陸成龍，戴永剛，張國燾

( 1. 湖北理工學院 礦區(qū)環(huán)境污染控制與修復湖北省重點實驗室，湖北 黃石 435003； 2. 廣東金意陶陶瓷集團有限公司，廣東 佛山 528031)

建筑能耗在我國能源總消耗中的占比逐年提升，日前已達40%[1]，如何在建筑領域降低能源消耗已經(jīng)成為一個亟待解決的問題。據(jù)不完全統(tǒng)計，如果使用具有良好保溫絕熱性能的建筑材料，建筑物的能耗可降低25%～51%。因此，使用建筑隔熱保溫材料能夠很好地解決建筑能耗問題。然而，目前我國仍存在一部分建筑沒有有效使用建筑隔熱保溫材料，致使建筑物的能源消耗與損失十分嚴重[2]。因此，創(chuàng)新性地研究和開發(fā)具有良好隔熱保溫性能的建筑材料，不僅能夠大大減少建筑能源消耗，還能提高室內(nèi)住所的保溫隔熱能力，對提升人們生活質量和保護周圍環(huán)境具有重大的意義[3]。

1 建筑隔熱保溫材料簡介

1.1 建筑隔熱保溫材料的定義

一般說，隔熱保溫材料的共同特點是輕質、疏松、多孔、導熱系數(shù)低，通過有效阻隔建筑物與外界的熱量交換來降低建筑物能耗，以實現(xiàn)建筑節(jié)能的目的。無機隔熱保溫材料具有不燃、使用溫度寬、耐化學腐蝕性較好等特點。有機隔熱保溫材料具有吸水率較低、不透水性較佳等特點。一般建筑保溫隔熱材料的導熱系數(shù)小于 0.17 W/(m·K)，表觀密度小于 1 000 kg/m3，抗壓強度大于 0.3 MPa[4]。

1.2 建筑隔熱保溫材料保溫原理

熱量傳遞方式主要有熱傳遞、熱輻射、熱對流3種。大多數(shù)保溫材料內(nèi)部孔隙較多，孔隙中充滿著空氣，而空氣導熱系數(shù)遠低于固體，所以能阻隔熱量從高溫端向低溫端的傳遞，達到保溫隔熱的目的。因此，保溫材料的原理就是通過材料內(nèi)部密閉小孔中的空氣對熱量所具有的慢導性，使得材料溫度隨外界變化得非常緩慢，最終達到保溫效果。

2 隔熱保溫材料在建筑中的應用

2.1 保溫材料在墻體的應用

墻體保溫一般分為內(nèi)墻保溫和外墻保溫兩部分，但內(nèi)墻保溫存在占據(jù)室內(nèi)空間面積、防火能力不足和對室內(nèi)環(huán)境及人體健康產(chǎn)生影響等問題，因此目前我國主要是對外墻應用保溫材料以提高墻體隔熱能力，而內(nèi)墻保溫只在上海、重慶等少數(shù)城市普及。外墻保溫主要分為外墻內(nèi)保溫技術和外墻外保溫技術，外墻內(nèi)保溫即在墻內(nèi)側鋪設隔熱保溫板，整體操作較為簡單，目前在我國許多建筑中都有使用，內(nèi)保溫主要應用于保暖，具有室內(nèi)快速升溫的能力[5]。外墻內(nèi)保溫技術成型時間比較早，技術原理簡單，安裝拆卸和后期維護也比較快捷，對環(huán)境也不會產(chǎn)生不良影響。外墻外保溫技術將保溫層鋪設在墻體外側，能有效降低熱橋的發(fā)生，從而減少熱量的損失，防止外墻出現(xiàn)裂縫等情況，因此能夠延長墻體的使用壽命。相比外墻內(nèi)保溫技術，外保溫無疑更具優(yōu)勢，然而外墻外保溫技術比較復雜，對施工人員和設備的要求較高，對保溫材料的性能要求也較為嚴格[6]。所以很多保溫材料無法滿足實際要求，外保溫技術的施工在短期內(nèi)難以實現(xiàn)規(guī)范和統(tǒng)一。

2.2 保溫材料在建筑頂部的應用

建筑物頂部與外界進行大量的熱量交換。一般可在屋頂鋪膨脹珍珠巖、玻璃棉等保溫材料，還可以在天花板上鋪設礦物棉氈、墊保溫棉等材料來增強保溫隔熱的性能。屋面有平面屋和非平面屋2種，在屋頂鋪設保溫隔熱材料時，應視屋面的形狀和保溫材料的具體功能而定，應滿足屋頂?shù)姆浪芰?、裝潢美觀程度等要求[7]。保溫材料鋪設方法也有不同，玻璃保溫棉可以鋪到天花板上，也可以和裝飾用材料制成天花板來直接鋪設。我國已經(jīng)生產(chǎn)、開發(fā)和引進了很多新型保溫節(jié)能材料，如巖棉、玻璃棉、聚苯乙烯塑料、水泥聚苯板、硅酸鹽復合絕熱砂漿等[8]。

2.3 保溫材料在地下場所的應用

大多數(shù)建筑物都有地下室或地下空間，與室內(nèi)主活動空間分隔開來，處在保溫隔熱區(qū)域之外。在冬季溫度較低時，這些地下部分的保溫能力將極大降低。熱量大量損失，造成地下室內(nèi)溫度降低，隨著生產(chǎn)生活要求的提高，地下場所的保溫需求也逐漸加大。因此有必要在地下室底部的地板下面鋪設保溫隔熱性能良好的建筑材料。同時，地下場所保溫隔熱性能的提升也會有助于整個建筑保溫隔熱體系的構建，從而實現(xiàn)能源的循環(huán)利用。

3 建筑隔熱保溫材料的分類及性質

建筑隔熱保溫材料導熱系數(shù)小，具有保溫、消音、防火等性能，建筑隔熱保溫材料的種類很多，按照形態(tài)可以分為纖維狀、微孔狀、層狀、氣泡狀；按照材質可以分為金屬保溫隔熱材料、有機保溫隔熱材料、無機保溫隔熱材料。市面上的建筑隔熱保溫材料以泡沫塑料、礦物棉、膨脹珍珠巖、多孔陶瓷等較為常見[9]。泡沫塑料作為一種重要的有機保溫隔熱材料，主要分為聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料和聚乙烯泡沫塑料[10]。

1)聚氨酯泡沫塑料最早于20世紀50年代由德國研制使用，具有良好的保溫與防水性能。近年來在建筑保溫工程中大量使用，在屋頂、墻體等用作保溫層效果非常好，目前正逐漸取代傳統(tǒng)防水保溫層。但當前聚氨脂泡沫塑料的發(fā)展到了一個瓶頸期，其制備過程使用的氯氟烴類發(fā)泡劑會破壞大氣層，目前已被聯(lián)合國禁止使用。因此許多國家正在逐漸減少聚氨脂泡沫塑料的使用，尋找并使用新型環(huán)保發(fā)泡劑正成為聚氨脂泡沫保溫材料的出路。

2)聚苯乙烯泡沫塑料是目前應用最廣泛的一類保溫材料，具有保溫、吸音、抗沖擊等特性，適用于寒冷地區(qū)。泡沫塑料保溫板和夾心復合板是聚苯乙烯泡沫塑料的主要制品，由于其低廉的價格和優(yōu)良的保溫隔熱能力，成為了墻體及屋面保溫系統(tǒng)中的主要應用材料。真空聚苯乙烯泡沫材料也是其發(fā)展方向之一，虞夏等[9]對比了真空聚苯乙烯泡沫材料和傳統(tǒng)聚苯乙烯發(fā)泡材料，發(fā)現(xiàn)真空聚苯乙烯在制冷領域保溫效果更顯著，且其價格低廉，經(jīng)濟益好，未來真空聚苯乙烯泡沫材料的發(fā)展前景很廣闊。我國每年都有大量聚苯乙烯泡沫塑料遭到廢棄，造成了部分環(huán)境污染，而以廢棄聚苯乙烯泡沫塑料為主要原料，可以制備出具有優(yōu)良保溫耐熱性能的復合保溫材料，這也是聚苯乙烯泡沫保溫材料發(fā)展的新方向[11]。

3)聚乙烯泡沫塑料發(fā)展時間較長，20世紀40年代美國最早研制成功，具有耐熱、柔韌、不吸水等優(yōu)良特性 。當前聚乙烯泡沫保溫材料主要以輕質復合材料為主，其輕質、導熱系數(shù)低等物理特性能夠滿足一般建筑的保溫需求。聚乙烯泡沫塑料價格高昂、防火能力差，加之使用時對溫度也有要求，因而目前應用范圍不大，但聚乙烯具有很好的加工性能,在聚乙烯等主要原料中加入高分子彈性材料，可以制成具有良好柔韌性能的復合材料，可以滿足更多個性化的需求[12]。

礦物棉主要是由瀝青和有機物經(jīng)過特殊工藝制成，1840年最早由英國研制成功，至今已有100多年的發(fā)展歷史。礦物棉制品價格低廉，保溫隔熱性能較好，且具有良好的耐火性，一般應用于外墻、屋面房頂?shù)炔课坏谋Ａ舾魺?，在其他工業(yè)領域也得到了大量應用，而且礦物棉材料成本非常低，經(jīng)濟效益顯著。但礦物棉制品含有一定的有害物質，會對環(huán)境造成一定破壞，而且其強度很低，用作保溫隔熱層時容易發(fā)生塌陷的現(xiàn)象，所以礦物棉制品正逐步被其他材料所取代[13]。

膨脹珍珠巖是由珍珠巖、黑曜巖等原料制成，具有導熱系數(shù)低、耐火、無毒等優(yōu)良性質，而且成本很低，主要用作建筑抹灰料、保溫填料、保溫板材等。20世紀40年代，美國最早開始珍珠巖的工業(yè)制備，我國最早于20世紀60年代在大連成功生產(chǎn)珍珠巖制品。李胡勇等[4]以膨脹珍珠巖為原料，水玻璃為膠黏劑，制備出了一種優(yōu)良的珍珠巖制品，其導熱系數(shù)為0.065 ～0.074 W/(m·K)，表觀密度為284～340 kg/m3，抗壓強度為0.55～1.30 MPa。雖然膨脹珍珠巖的保溫及防火性能好，但其強度不高，容易吸水，吸水后其保溫隔熱能力會大幅度降低，所以膨脹珍珠巖的使用范圍較小，且使用時需要對其進行疏水處理。

4 發(fā)泡陶瓷作為新型建筑隔熱保溫材料的制備及應用進展

4.1 常用高溫發(fā)泡陶瓷隔熱保溫材料的制備

發(fā)泡陶瓷通常采用壓制成型或直接燒成法，對坯料的要求不高，一般是以粘土、石英、長石為主要原料，添加發(fā)泡劑，采用先進的生產(chǎn)工藝在高溫下燒成的高氣孔率的閉孔陶瓷材料。發(fā)泡陶瓷的制備主要有球磨、干燥、造粒、燒成等工藝流程,對不同功能需要的高溫陶瓷還可進行裝飾和切割等加工處理[14]。

發(fā)泡劑在高溫下發(fā)生分解及氧化還原反應，產(chǎn)生了揮發(fā)性氣體，并與材料基體共熔，溶劑性組分材料也會在高溫的情況下與發(fā)泡劑共熔，產(chǎn)生硅酸鹽熔體，氣體被封閉在材料內(nèi)部，進而材料不斷膨脹。當溫度不斷地降低，封閉在材料內(nèi)部的氣體會產(chǎn)生閉氣孔；而未被熔融狀態(tài)的高溫熔體封閉的氣體會產(chǎn)生開氣孔[15]。在制備過程中，通過保證原料成分、控制燒成技術，最終獲得品質較高的發(fā)泡陶瓷。

在制備高溫發(fā)泡陶瓷時，選用合適的發(fā)泡劑是制備的關鍵。常用的發(fā)泡劑主要有碳化硅、鐵粉、碳粉、碳酸鈣等[16]。曾小州等[17]以氧化鐵粉做發(fā)泡劑，以瓷砂和廢玻璃為主要原料，制備了具有保溫和防水功能的高溫發(fā)泡陶瓷。劉衛(wèi)東等[18]以硫酸鈣作為發(fā)泡劑，石英為主要原料，長石為助熔劑，1 600 ℃ 高溫制備了泡沫陶瓷樣品。實驗表明，一般加入0.05%～1.0%的SiC作高溫發(fā)泡劑時的效果最好。發(fā)泡劑細度的不同對發(fā)泡效果的影響也會不同，有時會對材料的成色造成影響。以SiC發(fā)泡劑為例，顆粒越細，SiC在坯料中的分散度就越高，材料發(fā)泡膨脹效果越均勻一致。

燒成技術的控制對發(fā)泡陶瓷的制備也起到非常重要的作用，一般來說，燒成技術越好，發(fā)泡劑與其他材料反應得就越充分、發(fā)泡越多，發(fā)泡陶瓷的成品就越好。采用SiC 為發(fā)泡劑時，溫度和保溫時間都會對坯體結構產(chǎn)生影響，通常燒成溫度為1 170～1 200 ℃，保溫時間為15～25 min，若保溫時間太短，氣體不能完全揮發(fā)出來，材料內(nèi)部發(fā)泡情況會有差異；如果保溫時間太長，材料的黏度將會極大地降低，而內(nèi)部氣體的揮發(fā)會導致材料的氣孔變多，容易對材料的強度等性能產(chǎn)生影響[19]。采用Fe2O3作為發(fā)泡劑時，燒成溫度應為1 200 ℃左右。

4.2 常用高溫發(fā)泡陶瓷隔熱保溫材料的應用進展

高溫發(fā)泡陶瓷具有保溫、耐火、耐腐蝕、防水、吸音等功能，性能穩(wěn)定。且其在高溫燒制過程中不產(chǎn)生有害物質，不會對生態(tài)環(huán)境造成污染。其應用范圍極為廣泛，主要用于圖書館、電影院、會議室等場所的防噪，也可用作墻體保溫、減重、地下或水下及其他特殊領域的工程材料中，在軍事上也可用作防火材料。高溫發(fā)泡陶瓷最早用于建筑建材中，目前作為介質材料被廣泛應用于電力、環(huán)保、建筑裝潢等領域[20]。

進入21世紀以來，我國對建筑節(jié)能提出了更高的要求，新型建筑節(jié)能保溫材料得到了大量應用，高溫發(fā)泡陶瓷作為一種多孔陶瓷保溫材料，具有氣孔率高、保溫、防火、消音、強度高等優(yōu)良性能，能夠滿足提高建筑保溫能力、降低建筑能源消耗的需求。自20世紀70年代，其系列材料被廣泛用于各行各業(yè)的保溫處理中。我國對高溫發(fā)泡陶瓷技術的研究時間比較長，也已經(jīng)自主制備出許多高溫發(fā)泡陶瓷材料，但由于制備技術和相關機器設備的差異，目前我國制備的高溫發(fā)泡陶瓷的產(chǎn)量及質量仍遠落后于發(fā)達國家。如今，高溫發(fā)泡陶瓷憑借其廣泛的用途和低廉的價格，日益顯現(xiàn)其巨大的市場價值。當前迫切的任務是早日解決高溫發(fā)泡陶瓷制備上的技術難題、規(guī)范建筑行業(yè)保溫發(fā)泡陶瓷的生產(chǎn)，推動我國建筑業(yè)發(fā)泡陶瓷的應用，進而達到建筑節(jié)能的目的。

5 結束語

在科技發(fā)展日新月異的今天，能源問題日益突出，建筑領域的能源浪費現(xiàn)象尤為嚴重。許多建筑保溫隔熱性能不佳，內(nèi)部能源傳遞到外界，造成了巨大損失，而應用保溫隔熱材料是提高建筑能源利用率的重要一環(huán)。常用的保溫隔熱產(chǎn)品包括多孔陶瓷、泡沫塑料、礦物棉、膨脹珍珠巖等。這些材料價格低廉、保溫隔熱性能良好、強度高，能起到很好地保溫隔熱作用。研究與應用保溫隔熱建筑材料，不但能很好地降低能源的損失與浪費，還能對提高居民的生活舒適程度和維持建筑物周圍環(huán)境的穩(wěn)定起到重要作用。在今后的一段時間，對建筑保溫隔熱材料的深入研究勢必會成為我國建筑工程發(fā)展的新方向。