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【专家解说】：泡沫聚合物保温材料的研究进展及其应用 摘要：综述了以聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫和酚醛泡沫塑料为代表的轻质聚合物泡沫保温材料的发展状况。 关键词：保温材料；泡沫聚合物；聚氨酯泡沫；聚乙烯泡沫；酚醛泡沫 保温材料是指对热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体。泡沫聚合物是气体分散于固体聚合物中所形成的聚合体。泡沫聚合物的热传递作用主要是传导传递，不发生对流作用，辐射传递很小。它的热导率主要取决于气泡内部气体的热导率，在低温条件下，其热导率进一步降低，因此，它具有很好的保温隔热功能。其中硬质泡沫塑料以其强度、质量轻和闭孔率高的特点特别适合作为冰箱、冷柜、冷库和冷藏车辆等低温设施的保温材料[1]。各种泡沫塑料通过双面加贴沥青纸、铝箔、彩钢板制成复合夹心板材以及加入纤维、填料和空心微球等可制成增强泡沫塑料。泡沫聚合物与其它材质所构成的复合材料除具有很好的保温隔热功能以外，还表现出多种优异的性质，它们已经被广泛用于化工生产、房屋建筑、食品工业、能源输送等众多领域。 1 聚氨酯泡沫保温材料 聚氨酯(PU)树脂是由异氰酸酯与聚酯树脂或聚醚树脂反应制成的一种具有氨基甲酸酯链段重复结构单元的聚合物。聚氨酯材料性能优异，用途广泛，制品种类多，其中尤以聚氨酯泡沫塑料的用途最广。20世纪中期，德国首先成功研制聚氨酯泡沫塑料，其采用廉价的石油化工产品环氧丙烷等作为多元醇的原料，大大降低了聚醚和聚酯的生产成本，使聚氨酯泡沫塑料获得了飞速发展[2]。 硬质聚氨酯泡沫(简称PURF)目前仍然是固体材料中隔热性能最好的保温材料之一。其泡孔结构由无数个微小的闭孔所组成，这些微孔互不相通，因此该材料不吸水、不透水，带表皮的PURF的吸水率为零。该材料既保温又防水，是保温防水双全材料，应用在屋顶和墙体上，可代替传统的防水层和保温层，具有一材双用之功效，以下对其性能和使用效果作简要论述： a 优良的隔热保温性能 因Pu硬泡在成型过程中以氟利昂(F11)为发泡剂，在形成的均匀致密的封闭孔中充满了F11气体，使其具有极低的导热系数(0．0077W／m•K)，仅为空气的1／3。据测算，30ram 硬泡的隔热效果与110ram珍珠石，130mm水泥蛭石，或(165～142)rfUTl泡沫混凝土相当。 b 独特的抗水渗透性能 PU硬泡是闭孔率高达92％ 以上的结构致密的微孔泡沫体，吸水率极低(<0．2kg／m2，具有一定的弹性、伸长率和很强的粘接性，能与金属、木材、水泥等多种材料牢固粘合，在施工中采用直接喷涂或浇铸成型技术，没有拼接缝，保温层与基层能形成整体，既不会脱层开裂，也不会由于基层产生一定的变形、裂纹，造成泡沫体破裂。 c 较高的机械强度和抗老化、耐用性 因PU硬泡材质自身物理强度较高，具有均匀致密的闭孔结构，所以泡沫体具有较高的机械强度，其抗压强度相当于水泥蛭石。而且PU硬泡具有很好的稳定性，在长期使用中不会发生体积变形和强度变形，因而Pu硬泡完全可以直接承受坡屋面彩瓦及上人检修的荷载。同时，由于PU硬泡物理化学性能稳定，泡沫闭孔结构防止了水分及其它液体、气体侵透和微生物的滋生，从而延缓了泡沫体的老化。据测定其湿抗老化期为l6年，热老化期为6o年。根据国外资料表明，用PU硬泡作屋面绝热层的学校，使用l0年后，其导热系数为0．025W／m•K，水分含量为0．034V，容量为32kg／mL引。 聚氨脂硬质泡沫塑料将传统的绝热、防水层合二为一，近年来逐步推广应用到房屋建设中。其以轻质、绝热、防水等方面的优异性能，代替了传统的隔热、保温、防水做法，特别适合于现浇混凝土坡屋面。既减轻了屋面荷载，又保障了屋面不渗漏、隔热、保温、节能，为现浇混凝土坡屋面保温、防水提供了一条可靠的施工方法。发达国家(如欧美)的PURF有6o％作为节能材料用在建筑上，而我国的聚氨脂硬质泡沫塑料6o％ 以上主要用于冰箱、冰柜的隔热保温 J。近几年该材料在建筑上开始使用，如：国家大型储备粮库的屋顶采用该材料作为防水保温层。由于PURF的导热系数仅为(0．020～0．073)w／(m•K)，因此将该材料应用于建筑物的屋顶、墙体、地面作为节能保温材料，其节能效果将非常显著[5l。 目前，这种保温材料使用的发泡剂F11(一氟三氯甲烷)，因其破坏臭氧层和引起温室效应即将被禁用。而寻找经济适用、环保型的发泡剂替代F11早在80年代已成为世界的热门研究课题。目前，联合国环保署推荐使用的主要是141b和环戊烷。但141b分子中仍有氟和氯原子，臭氧层潜耗值ODP=0．11，所以只能过渡性的替代F11，最终将和F11一起被禁用。有关无氟复合发泡剂的复配研究已经有了一些进展，如：周春雨等开发的天然高分子与水复合的发泡剂。该发泡剂是一种以水为基的含OH根离子的几种高分子原料组合，通过一定的比例混合搅拌的一种高分子复合物。该产品完全无氟，ODP= 0，以它为发泡剂结合其它各种复配材料所产生的聚氨酯硬质塑料的保温性能、表观密度、压缩性能、水蒸气透湿系数、吸水率等多种物理性能指标基本达到含氟产品的水平[6]。 由于聚氨脂泡沫塑料燃烧产烟量大、烟气毒性大、产品很难达到消防安全要求，特别在一些对消防要求高的场所，其使用受到了一定的限制。在欧美日等发达国家其生产和应用比例已呈下降趋势。 2 聚乙烯(PE)泡沫塑料 1941年，美国杜邦公司首先制成聚乙烯泡沫塑料。随着工艺技术和制造设备的发展以及聚乙烯泡沫塑料具有良好的物理和化学性能，目前它已经成为一个产品多样、生产量大、应用面宽的泡沫塑料品种。主要有模压发泡、挤出发泡等生产工艺，又分非交联和交联两种。 聚乙烯泡沫塑料具有闭孔结构特点、热导率低、吸湿和透湿性小、抗腐蚀、不吸湿、吸收冲击性好和优良的电绝缘性能等，可用于建筑物、冷藏汽车、冷藏火车的保温隔热材料以及电子产品。又由于其毒性极低，可直接与食品接触，应用范围越来越广。聚乙烯泡沫塑料的最高使用温度为80℃，根据有关资料显示，经交联的聚乙烯泡沫塑料最高使用温度可达到100oC左右。它可用于空调系统通风管道、工业管道、容器、房屋建筑等的常温或低温下的保温隔热。 目前，聚乙烯泡沫塑料的进展也是以轻质复合材料的开发为主，采用聚乙烯为轻骨料，结合硅酸盐水泥等材料，可以制备出质轻、导热系数小、吸水性低、抗冻融性好和膨胀系数较大的轻型建筑保温材料，可以满足冷库和一般建筑的保温隔热需要-7 ；另外，由于聚乙烯具有优良的加工性能，以聚乙烯为主料添加其它高分子弹性体制成橡塑复合泡沫材料，可改善聚乙烯泡沫塑料的柔韧性，通过过融等方式可很轻易地在表面复合布料、铝箔等柔性面料等二次加工使其制品更具个性化和更广阔的使用领域。由于聚乙烯自身防火性能较差，聚乙烯泡沫塑料要达到建筑所需要的防火性能要求，须添加大量的阻燃剂，使其各项物理性能大幅下降；同时因使用温度较低和原料较贵，其使用领域也受到一定限制。