聚氨酯硬泡在节能建筑中的应用及性能优化研究进展

汤洪梅，高 华，陆安良

（1. 贵州民族大学 教务处，贵州省贵阳市 550025；2. 贵州民族大学 材料科学与工程学院，贵州省贵阳市 550000；3. 贵州省地质环境监测院地灾应急中心，贵州省贵阳市 550000）

硬质聚氨酯泡沫塑料（简称聚氨酯硬泡）结构致密，质量轻，保温隔热，防水隔声性能好，耐热耐寒，实际使用温度为-80～80 ℃，广泛应用于建筑保温领域，既可用于新建建筑，也可用于对旧建筑的改造。作为建筑保温材料，聚氨酯保温板解决了传统建材防水层一旦出现渗漏保温层随即失去保温功能的问题。聚氨酯硬泡机械强度高、稳定性强，对外力有很强的抵抗力。聚氨酯硬泡可与各类材料黏接牢固，即使在各类外力的冲击下保温层与基层之间还能保持很好的黏结。聚氨酯硬泡有延伸性，因此变形能力较强。当主体结构有裂缝或收缩时，聚氨酯硬泡也不易开裂和剥离。聚氨酯硬泡保温材料是理想的建筑保温节能材料，建筑物屋面长期受太阳辐照作用，屋顶虽然在外围护结构面积占比不高，但能耗却占总能耗的8%～10%，占顶层能耗的40%以上。提高屋顶保温隔热性能，造价不会增加很多但能够大幅节能。如使用8 cm厚的聚氨酯硬泡保温材料铺装屋顶，包括太阳辐照和长波辐照的屋顶能耗为13.18 kW·h/m2，较无保温屋顶能耗低1.7 kW·h/m2［1］。外墙保温中，若要达到相同的保温效果，聚氨酯硬泡保温层的厚度只有岩棉或聚苯乙烯泡沫板的1/2，是聚苯乙烯挤塑板的2/3。4 cm厚的聚氨酯硬泡保温材料的隔热效果相当于9 cm厚的岩棉或1.7 m厚的普通红砖［2］。本文综述了聚氨酯硬泡在节能建筑中的应用及性能优化研究进展。

1 聚氨酯硬泡外墙外保温系统的施工方法

通常，聚氨酯硬泡外墙外保温系统的施工方法分为4类，分别是现场喷涂法、现场浇注法、黏贴法和干挂法。现场喷涂法是使用喷涂机，黑料和白料按比例经喷枪喷出后均匀混合迅速发泡，在外墙基层上形成无接缝的聚氨酯硬泡保温层。其优点是整体性好，施工简便。缺点是受环境影响大，气温需在5～40 ℃，风力小于3级，空气相对湿度在70%以下；喷涂时泡沫易飞溅，材料浪费较多，且喷涂厚度及平整度不易控制。以10 cm厚计算，造价约90 元/m2。现场浇注法是利用模板与墙体形成胎膜，使用浇注机将黑料和白料按比例从浇注枪口喷出后形成的混合料注入已安装于外墙的模板空腔中形成饱满连续的聚氨酯硬泡。其优点是整体性好，发泡层表面平整度好；缺点是施工复杂且效率低并受环境影响。对聚氨酯浇注料也进行了开发和优化。辽宁金铠厦科技有限公司［3］开发出一种聚氨酯发泡颗粒保温浇注料，是由聚氨酯发泡颗粒、山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰、胶粉、纤维素醚、硅烷基粉末、玻璃钢纤维和发泡剂组成，各组分体积分数分别为：聚氨酯发泡颗粒85%，水泥12%，粉煤灰2%，胶粉0.2%，纤维素醚0.3%，憎水剂0.2%，增强纤维0.1%，发泡剂0.35%。通过造粒机将发泡级热塑性聚氨酯挤出成颗粒状，加热至发泡温度，再经过渗透、溶胀、降压、保压制成聚氨酯发泡保温浇注料。使用时，加适量水搅拌成黏稠膏状料，可直接浇注施工或制成各种保温材料。这种保温浇注料的导热系数低且易施工。粘贴法聚氨酯硬泡外墙外保温系统的施工是利用胶泥将加工成型的聚氨酯板材贴在墙体表面覆盖网格布，使用聚合物水泥砂浆抹面。其优点是板材规格统一，可大批量生产，且粘贴后表面平整；缺点是板材与墙体靠胶泥黏结，防潮防水性能差并且胶泥黏性差，易出现质量隐患。干挂法首先在墙体上安装龙骨，然后使用锚钉或插接的方式将加工成型的聚氨酯板材固定。其优点是板材可大批量生产，规格统一，并且板材表面可直接成型，干挂后无需再处理，施工简便，施工效率高。聚氨酯保温板已广泛应用于外墙保温。

聚氨酯硬泡板材作为聚氨酯建材的一种，易于成型，生产效率高，能够做到生产工业化，产品规格尺寸标准化，施工装配化，易于控制产品质量和工程质量，施工效率高。

2 聚氨酯保温板的改进

2.1 聚氨酯保温板结构

聚氨酯保温板通常由两层防水彩色涂层钢板或其他金属作面板，中间注入阻燃型聚氨酯硬泡复合而成，具有美观、大方等优点；但是在小空间内使用空调，保温隔热效果较差。研究者对聚氨酯保温板结构进行改进，以提升保温隔热、强度、阻燃等性能。林学构［4］对聚氨酯保温板进行了改进，改进后的聚氨酯耐高温复合板包括防火层、隔热层、钢板和保温层，钢板与防火层的厚度相同，防火层的厚度为隔热层厚度的1/2，隔热层的厚度和保温层相同。隔热层在防火层和钢板之间，隔热层和保温层间有钢板。这种聚氨酯耐高温复合板的保温、隔热功效好，并且能够防止聚氨酯板弯曲。浙江厦光涂料有限公司［5］制备的聚氨酯保温一体化成品板是以聚氨酯硬泡为芯层，在芯层的上下表面复合无纺布层，一层无纺布外表面复合增强型复合板材，另一层与墙面黏结。这种聚氨酯保温一体化成品板的保温隔热性能良好并且防水性好，适用于高层建筑物的外墙，面层可涂覆涂料或使用面砖装饰。王晓晓［6］将定量聚醚多元醇、阻燃剂、沸石混合后，加入与聚醚多元醇质量相同的异氰酸酯，将混合物搅拌后注入上层铺有镀铝薄膜复合板材和下层铺有聚酰胺无纺布的模具中一体成型，制备出由聚酯铝箔层、聚酰胺无纺布层、聚氨酯硬泡层三明治结构的复合材料。结果表明，沸石质量分数为5%时，复合材料平均泡孔直径为0.213 1 mm；压缩强度最高为462.03 kPa，较未改进试样提高了2.54%；极限氧指数为28%，吸音系数为0.62，具有良好的电磁屏蔽效果。为方便现场外墙施工，温州市登达化工有限公司［7］开发了聚氨酯发泡成型本体建筑板，该建筑板一侧表面有多根半圆形突筋，突筋的设置有助于提高建筑板与外墙水泥层联接的稳定性。

2.2 提升聚氨酯板强度

为提高聚氨酯保温板的强度，新疆宏宇志祥工程咨询有限公司［8］使用1.2 kg异佛尔酮二异氰酸酯改性石墨烯/碳纳米管，超声分散于120 kg异佛尔酮二异氰酸酯中，然后与70 kg聚醚三元醇、1.5 kg三乙烯二胺、3.5 kg有机硅泡沫稳定剂Tegostab B8481、20 kg发泡剂HFC-134a和10 kg水迅速搅拌，倒入模具，得到块状聚氨酯泡沫。通过在氧化石墨烯/碳纳米管的三维结构中引入异氰酸酯基团，得到改进的块状聚氨酯泡沫的压缩强度为0.35 MPa，弯曲强度为0.60 MPa，未经改进的块状聚氨酯泡沫的压缩强度为0.28 MPa，弯曲强度为0.35 MPa，强度提升了20%以上。泡沫密度为21.7 kg/m3，与未经改进的块状聚氨酯泡沫密度（23.5 kg/m3）相比明显减小，表明材料中空结构对降低施工成本起到一定作用。另外，改进的块状聚氨酯泡沫的导热系数为0.018 W/（m·K），小于未经改进的块状聚氨酯泡沫的0.023 W/（m·K），因此，保温效果达到使用要求，可以起到节能降耗的作用。

安徽浩丰特种电子材料有限公司［9］提出一种高强度耐热耐腐蚀聚氨酯板，其原料组成为：二异氰酸酯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铵10 phr，甲苯二异氰酸酯5 phr，重钙4.5 phr，炭黑3 phr，纳米凹凸棒土5 phr，纳米二氧化硅6 phr，双酚A二缩水甘油醚3.5 phr，环氧硬脂酸辛酯3.5 phr，改性填料4 phr，甲基硅油3 phr，硫磺2.5 phr，酚醛树脂3.5 phr，固化剂4 phr，三聚氰胺4 phr，次磷酸酯3 phr，阻燃协效剂2 phr，三烯丙基异氰脲酸酯4.5 phr，过氧化二异丙苯4 phr，3,5-二甲硫基苯二胺5 phr，铜片15 phr。首先制备改性填料，改性填料由物料A和物料B组成。物料A的制备方法是：将15 phr聚丙烯、6 phr纳米氢氧化铝和3 phr多聚磷酸铝混合均匀，加热至475 ℃，保温15 min，冷却至常温，然后加入6 phr聚四氟乙烯球磨12 min，得到物料A。物料B的制备方法是：将1.0 phr纳米石墨、2.0 phr炭黑、3.0 phr重晶石粉、3.5 phr纳米二氧化硅、4.0 phr云母粉和6.0 phr滑石粉混合均匀，加热到80℃，保温10 min，然后加入5 phr季戊四醇三丙烯酸酯和4 phr硅烷偶联剂KH-570搅拌至常温，得到物料B。将物料A和物料B混合均匀，烘干研磨冷却至室温得到改性填料。将除甲苯二异氰酸酯外的其他原料充分搅拌混匀，再加入甲苯二异氰酸酯搅拌均匀，最后加入水混匀后立即倒入模具中于110℃保温压制成型，静置30 min，放入烘箱中于130℃熟化6.5 h，脱模后表面覆上铜片，铜片表面加压，常温静置5.0 h，冷却至室温得到高强度耐热耐腐蚀聚氨酯板。该聚氨酯板材强度高，耐热和耐腐蚀性能优异。

2.3 提升聚氨酯保温板阻燃性能

聚氨酯保温板是一种闭孔率高达93%的轻质保温材料，为改善聚氨酯保温板的阻燃性能，通常需要添加反应型阻燃剂或者非反应型阻燃剂；但是由于普通聚氨酯硬泡保温板是用以胺类为催化剂，组合聚醚多元醇与异氰酸酯以一定比例混合一步反应制成，普通聚氨酯为链状分子结构使其阻燃性能较差。

北京茂华聚氨酯建材有限公司［10］公开了一种高阻燃型聚氨酯保温板的制备方法。采用聚醚多元醇和异氰酸酯反应生成聚氨酯预聚体，然后添加环氧树脂对聚氨酯预聚体进行改性，引入恶唑烷酮杂环得到恶唑烷酮聚氨酯体以提高热稳定性，再复配特定比例的阻燃剂提高其阻燃效果。制得的聚氨酯保温板具有优良保温性能的同时具有较佳的阻燃性能。具体制备方法是：将100 g聚醚多元醇（聚氧化丙烯三醇和聚四氢呋喃二醇的质量比为1∶1）、120 g甲苯二异氰酸酯，以及5 g稳定剂（二甲基硅油和苯甲酰氯的质量比为1.0∶0.6）在80 ℃反应1.5 h，降温到40 ℃，得到聚氨酯预聚体；将得到的聚氨酯预聚体与40 g环氧树脂加热到85 ℃并混合，然后加入15 gN,N-二甲基苄胺催化剂，于145 ℃搅拌反应40 min，得到恶唑烷酮聚氨酯体。取130 g恶唑烷酮聚氨酯体与20 g三氟三氯乙烷发泡剂和70 g阻燃剂（纳米氢氧化镁和改性纳米美铝水滑石的质量比为1.0∶0.3）在高速分散机中混合，转速2 000 r/min，时间为20 min，发泡成型得到聚氨酯保温板。所得聚氨酯保温板的芯密度32 g/m3，导热系数0.015 W/（m·K），燃烧增长速率指数217 W/s，压缩强度为210 kPa，烟密度等级15 SDR，氧指数为43.1%，阻燃等级达到A级。

市场上组合聚醚中一般加入N,N-二甲基环己胺催化剂，对操作人员黏膜、上呼吸道、眼和皮肤有强烈的刺激性。山东普兰特板业有限公司［11］使用复合碱性离子液体催化制备组合聚醚多元醇和聚氨酯硬泡。这种复合碱性离子液体催化剂是1-甲基-3-（2-哌啶-1′-基）乙基咪唑二氢胺盐，其制备方法是：首先在100 mL的圆底烧瓶中依次加入N-甲基咪唑2.05 g（25 mmol）、氯乙基哌啶盐酸盐3.68 g（20 mmol）和10 mL无水乙醇，回流反应24 h。反应结束后，室温条件下真空旋蒸除去溶剂，用二氯甲烷洗涤数次，得到白色1-甲基-3-（2-哌啶-1′-基）乙基咪唑盐酸盐固体。然后在100 mL圆底烧瓶中依次加入上述制备的1-甲基-3-（2-哌啶-1′-基）乙基咪唑盐酸盐0.67 g（2.5 mmol）、二氰胺钠0.49 g（5.5 mmol）和10 mL去离子水，室温条件下搅拌过夜。反应结束后，室温条件下真空旋蒸除去水，得到固体NaCl和液体的混合物。利用二氯甲烷将液体溶解，过滤除去NaCl，旋转蒸发除去溶剂，重复上述操作数次以除去少量溶解的NaCl，直到生成的离子液体澄清，即得复合碱性离子液体催化剂1-甲基-3-（2-哌啶-1′-基）乙基咪唑二氢胺盐。取上述离子液体催化剂2 g、交联剂4 g、匀泡剂2.5 g、发泡剂22 g、水1 g、阻燃剂5 g，聚醚多元醇100 g，充分搅拌混合均匀，得到聚醚多元醇组合料。取聚醚多元醇组合料15 g、聚异氰酸酯16.5 g，4 000 r/min搅拌8 s，14 s乳白，48 s凝胶，78 s固化，此条件下得到的聚氨酯硬泡的泡孔细腻，氧指数为26.2%。发泡过程中离子液体催化剂无挥发，无刺激性气味产生。制得的成品板材泡孔细腻、氧指数高、阻燃效果好。

3 结语

聚氨酯硬泡是理想的建筑保温节能材料，既可以在施工现场喷涂浇注，也可以制成板材粘贴或干挂在建筑物表面。对聚氨酯板的结构进行改进可以防止聚氨酯板弯曲并可与建筑物表面黏结紧密，便于施工；对聚氨酯板的强度和阻燃性能进行优化，可以提升板材强度，在节能降耗的同时，阻燃性能得以提升；对催化剂进行改进可以减少对操作人员健康的损害。