建筑外墙用有机保温材料的性能研究
2022-06-09
1外墙保温材料的新机遇
节约能源是资源节约型社会的重要组成部分，建筑能耗在整个能源消耗中占30%～40%左右，因此建筑节能意义重大，而建筑外墙使用保温隔热材料是降低建筑物能耗的一项重要举措。2013年北京市在国内率先实施建筑节能新标准《居住建筑节能设计标准》，该标准提出了建筑节能设计75%的目标，这无疑对外墙保温材料提出了更高的要求，原有的无机保温材料已满足不了节能要求，这就给有机保温材料发展带来了机遇。可发性聚苯乙烯板（EPS板）、挤塑聚苯乙烯板（XPS板）、酚醛泡沫板（PF板）、聚氨酯板（PU板）等有机保温材料与无机保温材料相比，具有质量轻、导热系数小、吸水率低等优点，发展速度迅猛，建筑外墙保温市场占有率已达到90%左右。
2几种常用有机保温材料介绍与性能比较
2.1可发性聚苯乙烯板（EPS板）
可发性聚苯乙烯板（EPS板）是用可发性聚苯乙烯珠粒经加热预发泡后在模具中加热成型而制得的具有闭孔结构的聚苯乙烯泡沫塑料板材。由于其具有较好的保温隔热性能、较好的耐候性，在建筑外保温系统中得到广泛应用，发达国家EPS材料应用于保温系统已有五十多年的历史，因此，其作为建筑外墙保温材料，技术已经非常成熟。我国自20世纪80年代开始开展建筑节能工作，其中EPS薄抹灰外墙外保温系统是我国引进技术最早、应用历史最长、实验研究成果和数据积累最多，工程应用数量和实践经验积累最多的外墙外保温系统，编制了《膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统》（JG149-2003）标准。可发性聚苯乙烯板作为建筑外墙保温材料具有的以下优点：1）质量轻，易切割，易打磨，施工操作便捷；2）成本低廉，比较经济实惠；3）适当的水汽渗透率，保证了围护结构的呼吸性，防止内部结露；4）良好的保温性能。存在的问题有：1）易燃烧，燃烧时体积收缩并产生高温滴落物；2）强度低，承重能力差，外贴面砖时需要进行加强处理。
膨胀石墨聚苯板（俗称"黑泡沫"或"黑板"，简称SEPS），是在生产EPS板的原材料中添加了膨胀石墨。膨胀石墨在燃烧受热后会在保温板表面生成坚韧的炭层，从而起到阻燃作用。膨胀石墨还能有效的防止热辐射，从而使SEPS板在拥有EPS板原有优点的基础上，其隔热保温性能有30%的提升。
近两年，一些企业开发出了包覆型聚苯板产品，该产品是采用热固性酚醛泡沫、阻燃剂与可发性聚苯乙烯颗粒进行充分混合，然后模发得到的新型EPS板材。酚醛泡沫为热固性高分子材料，燃烧遇热时会形成碳化层，从而保证了保温材料受热时不会收缩变形。该新型保温材料与传统EPS相比，阻燃性、机械强度和保温性能都得到很大提升，还而彻底改变了原EPS板遇火收缩，熔滴的缺陷。
2.2挤塑聚苯乙烯板（XPS板）
挤塑聚苯乙烯板（XPS板）是以聚苯乙烯树脂为原料加上其他的聚合物与助剂，通过设备加热共混，然后挤压成型而制成的硬质泡沫保温板。XPS板具有连续均匀的表层和全闭孔的蜂窝状结构，蜂窝状结构间互相紧密连接，没有空隙。XPS板的研发时间大约在二十世纪五十年代，近10余年开始在建筑外墙保温领域得到使用。挤塑聚苯乙烯板作为建筑外墙保温材料具有以下优点：1）致密的表层和闭孔的结构使得XPS板导热系数低于EPS板；2）较高的抗压强度；3）极低的吸水率。存在的问题：1）板材的脆性大，容易折断；2）易燃烧，燃烧时体积收缩并产生高温滴落物；3）透气性差，两侧温差大时容易结露；4）价格较EPS板稍贵。
2.3聚氨酯板（PU板）
聚氨酯板（简称PU板）是双组份液体MDI与聚醚多元醇（俗称黑、白料）充分混合后，产生快速化学反应固化（几十秒至几分钟），在发泡剂、催化剂、匀泡剂等添加剂作用下发泡而成的轻质泡沫体。目前比较成熟的聚氨酯泡沫外墙保温工艺主要有：1）现场喷涂法，使用高压喷枪将混合料喷涂在墙体表面，发泡后形成保温层。2）现场浇注法。与浇注砼相似，利用模板与墙体形成胎模，将混合料浇注其中待固化后拆除模板，披网格布，使用聚合物水泥砂浆抹面。3）与EPS板类似的薄抹灰外墙保温系统。聚氨酯板有以下优点：1）导热系数仅为0.018～0.024w/（m·k），相当于EPS板的一半，是目前所有有机保温材料中导热系数最低的；2）闭孔率在90%以上，属于憎水性材料，具有防潮、防水性能；3）抗变形能力强，不易开裂。存在的问题：聚氨酯燃烧时释放的气体主要是一氧化碳和氰化氢，燃烧烟密度高，毒性大。
2.4酚醛泡沫板（PF板）
酚醛泡沫板简称（PF板），最早应用于飞机上作为保温隔热层，1970年欧美国家对其进行深入研究，将酚醛泡沫作为建筑隔热保温的主体材料。20世纪80年代，英国、美国、原联邦德国、前苏联、日本和韩国等国已经具有连续层压酚醛泡沫保温板材生产技术。我国从1990年初开始研究酚醛泡沫技术，目前生产技术已达到工业化生产水平，无论是间歇式生产技术，还是连续式生产技术都比较成熟，各项技术性能指标达到或接近国际先进水平。酚醛泡沫板的优点：1）防火安全性好，酚醛板为难燃B1级热固性材料；2）烟密度低，发烟量远远低于聚氨酯板和聚苯乙烯板，且毒性低。3）保温性能好；4）耐高温、耐烧蚀，燃烧时无明火、无滴落物.只是表面炭化。存在问题：脆性大，易粉化、掉渣。
2.5有机保温材料燃烧实验
从图1可以看出EPS板与XPS板在燃烧过程中体积收缩严重并产生滴落物。膨胀石墨EPS板只改善了EPS板的保温性能，并没能防止EPS板燃烧过程中的体积收缩和滴落，而包覆型EPS板很好的解决了这个问题，保温材料燃烧过程中，表层碳化，体积不收缩，无滴落物产生。PU板在燃烧过程中会产生大量浓烟，但不会变形。PF板在燃烧过程中表层迅速碳化，离火自熄，体积不发生变化。2.6几种有机保温材料基本性能对比
节约能源是资源节约型社会的重要组成部分，建筑能耗在整个能源消耗中占30%～40%左右，因此建筑节能意义重大，而建筑外墙使用保温隔热材料是降低建筑物能耗的一项重要举措。2013年北京市在国内率先实施建筑节能新标准《居住建筑节能设计标准》，该标准提出了建筑节能设计75%的目标，这无疑对外墙保温材料提出了更高的要求，原有的无机保温材料已满足不了节能要求，这就给有机保温材料发展带来了机遇。可发性聚苯乙烯板（EPS板）、挤塑聚苯乙烯板（XPS板）、酚醛泡沫板（PF板）、聚氨酯板（PU板）等有机保温材料与无机保温材料相比，具有质量轻、导热系数小、吸水率低等优点，发展速度迅猛，建筑外墙保温市场占有率已达到90%左右。
2几种常用有机保温材料介绍与性能比较
2.1可发性聚苯乙烯板（EPS板）
可发性聚苯乙烯板（EPS板）是用可发性聚苯乙烯珠粒经加热预发泡后在模具中加热成型而制得的具有闭孔结构的聚苯乙烯泡沫塑料板材。由于其具有较好的保温隔热性能、较好的耐候性，在建筑外保温系统中得到广泛应用，发达国家EPS材料应用于保温系统已有五十多年的历史，因此，其作为建筑外墙保温材料，技术已经非常成熟。我国自20世纪80年代开始开展建筑节能工作，其中EPS薄抹灰外墙外保温系统是我国引进技术最早、应用历史最长、实验研究成果和数据积累最多，工程应用数量和实践经验积累最多的外墙外保温系统，编制了《膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统》（JG149-2003）标准。可发性聚苯乙烯板作为建筑外墙保温材料具有的以下优点：1）质量轻，易切割，易打磨，施工操作便捷；2）成本低廉，比较经济实惠；3）适当的水汽渗透率，保证了围护结构的呼吸性，防止内部结露；4）良好的保温性能。存在的问题有：1）易燃烧，燃烧时体积收缩并产生高温滴落物；2）强度低，承重能力差，外贴面砖时需要进行加强处理。
膨胀石墨聚苯板（俗称"黑泡沫"或"黑板"，简称SEPS），是在生产EPS板的原材料中添加了膨胀石墨。膨胀石墨在燃烧受热后会在保温板表面生成坚韧的炭层，从而起到阻燃作用。膨胀石墨还能有效的防止热辐射，从而使SEPS板在拥有EPS板原有优点的基础上，其隔热保温性能有30%的提升。
近两年，一些企业开发出了包覆型聚苯板产品，该产品是采用热固性酚醛泡沫、阻燃剂与可发性聚苯乙烯颗粒进行充分混合，然后模发得到的新型EPS板材。酚醛泡沫为热固性高分子材料，燃烧遇热时会形成碳化层，从而保证了保温材料受热时不会收缩变形。该新型保温材料与传统EPS相比，阻燃性、机械强度和保温性能都得到很大提升，还而彻底改变了原EPS板遇火收缩，熔滴的缺陷。
2.2挤塑聚苯乙烯板（XPS板）
挤塑聚苯乙烯板（XPS板）是以聚苯乙烯树脂为原料加上其他的聚合物与助剂，通过设备加热共混，然后挤压成型而制成的硬质泡沫保温板。XPS板具有连续均匀的表层和全闭孔的蜂窝状结构，蜂窝状结构间互相紧密连接，没有空隙。XPS板的研发时间大约在二十世纪五十年代，近10余年开始在建筑外墙保温领域得到使用。挤塑聚苯乙烯板作为建筑外墙保温材料具有以下优点：1）致密的表层和闭孔的结构使得XPS板导热系数低于EPS板；2）较高的抗压强度；3）极低的吸水率。存在的问题：1）板材的脆性大，容易折断；2）易燃烧，燃烧时体积收缩并产生高温滴落物；3）透气性差，两侧温差大时容易结露；4）价格较EPS板稍贵。
2.3聚氨酯板（PU板）
聚氨酯板（简称PU板）是双组份液体MDI与聚醚多元醇（俗称黑、白料）充分混合后，产生快速化学反应固化（几十秒至几分钟），在发泡剂、催化剂、匀泡剂等添加剂作用下发泡而成的轻质泡沫体。目前比较成熟的聚氨酯泡沫外墙保温工艺主要有：1）现场喷涂法，使用高压喷枪将混合料喷涂在墙体表面，发泡后形成保温层。2）现场浇注法。与浇注砼相似，利用模板与墙体形成胎模，将混合料浇注其中待固化后拆除模板，披网格布，使用聚合物水泥砂浆抹面。3）与EPS板类似的薄抹灰外墙保温系统。聚氨酯板有以下优点：1）导热系数仅为0.018～0.024w/（m·k），相当于EPS板的一半，是目前所有有机保温材料中导热系数最低的；2）闭孔率在90%以上，属于憎水性材料，具有防潮、防水性能；3）抗变形能力强，不易开裂。存在的问题：聚氨酯燃烧时释放的气体主要是一氧化碳和氰化氢，燃烧烟密度高，毒性大。
2.4酚醛泡沫板（PF板）
酚醛泡沫板简称（PF板），最早应用于飞机上作为保温隔热层，1970年欧美国家对其进行深入研究，将酚醛泡沫作为建筑隔热保温的主体材料。20世纪80年代，英国、美国、原联邦德国、前苏联、日本和韩国等国已经具有连续层压酚醛泡沫保温板材生产技术。我国从1990年初开始研究酚醛泡沫技术，目前生产技术已达到工业化生产水平，无论是间歇式生产技术，还是连续式生产技术都比较成熟，各项技术性能指标达到或接近国际先进水平。酚醛泡沫板的优点：1）防火安全性好，酚醛板为难燃B1级热固性材料；2）烟密度低，发烟量远远低于聚氨酯板和聚苯乙烯板，且毒性低。3）保温性能好；4）耐高温、耐烧蚀，燃烧时无明火、无滴落物.只是表面炭化。存在问题：脆性大，易粉化、掉渣。
2.5有机保温材料燃烧实验
从图1可以看出EPS板与XPS板在燃烧过程中体积收缩严重并产生滴落物。膨胀石墨EPS板只改善了EPS板的保温性能，并没能防止EPS板燃烧过程中的体积收缩和滴落，而包覆型EPS板很好的解决了这个问题，保温材料燃烧过程中，表层碳化，体积不收缩，无滴落物产生。PU板在燃烧过程中会产生大量浓烟，但不会变形。PF板在燃烧过程中表层迅速碳化，离火自熄，体积不发生变化。2.6几种有机保温材料基本性能对比