低熱值高效保溫材料的制備研究

徐桂靈河南鄭州（450000）

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低熱值高效保溫材料的制備研究

徐桂靈
河南鄭州（450000）

摘要:這里對(duì)比了多種有機(jī)、無(wú)機(jī)保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)、燃燒熱值指標(biāo)，提出一種能夠降低復(fù)合材料的燃燒熱值并使其達(dá)到高效保溫材料的方法。

關(guān)鍵詞:燃燒熱值；導(dǎo)熱系數(shù)；聚氨酯；復(fù)合保溫材料

0引言

2015年5月1日，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016-2014正式開(kāi)始實(shí)施。這部規(guī)范對(duì)建筑外墻保溫有專門(mén)的章節(jié)論述，其中第6.7章不但詳細(xì)規(guī)定了建筑外墻保溫選用材料的燃燒性能級(jí)別，而且在第6.7.7條第一款規(guī)定“除采用B1級(jí)保溫材料且建筑高度不大于24 m的公共建筑或采用B1級(jí)保溫材料且建筑高度不大于27 m的住宅建筑外,建筑外墻上門(mén)、窗的耐火完整性應(yīng)不低于0.5 h?！比绻@一條款能夠得到認(rèn)真的執(zhí)行，就基本限制了高層建筑采用可燃性外墻保溫材料的可能性。假如高層建筑外墻都采用丙級(jí)（耐火半小時(shí)）的防火門(mén)、防火窗，對(duì)于業(yè)主來(lái)說(shuō)，無(wú)論從造價(jià)方面還是從適用性考慮，都是不現(xiàn)實(shí)的，因此，A級(jí)（包括A1級(jí)和A2級(jí)）保溫材料在外墻保溫上的應(yīng)用勢(shì)在必行。

河南省大部分地區(qū)處于寒冷地區(qū)，寒冷地區(qū)對(duì)于外墻保溫材料的選取具有一定的局限性。由于外墻保溫層整體厚度的限制，選取導(dǎo)熱系數(shù)低于0.05 W/（m·K）的高效保溫材料才能滿足建筑節(jié)能的需要。

1材料比較

建筑外墻保溫材料按照《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》GB 8624-2012標(biāo)準(zhǔn)的分級(jí)，A級(jí)保溫材料可分為A1級(jí)和A2級(jí)，其中A1級(jí)保溫材料以巖棉、玻璃棉、泡沫水泥、泡沫玻璃、無(wú)機(jī)保溫砂漿等無(wú)機(jī)保溫材料為主。A2級(jí)比A1級(jí)適當(dāng)放寬了多項(xiàng)指標(biāo)要求，在材料的燃燒熱值指標(biāo)中，A1級(jí)材料的總熱值PCS≤2.0 MJ/kg，A2級(jí)材料的總熱值PCS≤3.0 MJ/kg。

A級(jí)保溫材料主要以無(wú)機(jī)材料為主構(gòu)成，其中可添加有機(jī)功能性添加劑，常見(jiàn)無(wú)機(jī)保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)及熱值見(jiàn)表1。

表1無(wú)機(jī)保溫材料的燃燒熱值及導(dǎo)熱系數(shù)

由表1可知,無(wú)機(jī)保溫材料具有極低的熱值，但是，無(wú)機(jī)保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)普遍較高，保溫隔熱效果并不理想。雖然巖棉、玻璃棉等松散材料具有極低的熱值以及較低的導(dǎo)熱系數(shù)，但是材料本身強(qiáng)度很低,難以滿足外墻保溫系統(tǒng)的力學(xué)要求。

對(duì)比常見(jiàn)可燃（及易燃）有機(jī)保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)及熱值見(jiàn)表2。

表2有機(jī)保溫材料的燃燒熱值及導(dǎo)熱系數(shù)

由表2可知，有機(jī)保溫材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，可達(dá)到高效保溫材料的要求，但是，有機(jī)保溫材料熱值很高，屬于可燃材料，即便添加阻燃劑能夠使材料達(dá)到難燃（B1)級(jí)別，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》GB 8624-2012標(biāo)準(zhǔn)A2級(jí)材料的要求。

2材料優(yōu)選

通過(guò)采用有機(jī)無(wú)機(jī)材料的復(fù)合，控制復(fù)合材料的總熱值PCS≤3.0 MJ/kg，同時(shí)，又能降低復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)≤0.05 W/（m·K），就可以制得滿足A級(jí)要求的高效保溫材料。

之前,通過(guò)采用聚苯顆粒和無(wú)機(jī)砂漿的復(fù)合，制得符合B1級(jí)要求的膠粉聚苯顆粒保溫砂漿，導(dǎo)熱系數(shù)在0.06 W/（m·K）以下。采用輕質(zhì)無(wú)機(jī)膠結(jié)料和聚苯顆粒，制得符合A2級(jí)要求的復(fù)合保溫板，導(dǎo)熱系數(shù)也能控制在0.06以下。

在有機(jī)材料和無(wú)機(jī)材料的優(yōu)選過(guò)程中，應(yīng)充分考慮有機(jī)材料的熱值、導(dǎo)熱系數(shù)、堆積導(dǎo)熱系數(shù)、材料屬性、導(dǎo)熱機(jī)理等因素。無(wú)機(jī)材料應(yīng)充分考慮材料的膠結(jié)黏結(jié)力、堆積密度等因素。因?yàn)閺?fù)合材料中可能需要添加各種有機(jī)添加劑，所以有機(jī)添加劑的熱值以及導(dǎo)熱系數(shù)增加值也必須考慮到。

這里主要對(duì)有機(jī)材料的優(yōu)選進(jìn)行試驗(yàn)及研究。

2.1有機(jī)材料的添加比例

有機(jī)材料在復(fù)合材料中添加比例的主要限制因素是有機(jī)材料的燃燒熱值，有機(jī)材料的摻加量控制指標(biāo)要以復(fù)合材料的總熱值PCS≤3.0 MJ/kg為限。對(duì)比以上幾種有機(jī)保溫材料的燃燒熱值，聚氨酯和酚醛燃燒熱值較低，這兩種材料在復(fù)合材料中能夠有更大的添加比例。

復(fù)合材料總熱值PCS公式為:

其中，PCSn——第n種組分的熱值；Mn——第n種組分的質(zhì)量。

扣除必須考慮的復(fù)合材料中有機(jī)添加劑的燃燒熱值，通過(guò)計(jì)算，采用聚氨酯和酚醛制得的復(fù)合保溫材料，有機(jī)材料能夠按照10%（重量百分比）左右的比例添加。采用擠塑聚苯板和模塑聚苯板制得復(fù)合材料，有機(jī)材料能夠按照7%（重量百分比）左右的比例添加。

2.2有機(jī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)研究

有機(jī)材料在復(fù)合材料中主要是以顆粒形式存在的，因此，有機(jī)材料的顆粒粒徑、顆粒形式、堆積導(dǎo)熱系數(shù)是非常重要的因素。研究中測(cè)試了上訴四種材料的顆粒在堆積狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

考慮到無(wú)機(jī)膠凝材料對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加值應(yīng)在0.01～0.02 W/（m·K）。對(duì)于堆積狀態(tài)的有機(jī)保溫材料，通過(guò)調(diào)整顆粒粒徑及顆粒形式，其松散堆積狀態(tài)下的顆粒材料導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)在0.04 W/（m·K）以下。

表3四種保溫材料顆粒在堆積狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)

有機(jī)材料的選擇除應(yīng)考慮有機(jī)材料的類別、顆粒形式外，有機(jī)材料的導(dǎo)熱機(jī)理也是必須考慮的重要因素，每種有機(jī)材料具有不同的保溫機(jī)理。

表4是密實(shí)狀態(tài)下,有機(jī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比。

表4密實(shí)狀態(tài)下各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)

由表4可知，密實(shí)狀態(tài)下的聚氨酯材料導(dǎo)熱系數(shù)大于密實(shí)狀態(tài)下聚苯乙烯的導(dǎo)熱系數(shù)。這說(shuō)明密實(shí)狀態(tài)下聚氨酯的保溫性能并不優(yōu)秀。硬泡聚氨酯和膨脹聚苯乙烯兩種材料的保溫機(jī)理并不相同。

硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫材料的高效保溫性能是由于聚氨酯所用發(fā)泡劑的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣低得多，聚氨酯材料特有的閉孔性和高抗氣體擴(kuò)散性使得封閉在泡沫空腔中的發(fā)泡劑氣體能夠在幾十年的時(shí)間里不泄露擴(kuò)散，這使得硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫材料的隔熱性能優(yōu)于只含空氣（空氣的導(dǎo)熱系數(shù)是0.02 W/（m·K））的聚苯乙烯泡沫保溫材料。采用不同的發(fā)泡劑，發(fā)泡后的硬泡聚氨酯保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)也不同。比如，采用水發(fā)泡的聚氨酯保溫板，泡沫空腔中的氣體是CO2，由于CO2的導(dǎo)熱系數(shù)是0.015 W/（m·K）。制得的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)是0.026 W/ （m·K），而同樣泡沫空腔是開(kāi)孔狀態(tài)的普通聚氨酯泡沫填縫劑,由于泡沫空腔中填充的是空氣，固化后的填縫劑導(dǎo)熱系數(shù)是0.035 W/（m·K）。

利用聚氨酯材料的低熱值、高抗氣體擴(kuò)散性、閉孔性，采用低導(dǎo)熱系數(shù)的氣體發(fā)泡劑制得的大空

腔、低密度、帶有表皮的硬質(zhì)聚氨酯泡沫顆粒，能夠控制其松散堆積狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)低于0.04 W/（m· K）?？刂凭郯滨ヅ菽w粒的摻量在10%以下，控制復(fù)合材料的總體熱值指標(biāo)，配合以輕質(zhì)無(wú)機(jī)膠結(jié)料,可制得滿足A2級(jí)熱值指標(biāo)要求的高效保溫材料。

3結(jié)論

1）要想制得能夠滿足A級(jí)要求的復(fù)合有機(jī)材料，有機(jī)材料的熱值和有機(jī)材料泡沫顆粒在堆積狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)是兩個(gè)重要的指標(biāo)。調(diào)節(jié)這兩個(gè)控制指標(biāo)的摻和比例，可制得燃燒熱值和導(dǎo)熱系數(shù)都滿足要求的復(fù)合保溫材料。

2）復(fù)合材料中有機(jī)材料的選擇應(yīng)考慮到有機(jī)材料的保溫機(jī)理，像聚苯乙烯泡沫顆粒這種依靠空氣發(fā)泡的材料，無(wú)法滿足復(fù)合保溫材料的要求。

徐桂靈:身份證號(hào)：412724197312270640