外墙外保温材料及系统研究进展

邵路山 陈新同 冯秀艳* 国爱丽 马国儒

(1. 北京建筑材料检验研究院股份有限公司,北京,100041;2. 国家建筑防火产品安全质量检验检测中心,北京,100041)

随着社会快速发展,我国建筑物能源消耗逐年增加,目前已占全社会能耗的30%以上[1-2]。节约能源、减少建筑能耗刻不容缓。建筑围护结构的保温处理是实现建筑节能最重要的举措[3]。外墙外保温系统避免了外墙内保温系统“热桥”易结露以及外墙自保温系统节能不足等问题,逐步成为我国建筑墙体主要的保温形式。

外墙外保温系统的保温材料主要包括有机保温材料和无机保温材料。有机保温材料具有导热系数低、致密性高、吸水率小、保温隔热效果好、易于加工等优点,但存在不耐老化、变形系数大、稳定性差、易于燃烧等缺点,如聚苯乙烯(PS)泡沫、聚氨酯(PU)泡沫、酚醛树脂(PF)泡沫等[4-5]。无机保温材料具有较高的机械强度、优异的防火性能及良好的保温隔热性能,常用于高层及特殊要求的建筑,如岩棉、玻璃棉、真空绝热板、泡沫玻璃等。

外墙外保温系统在使用过程中可能出现粉化、起皮、开裂、渗水、空鼓、脱落等问题,轻则造成系统热工性能丧失,重则威胁人民生命财产安全。因此,外墙外保温系统能否通过耐久性测试极为重要。

下面综述了几种常用外墙外保温材料的性能、应用情况、存在问题及研究现状,介绍了外墙外保温系统性能与质量的有效评价方法,展望了建筑外墙用保温材料的研究方向。

1 外墙外保温材料

1.1 PS泡沫

PS泡沫分为模塑聚苯乙烯泡沫(EPS)和挤塑聚苯乙烯泡沫(XPS)。EPS的气泡体积占比高达98%,且具有微细闭孔结构[6-7]。近年来,随着建筑节能和防火性能要求日趋严格,市场上出现了2种新型保温板:石墨改性聚苯乙烯泡沫板(GEPS)和热固复合聚合聚苯乙烯泡沫板(AEPS)。GEPS中的石墨具有特殊层状结构,形成镜面反射热辐射,使其具有良好的绝热性能;AEPS是利用负压渗透工艺将无机防火材料渗透于EPS板材内而得到的A级阻燃板材,其在燃烧状态下会发生一定的形变,但不产生熔融滴落物[8]。EPS和XPS的闭孔蜂窝结构会促进空气流通,在燃烧过程中源源不断地供给氧气,造成燃烧速率较高、热量释放量较大、产生大量熔滴和浓烟、不易自熄等问题。

PS的阻燃方法主要有聚合阻燃、浸渍阻燃、后处理图层阻燃、包覆阻燃等,其中,聚合阻燃是将阻燃剂加入苯乙烯的悬浮聚合体系中,阻燃剂分布更均匀,阻燃效果更持久,应用最广泛[9]。

卤系阻燃剂是一种广泛使用的添加型阻燃剂,阻燃效率高,以溴系阻燃剂为主,其中,甲基八溴醚、八溴醚、溴化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物等溴系阻燃剂较环保,逐渐成为EPS和XPS的主流阻燃剂[10]。随着环境问题的日益严重,卤化阻燃剂的使用受到极大限制,无卤替代品的研究日趋火热,将逐渐成为今后发展的主要方向[11]。Wang G等[12]研究发现:在阻燃PS复合材料中,可膨胀石墨(EG)、磷酸三聚氰胺(MP)、磷酸三苯酯(TPP)、六苯氧基环三磷酸腈(HPCTP)复合使用具有很好的阻燃协效性,EG和MP产生惰性气体并催化促进残炭层的形成,TPP和HPCTP生成活性磷物质和苯氧基自由基,增强了气相阻燃效果,减少了热量释放。

1.2 PU泡沫

PU泡沫分为硬质PU泡沫、半硬质PU泡沫及软质PU泡沫[13-14],其中,硬质PU泡沫具有优异的隔热性能、隔音性能、耐油性能、防水性能、尺寸稳定性,且强度较高,可以在120 ℃下长期使用, 可以在190 ℃下短时间(8～10 h)使用。

硬质PU泡沫用阻燃剂的种类主要有卤系阻燃剂、氮系阻燃剂、磷系阻燃剂、磷-氮协同阻燃剂和膨胀阻燃剂。Zhao Q Q等[15]合成了亚磷酸酯-苯二异辛酯(PDOP),用于阻燃硬质PU泡沫。结果表明:当PDOP质量分数为10%时,材料的极限氧指数(LOI)达到27%,UL-94等级达到V-0级。Xi W等[16]研究发现:次磷酸铝(ATH)/双(2-羟乙基)氨基-甲基膦酸二甲酯(BH)/乙二醇(EG)三元体系对硬质PU泡沫的协同阻燃作用优于BH/EG体系和抗氧剂AO/BH/EG体系。

1.3 PF泡沫

PF泡沫分为甲阶PF泡沫和线性PF泡沫[17]。由于具有独特的闭孔结构,PF密度小,隔热性能和隔音性能较好,且具有一定阻燃性能(LOI为35%～40%),主要应用于外墙外保温系统,此时,PF泡沫板密度不小于40 kg/m3,导热系数不大于0.032 W/(m·K)。

由于酚羟基和亚甲基容易被氧化生成刚性链段,PF脆性大、硬度大、延伸率较低,通常需要对其进行增韧改性。端羧基丁腈橡胶能够与PF中的羟甲基发生酯化反应,起到增韧作用;含有异氰酸酯基的活性聚醚、端氨基聚醚、PU预聚体、生物质油、具有活性链段结构的有机硅改性剂、腰果酚和环氧树脂中的环氧基团均能够与PF中的羟甲基接枝共聚,起到增韧作用,例如,硅烷偶联剂KH-560含有环氧环长柔性链,可以增韧PF[18-20]。Si T Y等[21]通过叔胺催化酚羟基的醚化反应,合成了一种新型环氧化大豆油增韧PF。

物理增韧剂分为高分子树脂类增韧剂、纤维增韧剂、无机纳米增韧剂等。高分子树脂类增韧剂包括聚乙烯醇、聚乙二醇(PEG)、有机硅烷、聚苯醚酮、聚醚、PU预聚体等;纤维增韧剂包括碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等;无机纳米增韧剂包括纳米氧化锌、纳米蒙脱土、纳米二氧化硅(SiO2)等。孙恒等[22]采用不同相对分子质量PEG 对PF进行改性。结果表明:与纯PF相比,PEG改性PF的粉化率降低了4.3%,压缩强度提高了0.11 MPa。

1.4 岩棉

建筑用岩棉主要分为岩棉板和岩棉条。市场上常见建筑用岩棉板根据垂直于表面的抗拉强度不同分为TR7.5,TR10,TR15,导热系数不大于0.040 W/(m·K);岩棉条导热系数不大于0.046 W/(m·K)。李晓梅等[23]研究发现:随着酸度系数的增加,岩棉的点荷载、垂直于表面的抗拉强度、抗剪切强度和使用寿命等均明显增加。另外,酸度系数越小,岩棉的耐火极限时间越短。玄武岩、辉绿岩化学成分中,SiO2,Al2O3,CaO,MgO的总质量分数约为80%,而Fe2O3和FeO的总质量分数为11%左右[24]。相比于矿渣棉(Fe2O3和FeO总质量分数小于1%),岩棉的原料中含有更高的FeO,使其熔体稳定性较好,且黏度不会发生较大变化。因此,岩棉更易成纤,且具有更高的酸度系数[25]。但是岩棉的吸水率较大,吸水后其导热系数急剧增大,失去原有保温性能,在雨季和冬季施工受到很大限制[26]。因此,降低岩棉的吸水率一直是研究重点。

1.5 玻璃棉

玻璃棉密度为10～100 kg/m3,纤维直径一般不大于7.0 μm,导热系数为0.034～0.048 W/(m·K)。根据成型状态,玻璃棉产品主要有毡、毯、条和板。外墙外保温用玻璃棉产品为玻璃棉板,按照生产工艺可分为缝制玻璃棉板和打褶玻璃棉板,其中,前者采用耐碱、不燃的高强度纤维经纬向交叉缝制,后者采用打褶工艺,改变玻璃棉纤维方向,使纤维褶皱相互交叉[27]。根据我国建筑现有设计要求,外墙外保温用玻璃棉板需满足相应的指标要求,例如,北京市通常按照DB11/T 1117—2014《玻璃棉板外墙外保温施工技术规程》限定玻璃棉板的主要性能指标,其中,吸水率和抗拉强度的高低尤为重要。路国忠等[28]利用硅烷偶联剂对玻璃棉板进行浸润处理,玻璃棉板的防水耐碱性和力学性能均得到了明显改善。

1.6 泡沫玻璃

泡沫玻璃的密度为150～500 kg/m3,气泡体积占比高达80%～95%,气泡直径为0.5～5.0 mm,25 ℃下导热系数小于0.058 W/(m·K)。泡沫玻璃隔热性能优异、机械强度高、防水防潮、吸声,广泛应用于保温隔热工程领域,但其成本较高,在建筑外墙保温隔热工程领域应用相对较少[29-30]。

2 外墙外保温系统

外墙外保温系统位于建筑物外墙外侧,自重较小,具有优异的保温隔热性能和耐候性能,使主体结构所受的温差和温度变形较小,对结构墙体起到保护作用。国内常见的外墙外保温系统包括黏贴保温板薄抹灰外保温系统和保温装饰板外墙外保温系统等,其中,黏贴保温板薄抹灰外保温系统应用更广泛。系统性能指标主要包括整体系统的安全性能、墙体热工性能和耐久性能[31-33]。主要测试项目包括耐候性能、耐冻融性能、吸水量、抹面层不透水性、水蒸气透过性能、抗冲击性能、热阻值、抗风荷载性能等。

外墙外保温系统需要经受风吹日晒、雨雪风霜、气温骤冷骤热突变等气候状况,对其耐候性提出了较高要求[34]。外墙外保温系统为多层结构,各层间的黏结强度成为其耐久性的主要影响因素[35]。经过热雨循环和热冷循环后,外墙外保温系统的抹面层和保温层之间的拉伸黏结强度下降,造成其在长期使用过程中出现空鼓、脱落等现象,具有极大的安全隐患。另外,为了保证外墙外保温系统的脱落安全性,抗风荷载性能成为至关重要的评价指标[36]。

保温层材料的燃烧性能是影响外墙外保温系统防火安全性能的基本因素[37-38]。因此,研究外墙外保温系统中保温层材料在接近火灾条件下的燃烧性能尤为重要。近年来,研究者确定了以窗口火试验(内部火灾)和墙角火试验(外部火焰)为基础的试验验证与评价体系,用来检验外墙外保温系统的防火能力。

外墙外保温系统的热工性能取决于保温层材料的保温隔热性能。当保温层材料吸水后,其隔热性能会显著降低。因此,保温层材料较低的吸水性能是保证外墙外保温系统热工性能持久性的关键。

3 结语

目前,外墙外保温系统的应用日益广泛,性能要求也越来越高。作为外墙外保温系统最重要的组成成分,保温层材料必须具有优异的防火性能和保温性能。因此,开发综合性能优异且稳定、环境友好的复合型保温层材料成为今后研究的重点。选取有效的火灾安全性能、耐久性测试方法为评价外墙外保温系统性能与质量提供了有力保障。