建筑外墙用防火保温材料的绿色化研究

赵桂英，王 勇，侯亚合，谢振涛，王忠光

（徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221140）

随着城镇化进程的加快，建筑在人们生活中扮演着越来越重要的角色。保温材料安装于建筑外墙，可有效降低建筑能耗，减少温室气体排放，节能减排，是一种较为环保的建筑保温技术[1]。

1 现有保温材料的现状

国内现有的保温材料种类很多，有机材料容易燃烧，防火等级低，火焰传播快，散发出的CO、SO2等有毒害气体，是导致建筑火灾中人员窒息、中毒身亡的罪魁祸首；无机岩棉防火等级高，但强度低、易空鼓脱落，安全性差；岩棉纤维会刺激皮肤，有致癌危险[2]；近几年，市场上出现的岩棉板脱落的问题屡见不鲜，从2017 年开始，河南开封、上海住建委、湖南省住房与建设厅等各地政府陆续出台文件，禁止岩棉在薄抹灰体系中应用；近年市场上出现众多的意欲替代岩棉板作为建筑外墙保温材料的产品，如发泡水泥板、泡沫陶瓷、泡沫玻璃、真空绝热板等，这些产品各有各的特点，都属于A 级防火保温材料，但也存在一些如岩棉板一样难以克服的缺点，例如保温与防火性能不兼容、加工成本高、施工条件要求严格及使用性能不稳定等缺陷，在一定程度上限制了其推广应用，从而市场份额都很小，不能成为主流产品；有机/无机复合保温板包括渗透版和匀质板，尽管兼具保温和防火性能，但其采用间歇式发泡工艺，生产效率低，生产周期长；板材需要多面切割，且切割粉尘大，污染严重等[3]。

2 保温材料的主要性能

2.1 防火等级

自2005 年以来，由于建筑外墙保温板引起或迅速蔓延的火灾，几乎每年都在发生，给人民的生命财产造成巨大的损失，因此，建筑外墙保温材料要求具有较高的防火等级，以减少建筑火灾的发生和火焰传播，保护居民的人身安全；目前我国建筑外墙保温板的防火等级主要分为A 级和B 级两大类[4]，A 级是指不燃性材料，即不发生任何燃烧的材料，可有效阻止火灾蔓延，延长逃生时间，减少窒息身亡事故；B 级易燃烧，火焰传播速度快，燃烧过程中会释放大量浓烟，危险性较大；除此之外，还可通过测定板材燃烧热释放值（热值）的大小来评定其防火性能，燃烧热值越低，防火等级越高，阻燃性越好。

2.2 保温性能

保温性能与板材的厚度有关，增加板材的厚度可提高板材的隔热性能，但板材过厚，会带来成本高、安装困难等弊端；除此之外，保温性能与板材的导热系数紧密关联，导热系数越低，隔热性能越好，可防止建筑内外热传递，节能减排，反之，导热系数越大，隔热性能越差。因此，降低导热系数有利于提高保温板的隔热性能，在北方地区其优势尤为明显。

2.3 耐天候性能

保温板的使用寿命对于建筑来讲至关重要，板材安装在建筑外墙会受到来自外界环境的影响，其中主要是雨水冲刷、侵蚀，如果材料的吸水率低，其憎水性好，也就是受雨水的影响小，不易解离，其耐天候性好，使用寿命长。

2.4 使用安全性

近年来，我国从南到北发生了数百起外墙保温板开裂脱落的事故，给楼下停放的车辆和行人带来巨大的安全隐患。保温板脱落后失去了隔热性能，需要重新安装新的保温板，造成一定的经济损失；使用安全性除了与吸水率有关外，还与其拉拔强度有关；拉拔强度越大，越不易脱落，使用过程中越安全。

另外板材密度、尺寸稳定性、压缩强度、抗折强度、软化系数等也是保温板必不可少的性能指标。

3 建筑外墙保温板的研发方向

随着国家和公众对建筑防火安全重视程度的逐渐增加，以及《建筑设计防火规范》和《促进绿色建材生产和应用行动方案》的实施，对建筑外墙保温板提出更高的要求，具有吸水率低、拉拔强度高、A 级防火不燃、高效保温，同时节能环保，生产效率高、价格实惠的绿色A 级防火保温板材，才能满足建筑行业的高性能、绿色环保要求；为此，绿色化建材已成为建材企业及科研院所的研发方向[5]。

4 绿色保温材料的配方及工艺研究

4.1 以无机材料作为基体

从提高防火等级的角度出发，选择无机胶凝材料作为基体材料，发挥其耐火不燃的优势；市场上的无机胶凝材料种类繁多，主要从强度、吸水性、耐候性、胶凝速度及成本等方面综合考虑来选择；镁系水泥固化快，抗折和抗压强度高，硬度大，耐磨性好，但产物的耐水性、耐候性差，易变形，空鼓脱落，最好不选镁系水泥。普通硅酸盐水泥具有凝结硬化快，结构密实，干缩小，耐水性好、成本低的优势，是保温板主体材料的最佳选择，但其存在活性低、固化慢、强度低的缺陷；铝酸盐水泥中添加了特殊金属元素氧化物，其活性高、含硫量低、固化快、强度高，但价格贵；为此，可通过采用两种或两种以上的水泥并用，以实现不同性能的优势互补。

4.2 采用有机材料复合改性

有机材料如聚苯乙烯发泡颗粒等具有导热系数低，隔热性能好，质轻、密度小等优势，将其用于保温板配方中有利于降低板材的导热系数，实现防火与保温性能的兼顾；但其易燃的特点，必须严格控制其在配方中的用量：由于聚苯颗粒的燃烧热值为40MJ/kg，而GB 8624 中关于保温板材A 级的要求为燃烧热值不大于2.9MJ/kg，则需严格控制板材中聚苯颗粒的含量，从而避免热值超标，影响板材的防火等级。

对聚苯颗粒进行石墨改性处理，是降低聚苯颗粒导热系数的有效方法之一；如在聚苯乙烯原料中加入石墨，发泡过程中石墨包裹在泡壁内壁形成防火层，制得石墨聚苯发泡颗粒；利用石墨的热反射作用，大幅降低保温板的导热系数，阻燃性能相比普通保温板更优越。

4.3 添加特种功能材料

添加无机阻燃剂氢氧化铝、硼酸锌、煅烧高岭土等作为吸热剂，控制其在板材中的质量分数，以降低板材燃烧热值，保证板材具有较高的防火等级；适当加入轻质多孔纳米SiO2，在一定程度上降低板材的密度和导热系数；另外纳米二氧化硅还具有补强作用，可提高板材的力学强度。

4.4 添加界面剂，增加相间粘合力

为改善有机、无机材料的界面相容性，项目采用界面处理剂，并将其喷淋到聚苯乙烯颗粒的表面，形成一层包覆层，从而提高聚苯乙烯颗粒与无机胶凝材料的界面相容性；在板材压制过程中，界面剂可同时固化，进一步提高有机/无机两相的粘接性，以保证板材垂直于板面的拉拔强度这一关键力学性能指标。如果界面剂具有难燃、结碳，或燃烧后表面形成一层阻燃层等特性，可有效保护层内的聚苯乙烯泡沫结构，提高板材的防火等级。

4.5 添加固废，降低成本

在配方中添加一部分粉煤灰、高炉废渣等，可提高防火性能和力学性能，降低板材成本，帮助企业节省固废处理费，同时变废为宝，实现废旧资源的循环利用，减少环境污染[6]。

4.6 优化工艺，高效节能

现有的A 级保温板如岩棉板、渗透板、匀质板等，其加工工艺生产效率低、粉尘大，具有高能耗、高污染等弊端，要实现保温板的绿色化生产，必须采用连续化生产，实现自动计量→自动混合→自动摊铺→压制成型→高温蒸养→在线切割→自动包装→码垛连续一体化，提高生产效率，节能降耗；要实现连续化生产，首先必须对生产各环节的装备进行改进，如自动上料装置、自动压制装置、自动养护装置、自动切割装置、自动包装装置等。

除了通过设备改进来实现生产连续化之外，还要调整混合物的凝胶时间以满足生产要求；通过优选无机材料、适当添加固化调节剂等手段，控制混合物的初凝时间、固化成型时间，实现板材力学强度和快凝快硬的兼顾；生产效率大幅提高，单面切割，切割次数减少，切割粉尘降低，工作环境大幅改善；同时，生产工艺简单，自动化程度高，产量大；无毒、无害、无污染、无辐射，满足建筑保温板绿色化生产的需求。

5 结论

绿色建筑外墙保温材料由于防火等级高，不传播火焰，无有毒有害气体产生，因此使用安全，这是对建筑最基本的要求之一；保温材料的高隔热性能有利于减少建筑内外热传递，节能减排，减少温室气体排放，保护环境；充分利用粉煤灰等固废，变废为宝，实现废旧资源的循环利用，符合国家提倡的绿色发展、可持续发展的理念；因此，兼具防火保温的新型绿色环保的材料已成为建材企业和科研院所的研发方向。