熱穩定性，適用于多種場合。在未來的研究中，可以進一步優化原料配比和工藝條件，探索更高性能的聚氨酯保溫材料制備技術，以滿足不斷增長的市場需求和更高的安全標準。

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（責任編輯：張玉平）