硬質(zhì)聚氨酯與聚苯乙烯泡沫塑料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

廖國勝，曾 騏，孫建剛

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065）

硬質(zhì)聚氨酯與聚苯乙烯泡沫塑料在建筑節(jié)能中的應(yīng)用

廖國勝，曾 騏，孫建剛

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065）

對硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料和聚苯乙烯泡沫塑料的主要工程特性進(jìn)行了對比分析，同時介紹了兩種材料在外墻保溫、屋頂保溫、樓地面保溫等建筑工程中的應(yīng)用及存在的問題，并對硬質(zhì)聚氨酯－聚苯乙烯復(fù)合材料的研究方向進(jìn)行了初步的探討。

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料； 聚苯乙烯泡沫塑料； 保溫； 性能對比

聚苯乙烯泡沫塑料是聚苯乙烯中加入發(fā)泡劑加熱時軟化、產(chǎn)生氣體，形成的一種硬質(zhì)閉孔結(jié)構(gòu)的輕型高分子材料。均勻封閉的空腔結(jié)構(gòu)使其具有介電性能優(yōu)良、吸水性小、力學(xué)強(qiáng)度較高及質(zhì)量輕等特點(diǎn)。在土木工程中，有效的解決了建筑物的保溫、防潮以及水利設(shè)施的保溫防滲、防凍的工程問題［1］。

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料是由有機(jī)異氰酸酯與多元醇化合物相互作用而得的高分子聚合物材料。它是一種性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料和絕熱材料，一般而言，較高密度的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料可用作結(jié)構(gòu)材料，較低密度的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料主要用作隔熱保溫材料。它多為閉孔結(jié)構(gòu)，比強(qiáng)度大、重量輕、施工方便，同時還具有電絕緣、防震、隔音、耐溶劑、耐寒、耐熱等特點(diǎn)。它用途非常廣，例如用于房屋建筑的保溫結(jié)構(gòu)以及石油化工管道、冷柜、冰箱等的隔熱保溫［2］。

1 硬質(zhì)聚氨酯與聚苯乙烯泡沫塑料的主要工程特性對比分析

密度是泡沫塑料的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。密度對泡沫的其他性能有明顯的影響。不同使用對象，選用的泡沫塑料密度不等。建筑用復(fù)合板材、芯材泡沫塑料密度大體上為30kg／m3或略大一些［3］。

1.1 密度和壓縮性能

壓縮強(qiáng)度是泡沫塑料最重要的性能之一，當(dāng)試樣受到外部持續(xù)壓力后會發(fā)生變形，最終導(dǎo)致泡孔完全破壞。密度與壓縮強(qiáng)度有著密切的關(guān)系，通常情況下，泡沫塑料的密度越大，泡孔結(jié)構(gòu)越小，泡沫塑料的壓縮強(qiáng)度就越好，見圖1。

由圖1可以看出，不管是硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料還是聚苯乙烯泡沫塑料，都是隨著密度的增加，壓縮強(qiáng)度提高，并且泡沫塑料密度在20～40kg／m3的范圍內(nèi)基本保持線性增長趨勢，但泡沫塑料密度在40kg／m3以上的范圍，聚苯乙烯泡沫塑料的壓縮強(qiáng)度增長幅度更大一些。在兩種材料密度相同的情況下，聚苯乙烯泡沫塑料的壓縮強(qiáng)度要略高于硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料。

1.2 密度和熱導(dǎo)率

作為保溫材料的泡沫塑料，熱導(dǎo)率是最重要的特性。熱導(dǎo)率越小，保溫材料的絕熱性能越優(yōu)良。密度是影響泡沫塑料熱導(dǎo)率的因素之一，而對于硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，選擇一氟三氯甲烷（CFC－11）和二氧化碳發(fā)泡的熱導(dǎo)率差異見圖2。

圖2中矩形數(shù)據(jù)標(biāo)記曲線表示二氧化碳發(fā)泡的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料熱導(dǎo)率與密度的關(guān)系，三角數(shù)據(jù)標(biāo)記曲線表示CFC－11發(fā)泡的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料熱導(dǎo)率與密度的關(guān)系。由這兩條曲線可知，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的熱導(dǎo)率與密度的關(guān)系大體趨勢是隨著密度增加，熱導(dǎo)率增大，但這種增大與密度的增加并不成正比，泡沫塑料密度在30～60kg／m3的范圍內(nèi)熱導(dǎo)率較小。同時我們發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡劑的不同也導(dǎo)致硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的熱導(dǎo)率有差異，其中用CFC－11發(fā)泡的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的熱導(dǎo)率要明顯低于二氧化碳作發(fā)泡劑時的熱導(dǎo)率。菱形數(shù)據(jù)標(biāo)記曲線表示的是聚苯乙烯泡沫塑料熱導(dǎo)率與密度的關(guān)系，可以看出密度對熱導(dǎo)率的影響較小，大體趨勢是基本維持不變，泡沫密度在20～30kg／m3的范圍內(nèi)略微單調(diào)下降，之后保持穩(wěn)定在0.039mW／（m·K）左右。

由圖2整體對比分析可知，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料不管是采用二氧化碳發(fā)泡還是CFC－11發(fā)泡，其熱導(dǎo)率都明顯低于聚苯乙烯泡沫塑料，保溫效果上有顯著優(yōu)勢。

1.3 熱導(dǎo)率和吸水率

除密度之外，吸水率是影響泡沫塑料熱導(dǎo)率的另外一個主要因素，保溫材料在使用過程中都會直接或間接的吸收水分，水分的滲入必然會影響保溫材料的熱導(dǎo)性能，見圖3。

由圖3可以看出，兩種材料都是隨著吸入水分的增加，熱導(dǎo)率逐步增加，呈現(xiàn)的是一種單調(diào)遞增的趨勢，并且增長幅度也相當(dāng)。在同等吸水條件下，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的保溫性能優(yōu)于聚苯乙烯泡沫塑料。

2 硬質(zhì)聚氨酯與聚苯乙烯泡沫塑料在建筑工程中的應(yīng)用

2.1 建筑外墻保溫

聚苯乙烯泡沫塑料保溫板材可直接粘貼于建筑物外墻面，使用證明保溫效果良好，施工簡便、造價低，同時還可以制作建筑外裝飾的造型。但墻體整體性差，構(gòu)造柱和局部圈梁部位熱橋問題還沒得到有效的解決；而硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料對磚墻以及水泥砂漿的附著力強(qiáng)，墻體整體性好，采用噴涂硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料不但保溫節(jié)能，而且能夠有效的解決局部熱橋問題，特別適用于高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)外墻保溫。

2.2 屋頂保溫

傳統(tǒng)的屋頂保溫結(jié)構(gòu)是在屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)層上作好找平層后，先鋪隔熱保溫層（膨脹珍珠巖、加氣混凝土、礦棉等），再作防水層。防水層由于暴露在外面，受高低溫和日光的作用，防水層極易開裂老化，加之傳統(tǒng)的保溫材料都容易吸水，而且吸水后就失去了保溫隔熱性［4］。與傳統(tǒng)做法相反，采用屋頂保溫倒置法利用聚苯乙烯泡沫塑料的低吸水性和耐久性，可改變防水層的工作環(huán)境，使其防水功能長期有效。相比聚苯乙烯泡沫塑料，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料不僅具有低吸水性和耐久性，而且由于屋頂長期的溫度變化范圍為－30～90℃［5］，優(yōu)良的保溫隔熱性能更使硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料能承受陽光長期照射在屋頂表面所產(chǎn)生的高溫以及季節(jié)變化產(chǎn)生的低溫。

2.3 地面保溫

在室內(nèi)地面保溫時，無論是在樓板下鋪設(shè)保溫層，還是在地面上進(jìn)行保溫，聚苯乙烯泡沫塑料和硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料都特別有用。由于硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料熱導(dǎo)率低于聚苯乙烯泡沫塑料，一般20～40mm厚的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料板塊就能夠滿足要求，而聚苯乙烯泡沫塑料則需要30～60mm。另一方面，樓地面保溫時泡沫塑料要在長期的壓力荷載下工作，相比硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，聚苯乙烯泡沫塑料的壓縮性能略好，更能夠保持良好的穩(wěn)定性。

3 存在的問題及發(fā)展方向

我國幅員遼闊，建筑保溫材料的應(yīng)用情況在各地差異較大。但就其綜合性能來講，聚苯乙烯泡沫塑料因具有一定的保溫效果、成本低的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用較廣，但施工性能差，與基體結(jié)合不牢、阻燃性差等缺點(diǎn)成為該材料應(yīng)用的一個障礙［6］。隨著建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能要求的不斷提高，保溫性能更高的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料已經(jīng)越來越多地取代了曾大量使用的聚苯乙烯泡沫塑料［7］，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料其熱導(dǎo)率要顯著低于聚苯乙烯泡沫塑料，而且能形成連續(xù)的保溫層，可保證墻體與保溫材料的共同作用并有效阻斷熱橋，適合結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)較高的多層和高層建筑，但由于綜合造價投入較大且對工人技術(shù)要求較高，目前使用率僅占我國外墻保溫市場的5%［8］。

綜上所述，結(jié)合二者的性能優(yōu)勢，同時賦予硬質(zhì)聚氨酯－聚苯乙烯復(fù)合材料阻燃等性能，開發(fā)出具有力學(xué)性能好，保溫性能優(yōu)異，具備一定阻燃效果等性能優(yōu)勢的復(fù)合型保溫材料。這種材料具有廣闊的市場前景，完全有能力實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能60%的目標(biāo)。

［1］張衛(wèi)兵.聚苯乙烯在工程中的應(yīng)用［J］.工程塑料應(yīng)用，2004，32（7）：39.

［2］楊春栢.硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料研究進(jìn)展［J］.中國塑料，2009，23（2）：12.

［3］朱呂民 劉益軍.聚氨酯泡沫塑料［M］.（第三版）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005，553－554.

［4］李 焉，張玉川.發(fā)展EPS泡沫塑料的新機(jī)遇—EPS泡沫塑料在建筑上應(yīng)用的調(diào)研［J］.化學(xué)建材（特輯），2001，30（4）：27.

［5］徐歸德.應(yīng)用于建筑工業(yè)的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料［J］.化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料，2004，2（5）：2.

［6］張 娟，高 敏.建筑節(jié)能保溫材料的應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.科技致富向?qū)В?011（23）：367.

［7］錢伯章，朱建芳.建筑節(jié)能保溫材料技術(shù)進(jìn)展［J］.建筑節(jié)能，2009（2）：57.

［8］許志中，李鐵東.有機(jī)建筑保溫材料發(fā)展前景的思考［J］.新型建筑材料，2011（7）：90.

Application of Rigid Polyurethane and Polystyrene Foams in Building Energy

LIAO Guo－sheng，ZENG Qi，SUN Jian－gang
（School of Urban Construction，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China）

In this paper，the main characteristic of the rigid polyurethane and polystyrene foams are analyzed.At the same time，the application and disadvantage of the two materials in construction engineering are introduced，including the exterior wall insulation，roof insulation，floor surface heat preservation，etc.It also conduct a preliminary study in the research direction of rigid polyurethane－polystyrene composites.

rigid polyurethane foams； polystyrene foams； heat preservation； performance comparison

10.3963／j.issn.1674－6066.2014.02.007

2014－02－24.

廖國勝（1971－），副教授.E－mail：115811597＠qq.com