建筑保温材料的研究及应用

烟台工程职业技术学院烟台工程职业技术学院毕业论文泡沫聚合物保温材料的研究进展及其应用作者： 班级： 学号：指导教师：二零一三年月日目录摘要11. 聚氨酯泡沫保温材料11.1 聚氨酯泡沫保温材料21.2 聚氨酯泡沫保温材料21.3 较高的机械强度和抗老化、耐用性22. 聚乙烯(PE)泡沫塑料33. 聚苯乙烯泡沫保温材料44. 酚醛泡沫塑料55. 其它泡沫聚合物保温材料65.1 橡胶泡沫保温材料6 5.2 橡塑类泡沫聚合物保温材料66. 结论与展望6摘要：综述了以聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫和酚醛泡沫塑料为代表的轻质聚合物泡沫保温材料的发展状况。关键词：保温材料；泡沫聚合物；聚氨酯泡沫；聚乙烯泡沫；酚醛泡沫保温材料是指对热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体。泡沫聚合物是气体分散于固体聚合物中所形成的聚合体。泡沫聚合物的热传递作用主要是传导传递，不发生对流作用，辐射传递很小。它的热导率主要取决于气泡内部气体的热导率，在低温条件下，其热导率进一步降低，因此，它具有很好的保温隔热功能。其中硬质泡沫塑料以其强度、质量轻和闭孔率高的特点特别适合作为冰箱、冷柜、冷库和冷藏车辆等低温设施的保温材料1。各种泡沫塑料通过双面加贴沥青纸、铝箔、彩钢板制成复合夹心板材以及加入纤维、填料和空心微球等可制成增强泡沫塑料。泡沫聚合物与其它材质所构成的复合材料除具有很好的保温隔热功能以外，还表现出多种优异的性质，它们已经被广泛用于化工生产、房屋建筑、食品工业、能源输送等众多领域。1. 聚氨酯泡沫保温材料聚氨酯(PU)树脂是由异氰酸酯与聚酯树脂或聚醚树脂反应制成的一种具有氨基甲酸酯链段重复结构单元的聚合物。聚氨酯材料性能优异，用途广泛，制品种类多，其中尤以聚氨酯泡沫塑料的用途最广。20世纪中期，德国首先成功研制聚氨酯泡沫塑料，其采用廉价的石油化工产品环氧丙烷等作为多元醇的原料，大大降低了聚醚和聚酯的生产成本，使聚氨酯泡沫塑料获得了飞速发展2。硬质聚氨酯泡沫(简称PURF)目前仍然是固体材料中隔热性能最好的保温材料之一。其泡孔结构由无数个微小的闭孔所组成，这些微孔互不相通，因此该材料不吸水、不透水，带表皮的PURF的吸水率为零。该材料既保温又防水，是保温防水双全材料，应用在屋顶和墙体上，可代替传统的防水层和保温层，具有一材双用之功效，以下对其性能和使用效果作简要论述：1.1 优良的隔热保温性能因Pu硬泡在成型过程中以氟利昂(F11)为发泡剂，在形成的均匀致密的封闭孔中充满了F11气体，使其具有极低的导热系数(00077WmK)，仅为空气的13。据测算，30ram 硬泡的隔热效果与110ram珍珠石，130mm水泥蛭石，或(165142)rfUTl泡沫混凝土相当。1.2 独特的抗水渗透性能PU硬泡是闭孔率高达92 以上的结构致密的微孔泡沫体，吸水率极低(02kgm2，具有一定的弹性、伸长率和很强的粘接性，能与金属、木材、水泥等多种材料牢固粘合，在施工中采用直接喷涂或浇铸成型技术，没有拼接缝，保温层与基层能形成整体，既不会脱层开裂，也不会由于基层产生一定的变形、裂纹，造成泡沫体破裂。1.3 较高的机械强度和抗老化、耐用性因PU硬泡材质自身物理强度较高，具有均匀致密的闭孔结构，所以泡沫体具有较高的机械强度，其抗压强度相当于水泥蛭石。而且PU硬泡具有很好的稳定性，在长期使用中不会发生体积变形和强度变形，因而Pu硬泡完全可以直接承受坡屋面彩瓦及上人检修的荷载。同时，由于PU硬泡物理化学性能稳定，泡沫闭孔结构防止了水分及其它液体、气体侵透和微生物的滋生，从而延缓了泡沫体的老化。据测定其湿抗老化期为l6年，热老化期为6o年。根据国外资料表明，用PU硬泡作屋面绝热层的学校，使用l0年后，其导热系数为0025WmK，水分含量为0034V，容量为32kgmL引。聚氨脂硬质泡沫塑料将传统的绝热、防水层合二为一，近年来逐步推广应用到房屋建设中。其以轻质、绝热、防水等方面的优异性能，代替了传统的隔热、保温、防水做法，特别适合于现浇混凝土坡屋面。既减轻了屋面荷载，又保障了屋面不渗漏、隔热、保温、节能，为现浇混凝土坡屋面保温、防水提供了一条可靠的施工方法。发达国家(如欧美)的PURF有6o作为节能材料用在建筑上，而我国的聚氨脂硬质泡沫塑料6o 以上主要用于冰箱、冰柜的隔热保温 J。近几年该材料在建筑上开始使用，如：国家大型储备粮库的屋顶采用该材料作为防水保温层。由于PURF的导热系数仅为(00200073)w(mK)，因此将该材料应用于建筑物的屋顶、墙体、地面作为节能保温材料，其节能效果将非常显著5l。目前，这种保温材料使用的发泡剂F11(一氟三氯甲烷)，因其破坏臭氧层和引起温室效应即将被禁用。而寻找经济适用、环保型的发泡剂替代F11早在80年代已成为世界的热门研究课题。目前，联合国环保署推荐使用的主要是141b和环戊烷。但141b分子中仍有氟和氯原子，臭氧层潜耗值ODP=011，所以只能过渡性的替代F11，最终将和F11一起被禁用。有关无氟复合发泡剂的复配研究已经有了一些进展，如：周春雨等开发的天然高分子与水复合的发泡剂。该发泡剂是一种以水为基的含OH根离子的几种高分子原料组合，通过一定的比例混合搅拌的一种高分子复合物。该产品完全无氟，ODP= 0，以它为发泡剂结合其它各种复配材料所产生的聚氨酯硬质塑料的保温性能、表观密度、压缩性能、水蒸气透湿系数、吸水率等多种物理性能指标基本达到含氟产品的水平6。由于聚氨脂泡沫塑料燃烧产烟量大、烟气毒性大、产品很难达到消防安全要求，特别在一些对消防要求高的场所，其使用受到了一定的限制。在欧美日等发达国家其生产和应用比例已呈下降趋势。2. 聚乙烯(PE)泡沫塑料1941年，美国杜邦公司首先制成聚乙烯泡沫塑料。随着工艺技术和制造设备的发展以及聚乙烯泡沫塑料具有良好的物理和化学性能，目前它已经成为一个产品多样、生产量大、应用面宽的泡沫塑料品种。主要有模压发泡、挤出发泡等生产工艺，又分非交联和交联两种。聚乙烯泡沫塑料具有闭孔结构特点、热导率低、吸湿和透湿性小、抗腐蚀、不吸湿、吸收冲击性好和优良的电绝缘性能等，可用于建筑物、冷藏汽车、冷藏火车的保温隔热材料以及电子产品。又由于其毒性极低，可直接与食品接触，应用范围越来越广。聚乙烯泡沫塑料的最高使用温度为80，根据有关资料显示，经交联的聚乙烯泡沫塑料最高使用温度可达到100oC左右。它可用于空调系统通风管道、工业管道、容器、房屋建筑等的常温或低温下的保温隔热。目前，聚乙烯泡沫塑料的进展也是以轻质复合材料的开发为主，采用聚乙烯为轻骨料，结合硅酸盐水泥等材料，可以制备出质轻、导热系数小、吸水性低、抗冻融性好和膨胀系数较大的轻型建筑保温材料，可以满足冷库和一般建筑的保温隔热需要-7 ；另外，由于聚乙烯具有优良的加工性能，以聚乙烯为主料添加其它高分子弹性体制成橡塑复合泡沫材料，可改善聚乙烯泡沫塑料的柔韧性，通过过融等方式可很轻易地在表面复合布料、铝箔等柔性面料等二次加工使其制品更具个性化和更广阔的使用领域。由于聚乙烯自身防火性能较差，聚乙烯泡沫塑料要达到建筑所需要的防火性能要求，须添加大量的阻燃剂，使其各项物理性能大幅下降；同时因使用温度较低和原料较贵，其使用领域也受到一定限制。3. 聚苯乙烯泡沫保温材料聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)是一类使用由悬浮聚合聚苯乙烯树脂制成的含发泡剂的可发性聚苯乙烯珠粒为原料，采用模压发泡、挤出发泡和挤出发泡吹塑等方法制造的不同品种的泡沫塑料。这类聚苯乙烯泡沫塑料产量大、应用范围广。它具有密度范围宽、价格低、保温隔热性优良、吸水性小、水蒸气渗透性低、吸收冲击性好等优点，可制成建筑和冷库用保温隔热泡沫塑料板和泡沫塑科夹心复合板。目前，聚苯乙烯泡沫板及其复合材料由于价格低廉、绝热性能好而成为外墙绝热及饰面系统的首选绝热材料8l。真空聚苯乙烯泡沫材料是将气相泡沫抽真空并密封，真空泡体的热传导能力显著降低，潘晓萍等9对真空聚苯乙烯泡沫与传统聚苯乙烯发泡材料进行比较。研究表明：(1)真空聚苯乙烯泡沫用于制冷保温节能效果明显，并随使用的平均温度降低，保温节能效果更好。(2)聚苯乙烯是多孔状材料，应用于制冷保温时，随温度下降，孔内产生结冰现象，降低保温效果，抽真空后的聚苯乙烯泡沫孔内不存在水蒸气，就不会出现结冰现象。(3)用真空聚苯乙烯泡沫包装材料价格便宜，可大大提高经济效益。(4)真空聚苯乙烯保温材料的节能效果与真空度和钻孔的多少有关。提高真空度应在不影响材料强度的情况下，尽可能多加孔。我国每年大量废弃的EPS，因其处理与降解困难而成为危害环境的白色污染，以废弃EPS为原料制备出的复合保温材料容重小，其保温隔热性、耐化学腐蚀性优良，且为闭孔憎水结构，不吸水，其韧性、耐水性、耐候性均优于膨胀珍珠岩，因此EPS的回用技术已经成为保温材料的发展热点之一。将废弃EPS加工成粒径(O54)toni的颗粒作为轻骨料，配制的保温砂浆可有效克服珍珠岩保温砂浆吸水率大、抗裂性差的缺陷，且保温隔热性更好。EPS表面为憎水性，与硅酸盐无机胶凝材料不相容10。以EPS为轻骨料配制保温砂浆的关键技术之一，就是对EPS实施表面改性，使其由憎水性变为亲水性，使之能被新拌硅酸盐浆体所润湿，以增强EPS与胶凝材料的结合。彭家惠等11选择适宜的高分子粘结剂和偶联剂，配制低水灰比的聚合物硅酸盐胶凝材料，利用粘结剂和偶联剂的双重作用，实现复合胶凝材料对EPS的表面包裹，使EPS表面由憎水性改变为亲水性，成功地解决了无机胶凝材料与EPS不润湿、混合料和易性差、粘结强度低的技术难题，为EPS保温砂浆的应用奠定了基础。麦守义等12将EPS破碎成具有粒径小于20mm的碎颗粒，然后与水泥和膨胀珍珠盐混合，可用作保温屋面。王武祥等13以废EPS为基料，添加水泥并加入适量的聚合物乳液、引发剂、塑化剂、增强纤维等材料，制成轻质混凝土，该混凝土具有良好的物理力学性能，还有极好的保温性能。聚苯乙烯泡沫塑料作为保温材料也有与聚乙烯泡沫塑料相类似的防火性能较差和使用温度低的缺点。4. 酚醛泡沫塑料多年来国内外的保温材料绝大部分是泡沫聚氨酯和泡沫聚苯乙烯，由于这两种产品的耐热和防火性差、性价比高，因此开发出性价比更低、防火和力学性能更好的酚醛泡沫塑料。酚醛泡沫塑料不需要添加特种外加剂就具有良好的防火性能，火灾时烟雾少，有毒气体极微，耐火焰穿透，使用温度可达150 ，炭化后其使用温度超过1000 ，可用于航天材料；其强度和吸湿性较高的弱点可以通过结构措施和添加各种填料来改善，前苏联和东欧的很多国家已经广泛采用酚醛泡沫塑料，特别是最近十几年，随着酚醛低温发泡技术的进步和成熟，酚醛泡沫塑料得到了飞速地发展，已逐渐取代泡沫聚氨酯和泡沫聚苯乙烯，成为硬质泡沫塑料中的佼佼者。英国、西欧和中东很多国家已经规定新建工程中优先采用酚醛泡沫保温材料14。酚醛树脂与其它材料共混改性，可以制备出性能极其优良的复合保温材料。如以酚醛泡沫塑料为胶结剂，泡沫聚苯乙烯颗粒为填料，结合其它添加剂合成出具有力学性能好、难燃、工艺简单和成本低等优良特性的复合材料，它的耐久系数可达到082，使用年限可达20年 。如用聚氨脂预聚物改性酚醛泡沫可大大降低泡沫的粉化程度16，欧美日等国在这方面的研究应用已比较成熟。目前，国内酚醛泡沫塑料的低温连续发泡生产技术已达到世界先进水平，国内已基本具备从树脂合成技术到低温连续发泡生产线以及各环节的生产技术。在空调行业正从管道安装、管道保温分步完成向一次完成安装过渡和国家建筑节能技术大力推广阶段，作为最重要的保温节能材料，中国有望缩短发达国家由使用聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨脂泡沫塑料到酚醛泡沫塑料的过程或高起点直接采用酚醛泡沫塑料，预计不久的将来酚醛泡沫塑料将成为中国空调建筑行业中节能材料的发展重点。5. 其它泡沫聚合物保温材料51 橡胶泡沫保温材料以三元乙丙橡胶及丁腈橡胶泡沫保温材料为代表的橡胶泡沫保温材料具有比较好的柔韧性和断裂伸长率，现场施工比较方便。但其抗压强度较差，表面容易老化龟裂及燃烧产烟量大、毒性高、气味浓烈，限制了其使用领域，目前呈下降趋势。52 橡塑类泡沫聚合物保温材料橡胶或弹性体与塑料共混的橡塑泡沫保温材料，如：NBRPVC、PEEPDM等橡塑泡沫保温材料其各种性能得到互补和中和，使其综合性能得到一定改善，但并不十分明显，基本还以其基材性能为主，其使用主要决定于其基材的使用领域。6. 结论与展望随着能源和制冷领域的发展，对高性能的保温材料的需求越来越迫切，保温材料沿着复合化、轻型化和低成本方向发展，使泡沫聚合物保温材料的应用领域不断拓宽。但是聚合物泡沫材料与无机保温材料相比，其耐热性、防火性等方面仍有比较大的差距；同时泡沫聚合物保温材料本身所带来的环境问题也是不容忽视的，性能与环境安全性的矛盾始终存在，尽管已经开发出各种绿色添加剂，但以环境和性能双赢的方式发展保温材料产业仍然任重而道远。6