湯洪梅，高 華，陸安良

（1. 貴州民族大學(xué) 教務(wù)處，貴州省貴陽市 550025；2. 貴州民族大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，貴州省貴陽市 550000；3. 貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院地災(zāi)應(yīng)急中心，貴州省貴陽市 550000）

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料（簡稱聚氨酯硬泡）結(jié)構(gòu)致密，質(zhì)量輕，保溫隔熱，防水隔聲性能好，耐熱耐寒，實(shí)際使用溫度為-80～80 ℃，廣泛應(yīng)用于建筑保溫領(lǐng)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(tǒng)建材防水層一旦出現(xiàn)滲漏保溫層隨即失去保溫功能的問題。聚氨酯硬泡機(jī)械強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，對外力有很強(qiáng)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(jié)。聚氨酯硬泡有延伸性，因此變形能力較強(qiáng)。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)有裂縫或收縮時(shí)，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(jié)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(hù)結(jié)構(gòu)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(jià)不會(huì)增加很多但能夠大幅節(jié)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(dá)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(dāng)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(jié)能建筑中的應(yīng)用及性能優(yōu)化研究進(jìn)展。

1 聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)的施工方法

通常，聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)的施工方法分為4類，分別是現(xiàn)場噴涂法、現(xiàn)場澆注法、黏貼法和干掛法。現(xiàn)場噴涂法是使用噴涂機(jī)，黑料和白料按比例經(jīng)噴槍噴出后均勻混合迅速發(fā)泡，在外墻基層上形成無接縫的聚氨酯硬泡保溫層。其優(yōu)點(diǎn)是整體性好，施工簡便。缺點(diǎn)是受環(huán)境影響大，氣溫需在5～40 ℃，風(fēng)力小于3級(jí)，空氣相對濕度在70%以下；噴涂時(shí)泡沫易飛濺，材料浪費(fèi)較多，且噴涂厚度及平整度不易控制。以10 cm厚計(jì)算，造價(jià)約90 元/m2。現(xiàn)場澆注法是利用模板與墻體形成胎膜，使用澆注機(jī)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(xù)的聚氨酯硬泡。其優(yōu)點(diǎn)是整體性好，發(fā)泡層表面平整度好；缺點(diǎn)是施工復(fù)雜且效率低并受環(huán)境影響。對聚氨酯澆注料也進(jìn)行了開發(fā)和優(yōu)化。遼寧金鎧廈科技有限公司［3］開發(fā)出一種聚氨酯發(fā)泡顆粒保溫澆注料，是由聚氨酯發(fā)泡顆粒、山灰質(zhì)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(fā)泡劑組成，各組分體積分?jǐn)?shù)分別為：聚氨酯發(fā)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(qiáng)纖維0.1%，發(fā)泡劑0.35%。通過造粒機(jī)將發(fā)泡級(jí)熱塑性聚氨酯擠出成顆粒狀，加熱至發(fā)泡溫度，再經(jīng)過滲透、溶脹、降壓、保壓制成聚氨酯發(fā)泡保溫澆注料。使用時(shí)，加適量水?dāng)嚢璩绅こ砀酄盍?，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(dǎo)熱系數(shù)低且易施工。粘貼法聚氨酯硬泡外墻外保溫系統(tǒng)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(wǎng)格布，使用聚合物水泥砂漿抹面。其優(yōu)點(diǎn)是板材規(guī)格統(tǒng)一，可大批量生產(chǎn)，且粘貼后表面平整；缺點(diǎn)是板材與墻體靠膠泥黏結(jié)，防潮防水性能差并且膠泥黏性差，易出現(xiàn)質(zhì)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(yōu)點(diǎn)是板材可大批量生產(chǎn)，規(guī)格統(tǒng)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(yīng)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(chǎn)效率高，能夠做到生產(chǎn)工業(yè)化，產(chǎn)品規(guī)格尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，施工裝配化，易于控制產(chǎn)品質(zhì)量和工程質(zhì)量，施工效率高。

2 聚氨酯保溫板的改進(jìn)

2.1 聚氨酯保溫板結(jié)構(gòu)

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(fù)合而成，具有美觀、大方等優(yōu)點(diǎn)；但是在小空間內(nèi)使用空調(diào)，保溫隔熱效果較差。研究者對聚氨酯保溫板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以提升保溫隔熱、強(qiáng)度、阻燃等性能。林學(xué)構(gòu)［4］對聚氨酯保溫板進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的聚氨酯耐高溫復(fù)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(fù)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(fù)合無紡布層，一層無紡布外表面復(fù)合增強(qiáng)型復(fù)合板材，另一層與墻面黏結(jié)。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(zhì)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(fù)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(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。結(jié)果表明，沸石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，復(fù)合材料平均泡孔直徑為0.213 1 mm；壓縮強(qiáng)度最高為462.03 kPa，較未改進(jìn)試樣提高了2.54%；極限氧指數(shù)為28%，吸音系數(shù)為0.62，具有良好的電磁屏蔽效果。為方便現(xiàn)場外墻施工，溫州市登達(dá)化工有限公司［7］開發(fā)了聚氨酯發(fā)泡成型本體建筑板，該建筑板一側(cè)表面有多根半圓形突筋，突筋的設(shè)置有助于提高建筑板與外墻水泥層聯(lián)接的穩(wěn)定性。

2.2 提升聚氨酯板強(qiáng)度

為提高聚氨酯保溫板的強(qiáng)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(jī)硅泡沫穩(wěn)定劑Tegostab B8481、20 kg發(fā)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(jié)構(gòu)中引入異氰酸酯基團(tuán)，得到改進(jìn)的塊狀聚氨酯泡沫的壓縮強(qiáng)度為0.35 MPa，彎曲強(qiáng)度為0.60 MPa，未經(jīng)改進(jìn)的塊狀聚氨酯泡沫的壓縮強(qiáng)度為0.28 MPa，彎曲強(qiáng)度為0.35 MPa，強(qiáng)度提升了20%以上。泡沫密度為21.7 kg/m3，與未經(jīng)改進(jìn)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(jié)構(gòu)對降低施工成本起到一定作用。另外，改進(jìn)的塊狀聚氨酯泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)為0.018 W/（m·K），小于未經(jīng)改進(jìn)的塊狀聚氨酯泡沫的0.023 W/（m·K），因此，保溫效果達(dá)到使用要求，可以起到節(jié)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(qiáng)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(huán)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(xié)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(lián)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?jǐn)嚢杌靹?，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?10℃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(qiáng)度耐熱耐腐蝕聚氨酯板。該聚氨酯板材強(qiáng)度高，耐熱和耐腐蝕性能優(yōu)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(dá)93%的輕質(zhì)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(yīng)型阻燃劑或者非反應(yīng)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(yīng)制成，普通聚氨酯為鏈狀分子結(jié)構(gòu)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(yīng)生成聚氨酯預(yù)聚體，然后添加環(huán)氧樹脂對聚氨酯預(yù)聚體進(jìn)行改性，引入惡唑烷酮雜環(huán)得到惡唑烷酮聚氨酯體以提高熱穩(wěn)定性，再復(fù)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(yōu)良保溫性能的同時(shí)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(zhì)量比為1∶1）、120 g甲苯二異氰酸酯，以及5 g穩(wěn)定劑（二甲基硅油和苯甲酰氯的質(zhì)量比為1.0∶0.6）在80 ℃反應(yīng)1.5 h，降溫到40 ℃，得到聚氨酯預(yù)聚體；將得到的聚氨酯預(yù)聚體與40 g環(huán)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(yīng)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(fā)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(zhì)量比為1.0∶0.3）在高速分散機(jī)中混合，轉(zhuǎn)速2 000 r/min，時(shí)間為20 min，發(fā)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(dǎo)熱系數(shù)0.015 W/（m·K），燃燒增長速率指數(shù)217 W/s，壓縮強(qiáng)度為210 kPa，煙密度等級(jí)15 SDR，氧指數(shù)為43.1%，阻燃等級(jí)達(dá)到A級(jí)。

市場上組合聚醚中一般加入N,N-二甲基環(huán)己胺催化劑，對操作人員黏膜、上呼吸道、眼和皮膚有強(qiáng)烈的刺激性。山東普蘭特板業(yè)有限公司［11］使用復(fù)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(fù)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(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束后，室溫條件下真空旋蒸除去溶劑，用二氯甲烷洗滌數(shù)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(yīng)結(jié)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(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑，重復(fù)上述操作數(shù)次以除去少量溶解的NaCl，直到生成的離子液體澄清，即得復(fù)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(lián)劑4 g、勻泡劑2.5 g、發(fā)泡劑22 g、水1 g、阻燃劑5 g，聚醚多元醇100 g，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?，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(xì)膩，氧指數(shù)為26.2%。發(fā)泡過程中離子液體催化劑無揮發(fā)，無刺激性氣味產(chǎn)生。制得的成品板材泡孔細(xì)膩、氧指數(shù)高、阻燃效果好。

3 結(jié)語

聚氨酯硬泡是理想的建筑保溫節(jié)能材料，既可以在施工現(xiàn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)可以防止聚氨酯板彎曲并可與建筑物表面黏結(jié)緊密，便于施工；對聚氨酯板的強(qiáng)度和阻燃性能進(jìn)行優(yōu)化，可以提升板材強(qiáng)度，在節(jié)能降耗的同時(shí)，阻燃性能得以提升；對催化劑進(jìn)行改進(jìn)可以減少對操作人員健康的損害。