建筑外墻用防火保溫材料的綠色化研究

趙桂英，王 勇，侯亞合，謝振濤，王忠光

（徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221140）

隨著城鎮化進程的加快，建筑在人們生活中扮演著越來越重要的角色。保溫材料安裝于建筑外墻，可有效降低建筑能耗，減少溫室氣體排放，節能減排，是一種較為環保的建筑保溫技術[1]。

1 現有保溫材料的現狀

國內現有的保溫材料種類很多，有機材料容易燃燒，防火等級低，火焰傳播快，散發出的CO、SO2等有毒害氣體，是導致建筑火災中人員窒息、中毒身亡的罪魁禍首；無機巖棉防火等級高，但強度低、易空鼓脫落，安全性差；巖棉纖維會刺激皮膚，有致癌危險[2]；近幾年，市場上出現的巖棉板脫落的問題屢見不鮮，從2017 年開始，河南開封、上海住建委、湖南省住房與建設廳等各地政府陸續出臺文件，禁止巖棉在薄抹灰體系中應用；近年市場上出現眾多的意欲替代巖棉板作為建筑外墻保溫材料的產品，如發泡水泥板、泡沫陶瓷、泡沫玻璃、真空絕熱板等，這些產品各有各的特點，都屬于A 級防火保溫材料，但也存在一些如巖棉板一樣難以克服的缺點，例如保溫與防火性能不兼容、加工成本高、施工條件要求嚴格及使用性能不穩定等缺陷，在一定程度上限制了其推廣應用，從而市場份額都很小，不能成為主流產品；有機/無機復合保溫板包括滲透版和勻質板，盡管兼具保溫和防火性能，但其采用間歇式發泡工藝，生產效率低，生產周期長；板材需要多面切割，且切割粉塵大，污染嚴重等[3]。

2 保溫材料的主要性能

2.1 防火等級

自2005 年以來，由于建筑外墻保溫板引起或迅速蔓延的火災，幾乎每年都在發生，給人民的生命財產造成巨大的損失，因此，建筑外墻保溫材料要求具有較高的防火等級，以減少建筑火災的發生和火焰傳播，保護居民的人身安全；目前我國建筑外墻保溫板的防火等級主要分為A 級和B 級兩大類[4]，A 級是指不燃性材料，即不發生任何燃燒的材料，可有效阻止火災蔓延，延長逃生時間，減少窒息身亡事故；B 級易燃燒，火焰傳播速度快，燃燒過程中會釋放大量濃煙，危險性較大；除此之外，還可通過測定板材燃燒熱釋放值（熱值）的大小來評定其防火性能，燃燒熱值越低，防火等級越高，阻燃性越好。

2.2 保溫性能

保溫性能與板材的厚度有關，增加板材的厚度可提高板材的隔熱性能，但板材過厚，會帶來成本高、安裝困難等弊端；除此之外，保溫性能與板材的導熱系數緊密關聯，導熱系數越低，隔熱性能越好，可防止建筑內外熱傳遞，節能減排，反之，導熱系數越大，隔熱性能越差。因此，降低導熱系數有利于提高保溫板的隔熱性能，在北方地區其優勢尤為明顯。

2.3 耐天候性能

保溫板的使用壽命對于建筑來講至關重要，板材安裝在建筑外墻會受到來自外界環境的影響，其中主要是雨水沖刷、侵蝕，如果材料的吸水率低，其憎水性好，也就是受雨水的影響小，不易解離，其耐天候性好，使用壽命長。

2.4 使用安全性

近年來，我國從南到北發生了數百起外墻保溫板開裂脫落的事故，給樓下停放的車輛和行人帶來巨大的安全隱患。保溫板脫落后失去了隔熱性能，需要重新安裝新的保溫板，造成一定的經濟損失；使用安全性除了與吸水率有關外，還與其拉拔強度有關；拉拔強度越大，越不易脫落，使用過程中越安全。

另外板材密度、尺寸穩定性、壓縮強度、抗折強度、軟化系數等也是保溫板必不可少的性能指標。

3 建筑外墻保溫板的研發方向

隨著國家和公眾對建筑防火安全重視程度的逐漸增加，以及《建筑設計防火規范》和《促進綠色建材生產和應用行動方案》的實施，對建筑外墻保溫板提出更高的要求，具有吸水率低、拉拔強度高、A 級防火不燃、高效保溫，同時節能環保，生產效率高、價格實惠的綠色A 級防火保溫板材，才能滿足建筑行業的高性能、綠色環保要求；為此，綠色化建材已成為建材企業及科研院所的研發方向[5]。

4 綠色保溫材料的配方及工藝研究

4.1 以無機材料作為基體

從提高防火等級的角度出發，選擇無機膠凝材料作為基體材料，發揮其耐火不燃的優勢；市場上的無機膠凝材料種類繁多，主要從強度、吸水性、耐候性、膠凝速度及成本等方面綜合考慮來選擇；鎂系水泥固化快，抗折和抗壓強度高，硬度大，耐磨性好，但產物的耐水性、耐候性差，易變形，空鼓脫落，最好不選鎂系水泥。普通硅酸鹽水泥具有凝結硬化快，結構密實，干縮小，耐水性好、成本低的優勢，是保溫板主體材料的最佳選擇，但其存在活性低、固化慢、強度低的缺陷；鋁酸鹽水泥中添加了特殊金屬元素氧化物，其活性高、含硫量低、固化快、強度高，但價格貴；為此，可通過采用兩種或兩種以上的水泥并用，以實現不同性能的優勢互補。

4.2 采用有機材料復合改性

有機材料如聚苯乙烯發泡顆粒等具有導熱系數低，隔熱性能好，質輕、密度小等優勢，將其用于保溫板配方中有利于降低板材的導熱系數，實現防火與保溫性能的兼顧；但其易燃的特點，必須嚴格控制其在配方中的用量：由于聚苯顆粒的燃燒熱值為40MJ/kg，而GB 8624 中關于保溫板材A 級的要求為燃燒熱值不大于2.9MJ/kg，則需嚴格控制板材中聚苯顆粒的含量，從而避免熱值超標，影響板材的防火等級。

對聚苯顆粒進行石墨改性處理，是降低聚苯顆粒導熱系數的有效方法之一；如在聚苯乙烯原料中加入石墨，發泡過程中石墨包裹在泡壁內壁形成防火層，制得石墨聚苯發泡顆粒；利用石墨的熱反射作用，大幅降低保溫板的導熱系數，阻燃性能相比普通保溫板更優越。

4.3 添加特種功能材料

添加無機阻燃劑氫氧化鋁、硼酸鋅、煅燒高嶺土等作為吸熱劑，控制其在板材中的質量分數，以降低板材燃燒熱值，保證板材具有較高的防火等級；適當加入輕質多孔納米SiO2，在一定程度上降低板材的密度和導熱系數；另外納米二氧化硅還具有補強作用，可提高板材的力學強度。

4.4 添加界面劑，增加相間粘合力

為改善有機、無機材料的界面相容性，項目采用界面處理劑，并將其噴淋到聚苯乙烯顆粒的表面，形成一層包覆層，從而提高聚苯乙烯顆粒與無機膠凝材料的界面相容性；在板材壓制過程中，界面劑可同時固化，進一步提高有機/無機兩相的粘接性，以保證板材垂直于板面的拉拔強度這一關鍵力學性能指標。如果界面劑具有難燃、結碳，或燃燒后表面形成一層阻燃層等特性，可有效保護層內的聚苯乙烯泡沫結構，提高板材的防火等級。

4.5 添加固廢，降低成本

在配方中添加一部分粉煤灰、高爐廢渣等，可提高防火性能和力學性能，降低板材成本，幫助企業節省固廢處理費，同時變廢為寶，實現廢舊資源的循環利用，減少環境污染[6]。

4.6 優化工藝，高效節能

現有的A 級保溫板如巖棉板、滲透板、勻質板等，其加工工藝生產效率低、粉塵大，具有高能耗、高污染等弊端，要實現保溫板的綠色化生產，必須采用連續化生產，實現自動計量→自動混合→自動攤鋪→壓制成型→高溫蒸養→在線切割→自動包裝→碼垛連續一體化，提高生產效率，節能降耗；要實現連續化生產，首先必須對生產各環節的裝備進行改進，如自動上料裝置、自動壓制裝置、自動養護裝置、自動切割裝置、自動包裝裝置等。

除了通過設備改進來實現生產連續化之外，還要調整混合物的凝膠時間以滿足生產要求；通過優選無機材料、適當添加固化調節劑等手段，控制混合物的初凝時間、固化成型時間，實現板材力學強度和快凝快硬的兼顧；生產效率大幅提高，單面切割，切割次數減少，切割粉塵降低，工作環境大幅改善；同時，生產工藝簡單，自動化程度高，產量大；無毒、無害、無污染、無輻射，滿足建筑保溫板綠色化生產的需求。

5 結論

綠色建筑外墻保溫材料由于防火等級高，不傳播火焰，無有毒有害氣體產生，因此使用安全，這是對建筑最基本的要求之一；保溫材料的高隔熱性能有利于減少建筑內外熱傳遞，節能減排，減少溫室氣體排放，保護環境；充分利用粉煤灰等固廢，變廢為寶，實現廢舊資源的循環利用，符合國家提倡的綠色發展、可持續發展的理念；因此，兼具防火保溫的新型綠色環保的材料已成為建材企業和科研院所的研發方向。