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建筑保温材料的研究进展

摘要：我国正处于基础设施大量建设的时期，能源消耗增长很快。但是我国目前的建筑节能

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水平还远低于发达国家，我国建筑单位面积能耗仍是气候相近的发达国家的3~5倍，因此，建筑节能依然是我国建筑业的一个重要课题，在建筑领域加强研发并推广应用新型建筑节能环保材料，是提高我国资源利用率、改善环境、节能减排、走可持续发展道路的重要途径，具有重要的现实意义。

保温材料的保温原理主要是利用处于静止状态的空气及大部分气体如二氧化碳、氮气等,其导热率都很低,采用固体材料通过特殊的结构来限制空气的对流性能和透红外线性能,而达到保温的目的。这一原理就决定了保温材料通常具有质轻、疏松、多孔的特点。

关键词：保温材料，建筑节能，环保材料

1、产业形势与现状

2006年1月1 日起，中国实施《民用建筑节能管理规定》，并要求新建建筑严格执行节能50%的设计标准，北京、天津等大城市率先实施节能65%的标准。作为能源消耗大户的建筑业其主要任务就是在保证使用功能和建筑质量的前提下,采取各种有效的节能技术与管理措施,发展新型建筑保温材料,以减低房屋在使用过程中的能源消耗,提高能源利用率。建筑是我国目前能源消耗增长最快的部门之一,其能耗已占全国总能耗27%左右。

目前我国能源利用率只有30%,能源消耗系数比发达国家高4-8倍,建筑物耗能也比北美

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国家高出1倍以上,发展节能材料任重道远,因此绝热保温材料具有巨大的市场潜力和发展空间。保温材料的保温原理主要是利用处于静止状态的空气及大部分气体如二氧化碳、氮气等,其导热率都很低,采用固体材料通过特殊的结构来限制空气的对流性能和透红外线性能,而达到保温的目的。这一原理就决定了保温材料通常具有质轻、疏松、多孔的特点。另一方面，建筑节能对环境保护也将产生直接或间接的影响，使用适当的保温节能材料和建筑节能方法可减少50%的 CO2的排放。

2、目前研究现状

2.1加气混凝土

加气混凝土即泡沫混凝土，是一种多孔结构的保温材料,具有独特的物理性能、化学性能和力学性能。尽管加气混凝土有着许多优良的性质,但是加气混凝土砌块砌体容易产生裂缝的通病时有发生。因此,必须从砌块砌筑、表面抹灰和施工等方面加以控制和改进,以便提高加气混凝土砌块的砌筑质量。

2.2保温砂浆

保温砂浆也称绝热砂浆,是一种抹面砂浆。目前在建筑工程中使用的保温砂浆主要有以下几种:膨胀珍珠岩保温砂浆、粉煤灰保温砂浆、ESP保温砂浆。

2.3聚氨酯泡沫塑料

聚氨酯泡沫塑料由于生产工艺不同可分为硬质和软质两类。硬质聚氨醋泡沫塑料是一种性能优良的隔热材料,目前我国的年产量为巧万吨。发达国家的硬质聚氨醋泡沫塑料有60%作为节能材料用在建筑上,而我国的硬质聚氨酷泡沫塑料的60%以上用于冰箱、冰柜的隔热

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保温。近几年来该材料在建筑上也开始使用。

在国外，硬质聚氨醋作为建筑保温材料得到了广泛的应用，特别在西方发达国家，硬质聚氨醋泡沫塑料在建筑保温领域已经占据主导地位，欧美发达国家建筑保温材料中目前约有

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49%为聚氨醋材料，而在中国这一比例目前尚不足10%。因此，业界人士普遍认为，保温建材将成为未来几年中国聚氨醋消费增长最快的领域。

2.4泡沫玻璃

泡沫玻璃是由定量的碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和促进剂等,经过细粉碎混合均匀形成配合料,放入到特定的磨具中,再经过预热、熔融、发泡、退火等工艺制成的多孔玻璃。

2.5复合硅酸盐保温材料

复合硅酸盐保温材料具有可塑性强、导热系数低、耐高温、浆料干燥收缩率小等特点。主要种类有硅酸镁、硅镁铝、稀土复合保温材料等。而近年出现的海泡石保温隔热材料作为复合硅酸盐保温材料中的佼佼者,由于其良好的保温隔热性能和应用效果,已经引起了建筑界的高度重视,显示出强大的市场竞争力和广阔的市场前景。

2.6硅酸钙绝热制品保温材料

硅酸钙绝热制品保温材料在80年代曾被公认为块状硬质保温材料中最好的一种,其特点是密度小、耐热度高,导热系数低,抗折、抗压强度较高,收缩率小。

2.7纳米孔型保温材料

随着纳米技术的不断发展,纳米材料越来越受到人们的青睐。纳米孔硅保温材料就是纳米技术在保温材料领域新的应用。组成材料内的绝大部分气孔尺寸宜小于50 nm。根据分子运动及碰撞理论,气体的热量传递主要是通过高温侧的较高速度的分子与低温侧的较低速度的分子相互碰撞传递能量。由于空气中的主要成分氮气和氧气的自由程度均在70 nm左右,纳米孔硅质绝热材料中的二氧化硅微粒构成的微孔尺寸小于这一临界尺寸时，材料内部就消

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除了对流,从本质上切断了气体分子的热传导,从而可获得比无对流空气更低的导热系数。纳米孔硅的生产工艺一般比较复杂,例如超临界干燥法、kistler法等。

2.8陶瓷纤维板

陶瓷纤维板（硅酸铝纤维板），以硅酸铝纤维棉为原料，用真空成型或干制法工艺经干燥和机加工精制而成的一种耐火材料，产品质地坚硬，韧性和强度优良，抗风蚀能力优良，加热不膨胀，质轻，施工方便，可任意剪切弯曲，是窑炉、管道及其它保温设备的理想节能材料。

3、保温材料发展趋势

3.1向多功能复合化发展

各种材料各有特色,也有不足之处:如有机类保温材料保温性能好,但是耐温低,强度低,易老化,防火性能差;无机类保温材料耐高温,无热老化,强度高,但吸水率高或机械加工性能差。为了克服单一保温材料的不足,则要求使用多功能复合型的建筑保温材料。

3.2向轻质化和绿色化发展

同种材料密度越小其隔热性能越好,同时,轻质材料不会造成建筑结构的额外负担,减少了因结构变形造成渗漏的可能性。随着轻型房屋体系的发展,建筑保温材料也必然向着轻质化方向发展。建筑保温材料从原料来源、生产加工制造过程、使用过程和产品的使用功能失效、废弃后,对环境的影响及一再生循环利用等四个方面满足绿色建材的要求是必然趋势。如有机质发泡保温制品不再采用氟利昂;开发以植物纤维为主要原料的纤维质保温材料;合理利用固体废弃物包括粉煤灰、矿渣和废旧泡沫塑料等。

3.3相变储能型墙体保温材料得到发展

为了保护宇航员和昂贵的电子设备免受太空温度急剧变化的影响,在20世纪80年代早

期,美国宇航局开发了一种基于相变材料的新技术。由于节能和环保的观念日益深人人心,到了20世纪90年代中期,相变材料在建筑领域的应用研究成为了一个热点。

相变材料是在某一特定的温度下,能够从一种状态到另一种状态转变的物质,物质的分子迅速由有序向无序的转变,同时伴随着发生吸热或放热现象。在建筑节能领域,正是通过与相变材料的复合,增加建筑物的温度调节能力,达到节能、保温和舒适的目的。目前,应用在建筑上的相变材料按照化学成分的不同,可以分成无机和有机两大类。无机类相变材料价格便宜,体积除热密度大,融解热大,但它存在过冷和相分离现象。有机类相变材料具有良好热行为,化学、物理特性稳定,受到人们的广泛关注,但其导热系数较低。根据相变过程的形态不同,通常分为固气相变、液气相变、固液相变三种。除了这三种外,还有固固相变,这是现阶段重点研究的对象,在实际应用中也较为广泛。通过一定的技术将相变储能材料均匀分散在砂浆、混凝土或涂料中,使得其与建筑材料结合使用,从而提高建筑物的舒适度、降低能耗和改善对环境的负面影响将是未来建筑保温隔热材料的一个发展方向。

3.4透明保温材料的应用得到推广

常用的透明保温材料有很多种,有机类的包括聚碳酸醋蜂窝塑料、聚丙烯酸泡沫塑料等,无机类包括玻璃纤维保温材料和气凝胶。随着透明保温技术的发展,透明保温材料将得到更广泛的应用。将透明保温材料应用在窗户或预先涂黑的大面积墙体上,当日照充足时,该种保温材料从太阳的辐射中吸收热能,并传到建筑物的内墙,使内墙的温度升高;当日照不足时,透明保温材料又会最大限度的防止室内热量的散失,从而增加整座建筑的保温性,非常适合于温带和寒冷地区且有强烈太阳照射的区域。同时,透明保温层可以增加室内的舒适度,防止墙体水蒸气凝固,避免霉的产生。

透明保温材料在建筑上的应用是一项新兴技术,在欧洲的应用比在北美洲的应用要普遍,但在国内,相关的使用报道很少。由于其优良的特性,将在我国得到广泛应用。

3. 1憎水性保温绝热材料

材料的吸水率是在选用绝热材料时应该考虑的一个重要因素，常温下水的导热系数是空

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气的23. 1倍。绝热材料吸水后不但会大大降低其绝热性能，而且会加速对金属的腐蚀，因此是十分有害的。保温材料的空隙结构分为连通型、封闭型、半封闭型几种，除少数有机泡沫塑料的空隙多数为封闭型外，其它保温材料不管空隙结构如何，其材质本身吸水，加上连通空隙的毛细管渗透吸水，故整体吸水率均很高。利用有机硅化合物与无机硅酸盐材料之间较强的化学亲和力来有效改变硅酸盐材料的表面特性，可使之达到憎水效果，该方法具有稳定性好、成本低、施加工艺简单等特点。因此，提高保温材料的憎水性、降低吸水率是各类保温材料的主要发展方向之一。

3. 2纳米孔保温绝热材料

目前，超效绝热材料主要有真空绝热材料和纳米孔材料2种。处于静止状态的空气及大部分气体的导热系数都很低，但是由于它们的对流性能，以及对红外辐射的透明性，决定了它们无法单独用作绝热材料。为了最大限度降低固体材料的热传导，作为气体屏障的固体薄壁应尽量薄，同时设想将固体间空隙限定到纳米数量级，则气体的传导及对流将基本得到控制，这类绝热材料的导热系数将低于静止的空气的导热系数。

3. 3复合保温绝热材料

值得注意的是，有机合成类的轻质隔热泡沫材料由于自然降解非常困难，特别是聚苯乙烯泡沫根本不能自然降解，会造成极大的环境污染。从国家日趋加强和重视环保角度来看，这类轻质隔热泡沫材料退出市场只是时间问题。面对与国际接轨及国内外巨大的市场需求即习，建议使用轻质隔热材料应以无机矿物类材料为主要的发展方向。

4.我们所要解决的问题和解决方案