聚氨酯硬泡在節能建筑中的應用及性能優化研究進展

湯洪梅，高 華，陸安良

（1. 貴州民族大學 教務處，貴州省貴陽市 550025；2. 貴州民族大學 材料科學與工程學院，貴州省貴陽市 550000；3. 貴州省地質環境監測院地災應急中心，貴州省貴陽市 550000）

硬質聚氨酯泡沫塑料（簡稱聚氨酯硬泡）結構致密，質量輕，保溫隔熱，防水隔聲性能好，耐熱耐寒，實際使用溫度為-80～80 ℃，廣泛應用于建筑保溫領域，既可用于新建建筑，也可用于對舊建筑的改造。作為建筑保溫材料，聚氨酯保溫板解決了傳統建材防水層一旦出現滲漏保溫層隨即失去保溫功能的問題。聚氨酯硬泡機械強度高、穩定性強，對外力有很強的抵抗力。聚氨酯硬泡可與各類材料黏接牢固，即使在各類外力的沖擊下保溫層與基層之間還能保持很好的黏結。聚氨酯硬泡有延伸性，因此變形能力較強。當主體結構有裂縫或收縮時，聚氨酯硬泡也不易開裂和剝離。聚氨酯硬泡保溫材料是理想的建筑保溫節能材料，建筑物屋面長期受太陽輻照作用，屋頂雖然在外圍護結構面積占比不高，但能耗卻占總能耗的8%～10%，占頂層能耗的40%以上。提高屋頂保溫隔熱性能，造價不會增加很多但能夠大幅節能。如使用8 cm厚的聚氨酯硬泡保溫材料鋪裝屋頂，包括太陽輻照和長波輻照的屋頂能耗為13.18 kW·h/m2，較無保溫屋頂能耗低1.7 kW·h/m2［1］。外墻保溫中，若要達到相同的保溫效果，聚氨酯硬泡保溫層的厚度只有巖棉或聚苯乙烯泡沫板的1/2，是聚苯乙烯擠塑板的2/3。4 cm厚的聚氨酯硬泡保溫材料的隔熱效果相當于9 cm厚的巖棉或1.7 m厚的普通紅磚［2］。本文綜述了聚氨酯硬泡在節能建筑中的應用及性能優化研究進展。

1 聚氨酯硬泡外墻外保溫系統的施工方法

通常，聚氨酯硬泡外墻外保溫系統的施工方法分為4類，分別是現場噴涂法、現場澆注法、黏貼法和干掛法?，F場噴涂法是使用噴涂機，黑料和白料按比例經噴槍噴出后均勻混合迅速發泡，在外墻基層上形成無接縫的聚氨酯硬泡保溫層。其優點是整體性好，施工簡便。缺點是受環境影響大，氣溫需在5～40 ℃，風力小于3級，空氣相對濕度在70%以下；噴涂時泡沫易飛濺，材料浪費較多，且噴涂厚度及平整度不易控制。以10 cm厚計算，造價約90 元/m2?，F場澆注法是利用模板與墻體形成胎膜，使用澆注機將黑料和白料按比例從澆注槍口噴出后形成的混合料注入已安裝于外墻的模板空腔中形成飽滿連續的聚氨酯硬泡。其優點是整體性好，發泡層表面平整度好；缺點是施工復雜且效率低并受環境影響。對聚氨酯澆注料也進行了開發和優化。遼寧金鎧廈科技有限公司［3］開發出一種聚氨酯發泡顆粒保溫澆注料，是由聚氨酯發泡顆粒、山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰、膠粉、纖維素醚、硅烷基粉末、玻璃鋼纖維和發泡劑組成，各組分體積分數分別為：聚氨酯發泡顆粒85%，水泥12%，粉煤灰2%，膠粉0.2%，纖維素醚0.3%，憎水劑0.2%，增強纖維0.1%，發泡劑0.35%。通過造粒機將發泡級熱塑性聚氨酯擠出成顆粒狀，加熱至發泡溫度，再經過滲透、溶脹、降壓、保壓制成聚氨酯發泡保溫澆注料。使用時，加適量水攪拌成黏稠膏狀料，可直接澆注施工或制成各種保溫材料。這種保溫澆注料的導熱系數低且易施工。粘貼法聚氨酯硬泡外墻外保溫系統的施工是利用膠泥將加工成型的聚氨酯板材貼在墻體表面覆蓋網格布，使用聚合物水泥砂漿抹面。其優點是板材規格統一，可大批量生產，且粘貼后表面平整；缺點是板材與墻體靠膠泥黏結，防潮防水性能差并且膠泥黏性差，易出現質量隱患。干掛法首先在墻體上安裝龍骨，然后使用錨釘或插接的方式將加工成型的聚氨酯板材固定。其優點是板材可大批量生產，規格統一，并且板材表面可直接成型，干掛后無需再處理，施工簡便，施工效率高。聚氨酯保溫板已廣泛應用于外墻保溫。

聚氨酯硬泡板材作為聚氨酯建材的一種，易于成型，生產效率高，能夠做到生產工業化，產品規格尺寸標準化，施工裝配化，易于控制產品質量和工程質量，施工效率高。

2 聚氨酯保溫板的改進

2.1 聚氨酯保溫板結構

聚氨酯保溫板通常由兩層防水彩色涂層鋼板或其他金屬作面板，中間注入阻燃型聚氨酯硬泡復合而成，具有美觀、大方等優點；但是在小空間內使用空調，保溫隔熱效果較差。研究者對聚氨酯保溫板結構進行改進，以提升保溫隔熱、強度、阻燃等性能。林學構［4］對聚氨酯保溫板進行了改進，改進后的聚氨酯耐高溫復合板包括防火層、隔熱層、鋼板和保溫層，鋼板與防火層的厚度相同，防火層的厚度為隔熱層厚度的1/2，隔熱層的厚度和保溫層相同。隔熱層在防火層和鋼板之間，隔熱層和保溫層間有鋼板。這種聚氨酯耐高溫復合板的保溫、隔熱功效好，并且能夠防止聚氨酯板彎曲。浙江廈光涂料有限公司［5］制備的聚氨酯保溫一體化成品板是以聚氨酯硬泡為芯層，在芯層的上下表面復合無紡布層，一層無紡布外表面復合增強型復合板材，另一層與墻面黏結。這種聚氨酯保溫一體化成品板的保溫隔熱性能良好并且防水性好，適用于高層建筑物的外墻，面層可涂覆涂料或使用面磚裝飾。王曉曉［6］將定量聚醚多元醇、阻燃劑、沸石混合后，加入與聚醚多元醇質量相同的異氰酸酯，將混合物攪拌后注入上層鋪有鍍鋁薄膜復合板材和下層鋪有聚酰胺無紡布的模具中一體成型，制備出由聚酯鋁箔層、聚酰胺無紡布層、聚氨酯硬泡層三明治結構的復合材料。結果表明，沸石質量分數為5%時，復合材料平均泡孔直徑為0.213 1 mm；壓縮強度最高為462.03 kPa，較未改進試樣提高了2.54%；極限氧指數為28%，吸音系數為0.62，具有良好的電磁屏蔽效果。為方便現場外墻施工，溫州市登達化工有限公司［7］開發了聚氨酯發泡成型本體建筑板，該建筑板一側表面有多根半圓形突筋，突筋的設置有助于提高建筑板與外墻水泥層聯接的穩定性。

2.2 提升聚氨酯板強度

為提高聚氨酯保溫板的強度，新疆宏宇志祥工程咨詢有限公司［8］使用1.2 kg異佛爾酮二異氰酸酯改性石墨烯/碳納米管，超聲分散于120 kg異佛爾酮二異氰酸酯中，然后與70 kg聚醚三元醇、1.5 kg三乙烯二胺、3.5 kg有機硅泡沫穩定劑Tegostab B8481、20 kg發泡劑HFC-134a和10 kg水迅速攪拌，倒入模具，得到塊狀聚氨酯泡沫。通過在氧化石墨烯/碳納米管的三維結構中引入異氰酸酯基團，得到改進的塊狀聚氨酯泡沫的壓縮強度為0.35 MPa，彎曲強度為0.60 MPa，未經改進的塊狀聚氨酯泡沫的壓縮強度為0.28 MPa，彎曲強度為0.35 MPa，強度提升了20%以上。泡沫密度為21.7 kg/m3，與未經改進的塊狀聚氨酯泡沫密度（23.5 kg/m3）相比明顯減小，表明材料中空結構對降低施工成本起到一定作用。另外，改進的塊狀聚氨酯泡沫的導熱系數為0.018 W/（m·K），小于未經改進的塊狀聚氨酯泡沫的0.023 W/（m·K），因此，保溫效果達到使用要求，可以起到節能降耗的作用。

安徽浩豐特種電子材料有限公司［9］提出一種高強度耐熱耐腐蝕聚氨酯板，其原料組成為：二異氰酸酯100 phr，聚碳酸酯二元醇75 phr，壬二酸二辛酯20 phr，乙氧基化烷基酚硫酸銨10 phr，甲苯二異氰酸酯5 phr，重鈣4.5 phr，炭黑3 phr，納米凹凸棒土5 phr，納米二氧化硅6 phr，雙酚A二縮水甘油醚3.5 phr，環氧硬脂酸辛酯3.5 phr，改性填料4 phr，甲基硅油3 phr，硫磺2.5 phr，酚醛樹脂3.5 phr，固化劑4 phr，三聚氰胺4 phr，次磷酸酯3 phr，阻燃協效劑2 phr，三烯丙基異氰脲酸酯4.5 phr，過氧化二異丙苯4 phr，3,5-二甲硫基苯二胺5 phr，銅片15 phr。首先制備改性填料，改性填料由物料A和物料B組成。物料A的制備方法是：將15 phr聚丙烯、6 phr納米氫氧化鋁和3 phr多聚磷酸鋁混合均勻，加熱至475 ℃，保溫15 min，冷卻至常溫，然后加入6 phr聚四氟乙烯球磨12 min，得到物料A。物料B的制備方法是：將1.0 phr納米石墨、2.0 phr炭黑、3.0 phr重晶石粉、3.5 phr納米二氧化硅、4.0 phr云母粉和6.0 phr滑石粉混合均勻，加熱到80℃，保溫10 min，然后加入5 phr季戊四醇三丙烯酸酯和4 phr硅烷偶聯劑KH-570攪拌至常溫，得到物料B。將物料A和物料B混合均勻，烘干研磨冷卻至室溫得到改性填料。將除甲苯二異氰酸酯外的其他原料充分攪拌混勻，再加入甲苯二異氰酸酯攪拌均勻，最后加入水混勻后立即倒入模具中于110℃保溫壓制成型，靜置30 min，放入烘箱中于130℃熟化6.5 h，脫模后表面覆上銅片，銅片表面加壓，常溫靜置5.0 h，冷卻至室溫得到高強度耐熱耐腐蝕聚氨酯板。該聚氨酯板材強度高，耐熱和耐腐蝕性能優異。

2.3 提升聚氨酯保溫板阻燃性能

聚氨酯保溫板是一種閉孔率高達93%的輕質保溫材料，為改善聚氨酯保溫板的阻燃性能，通常需要添加反應型阻燃劑或者非反應型阻燃劑；但是由于普通聚氨酯硬泡保溫板是用以胺類為催化劑，組合聚醚多元醇與異氰酸酯以一定比例混合一步反應制成，普通聚氨酯為鏈狀分子結構使其阻燃性能較差。

北京茂華聚氨酯建材有限公司［10］公開了一種高阻燃型聚氨酯保溫板的制備方法。采用聚醚多元醇和異氰酸酯反應生成聚氨酯預聚體，然后添加環氧樹脂對聚氨酯預聚體進行改性，引入惡唑烷酮雜環得到惡唑烷酮聚氨酯體以提高熱穩定性，再復配特定比例的阻燃劑提高其阻燃效果。制得的聚氨酯保溫板具有優良保溫性能的同時具有較佳的阻燃性能。具體制備方法是：將100 g聚醚多元醇（聚氧化丙烯三醇和聚四氫呋喃二醇的質量比為1∶1）、120 g甲苯二異氰酸酯，以及5 g穩定劑（二甲基硅油和苯甲酰氯的質量比為1.0∶0.6）在80 ℃反應1.5 h，降溫到40 ℃，得到聚氨酯預聚體；將得到的聚氨酯預聚體與40 g環氧樹脂加熱到85 ℃并混合，然后加入15 gN,N-二甲基芐胺催化劑，于145 ℃攪拌反應40 min，得到惡唑烷酮聚氨酯體。取130 g惡唑烷酮聚氨酯體與20 g三氟三氯乙烷發泡劑和70 g阻燃劑（納米氫氧化鎂和改性納米美鋁水滑石的質量比為1.0∶0.3）在高速分散機中混合，轉速2 000 r/min，時間為20 min，發泡成型得到聚氨酯保溫板。所得聚氨酯保溫板的芯密度32 g/m3，導熱系數0.015 W/（m·K），燃燒增長速率指數217 W/s，壓縮強度為210 kPa，煙密度等級15 SDR，氧指數為43.1%，阻燃等級達到A級。

市場上組合聚醚中一般加入N,N-二甲基環己胺催化劑，對操作人員黏膜、上呼吸道、眼和皮膚有強烈的刺激性。山東普蘭特板業有限公司［11］使用復合堿性離子液體催化制備組合聚醚多元醇和聚氨酯硬泡。這種復合堿性離子液體催化劑是1-甲基-3-（2-哌啶-1′-基）乙基咪唑二氫胺鹽，其制備方法是：首先在100 mL的圓底燒瓶中依次加入N-甲基咪唑2.05 g（25 mmol）、氯乙基哌啶鹽酸鹽3.68 g（20 mmol）和10 mL無水乙醇，回流反應24 h。反應結束后，室溫條件下真空旋蒸除去溶劑，用二氯甲烷洗滌數次，得到白色1-甲基-3-（2-哌啶-1′-基）乙基咪唑鹽酸鹽固體。然后在100 mL圓底燒瓶中依次加入上述制備的1-甲基-3-（2-哌啶-1′-基）乙基咪唑鹽酸鹽0.67 g（2.5 mmol）、二氰胺鈉0.49 g（5.5 mmol）和10 mL去離子水，室溫條件下攪拌過夜。反應結束后，室溫條件下真空旋蒸除去水，得到固體NaCl和液體的混合物。利用二氯甲烷將液體溶解，過濾除去NaCl，旋轉蒸發除去溶劑，重復上述操作數次以除去少量溶解的NaCl，直到生成的離子液體澄清，即得復合堿性離子液體催化劑1-甲基-3-（2-哌啶-1′-基）乙基咪唑二氫胺鹽。取上述離子液體催化劑2 g、交聯劑4 g、勻泡劑2.5 g、發泡劑22 g、水1 g、阻燃劑5 g，聚醚多元醇100 g，充分攪拌混合均勻，得到聚醚多元醇組合料。取聚醚多元醇組合料15 g、聚異氰酸酯16.5 g，4 000 r/min攪拌8 s，14 s乳白，48 s凝膠，78 s固化，此條件下得到的聚氨酯硬泡的泡孔細膩，氧指數為26.2%。發泡過程中離子液體催化劑無揮發，無刺激性氣味產生。制得的成品板材泡孔細膩、氧指數高、阻燃效果好。

3 結語

聚氨酯硬泡是理想的建筑保溫節能材料，既可以在施工現場噴涂澆注，也可以制成板材粘貼或干掛在建筑物表面。對聚氨酯板的結構進行改進可以防止聚氨酯板彎曲并可與建筑物表面黏結緊密，便于施工；對聚氨酯板的強度和阻燃性能進行優化，可以提升板材強度，在節能降耗的同時，阻燃性能得以提升；對催化劑進行改進可以減少對操作人員健康的損害。