凡雙玉 韓衛(wèi)濟

摘 要：文章在綜合迄今為止絕熱保溫材料的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用方面研究的基礎(chǔ)上，重點介紹了聚丙烯泡沫、聚異氰脲酸脂泡沫、納米氣凝膠等幾種新型環(huán)保型絕熱保溫材料，并對其研究進展和應(yīng)用進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：絕熱保溫材料；環(huán)保；聚丙烯泡沫；聚異氰脲酸脂泡沫；納米氣凝膠

1 概述

絕熱材料是指在平均溫度等于或小于623K（350℃）時，熱導(dǎo)率小于0.14W/（m·K）的材料[1]。絕熱材料又稱為保溫或保冷材料[2]。航天領(lǐng)域中熱力設(shè)備及管道用保溫材料多為無機絕熱材料，具有不腐爛、不燃燒、耐高溫等特點；普冷下的保冷材料多用有機絕熱材料，具有極小的導(dǎo)熱系數(shù)、耐低溫、易燃等特點。前者主要發(fā)展了石棉、玻璃纖維、泡沫玻璃、硅酸鈣材料體系，后者主要發(fā)展了聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、酚醛樹脂泡沫材料體系。隨著絕熱材料使用行業(yè)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)絕熱保溫產(chǎn)品已不能滿足社會和工業(yè)需求，近些年來，既有保溫材料不斷升級完善，新型環(huán)境友好型保溫材料應(yīng)運而生，絕熱保溫材料的組成體系和性能特點也正在逐漸的擴大化。

2 絕熱保溫材料發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 泡沫塑料保溫隔熱材料

泡沫塑料作為一種重要的有機保溫隔熱材料主要有聚苯乙烯、聚氨酯、酚醛泡沫塑料三種。有機類保溫材料具有導(dǎo)熱系數(shù)低、吸濕性小、容重輕、價格便宜等優(yōu)點；缺點是不耐高溫、親和性較差、易燃等。目前應(yīng)用比較多的是聚氨酯泡沫塑料（PU）、聚苯乙烯泡沫塑料（PS）和酚醛（PF）泡沫塑料。

聚氨酯泡沫塑料由含有羥基的聚醚樹脂或聚酯樹脂與異氰酸酯反應(yīng)構(gòu)成聚氨酯主體，由異氰酸酯與水反應(yīng)產(chǎn)生CO2氣體，或用低沸點氟氯烴受熱氣化而成，閉孔率可高達92%。聚氨酯泡沫塑料一般可分為：硬質(zhì)泡沫塑料、軟質(zhì)泡沫塑料、半硬質(zhì)泡沫。其中硬質(zhì)泡沫塑料制品熱導(dǎo)率低、質(zhì)輕，廣泛用作保溫隔熱材料，具有優(yōu)異的抗水滲透性、機械強度和抗老化性。

聚苯乙烯泡沫塑料板，是以聚苯乙烯樹脂為基料，加入一定劑量的含低沸點液體發(fā)泡劑、催化劑、穩(wěn)定劑等輔助材料，經(jīng)加熱后使可發(fā)性聚苯乙烯珠粒預(yù)發(fā)泡，然后在模具中加熱而制得的一種具有密閉孔結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯泡沫塑料。聚苯乙烯泡沫塑料類是目前使用最普遍的一種保溫隔熱材料，聚苯乙烯泡沫塑料制品具有質(zhì)輕、吸水性小、保溫隔熱性能良好，吸聲良好、價格低的性能。

酚醛樹脂泡沫保溫材料是由酚醛齊聚物通過交聯(lián)發(fā)泡制成的。酚醛樹脂分為熱固性樹脂和線型酚醛樹脂兩類。具有導(dǎo)熱系數(shù)低（近期已經(jīng)研制出導(dǎo)熱系數(shù)僅為（0.0175 W/（m·K））的酚醛泡沫塑料）力學(xué)性能好、尺寸穩(wěn)定、吸水率低、耐熱性好、電絕緣性優(yōu)良、難燃、良好的耐酸性和耐溶劑性等優(yōu)點，尤其適合于某些特殊場合作隔熱保溫材料或其他功能性材料。其優(yōu)異的防火阻燃性是以上兩種泡沫塑料無以媲美的，它可以長期在130℃下工作，抗火焰穿透時間可達1h以上。酚醛樹脂與其它材料共混改性，可以制備出性能極優(yōu)良的復(fù)合保溫材料，如密度小于50kg/m3的泡沫玻璃為填料的玻璃酚醛泡沫塑料極限抗壓強度可達0.16MPa，使用年限可超25年。酚醛泡沫均勻的細孔結(jié)構(gòu)，決定了它的導(dǎo)熱能力小。不管在0℃以上還是以下，導(dǎo)熱系數(shù)都隨著溫度的升高和平穩(wěn)的升高，因而在實際應(yīng)用中表現(xiàn)出特優(yōu)的絕熱和絕冷作用。如表1對幾種常用保溫隔熱材料的性能進行了對比。

2.2 復(fù)合硅酸鹽保溫材料

復(fù)合硅酸鹽保溫材料具有導(dǎo)熱系數(shù)低、可塑性強、耐高溫、收縮率小等特點。主要種類有硅酸鎂、硅鎂鋁、稀土復(fù)合保溫材料等。而近年出現(xiàn)的海泡石保溫隔熱材料作為復(fù)合硅酸鹽保溫材料中的佼佼者，海泡石保溫隔熱材料是以特種非金屬礦物質(zhì)-海泡石為主要原料，輔以多種變質(zhì)礦物原料、添加助劑，采用新工藝經(jīng)發(fā)泡復(fù)合面而成。該材料無毒、無味，為灰白色靜電無機膏體，干燥成型后為灰白色封閉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物。其顯著特點是導(dǎo)熱系數(shù)小，溫度使用范圍廣，抗老化、輕質(zhì)、隔音、阻燃、施工簡便、成本低等。廣泛應(yīng)用在石油、化工、電力、冶煉、交通、輕工與國防工業(yè)等部門的熱力設(shè)備，管道的保溫隔熱和煙囪內(nèi)壁、爐窯外殼的保溫（冷）工程中。

2.3 玻璃棉制品保溫材料

玻璃棉是以硅砂、石灰石、螢石等礦物為主要原料，熔化后經(jīng)過特殊工藝將熔融玻璃液制成無機纖維。質(zhì)輕，導(dǎo)熱系數(shù)為0.034W/（m·K），是非燃材料，最高使用溫度300℃，抗老化，不溶于水和有機溶劑，但缺點是吸水率大，須防水處理。玻璃棉使用壽命較短，它受潮后易變形，即使風(fēng)干后也不能恢復(fù)至原來的性能。在由于成本低廉、施工方便，是空調(diào)工程中較為廣泛使用的一種保溫材料。

2.4 泡沫玻璃保溫材料

泡沫玻璃是由定量的碎玻璃、發(fā)泡劑、改性添加劑和促進劑等，經(jīng)過細粉碎混合均勻后、放入到特定的磨具中，經(jīng)過預(yù)熱、熔融、發(fā)泡、退火等工藝制成的多孔玻璃。是一種性能優(yōu)越的絕熱（保冷）、吸聲、防潮、防火的輕質(zhì)高強建筑材料和裝飾材料，泡沫玻璃的工作溫度范圍為-200～+430℃、導(dǎo)熱系數(shù)為0.058W/（m·K），膨脹系數(shù)較?。?×10℃），且可逆，因此材料性能長期不變，不易脆化，穩(wěn)定性好。

3 新型環(huán)境友好型保溫絕熱材料

3.1 聚丙烯泡沫保溫材料

聚丙烯發(fā)泡材料以其優(yōu)良的力學(xué)性能和環(huán)保性能，引起了廣泛的關(guān)注。聚丙烯發(fā)泡材料具有優(yōu)良的耐熱性，使用溫度范圍-20℃～+150℃；作業(yè)溫度下的制品尺寸穩(wěn)定，優(yōu)良的力學(xué)性能彎曲模量高，具有良好的耐沖擊性能；環(huán)境友好性出色，燃燒時無毒氣放出，可自然光降解，易于回收；具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性，但聚丙烯是一種結(jié)晶聚合物，其發(fā)泡只能在結(jié)晶熔點附近進行，超過熔點熔體粘度迅速下降使發(fā)泡成型非常困難。

BASF公司的Neopolen P系列泡沫塑料的粒子呈球狀，以非交聯(lián)閉孔為主要結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)制造的制品質(zhì)量輕，吸收沖擊載荷的能力強，形變后回復(fù)率高，吸水率低，耐腐蝕性好，耐熱及隔熱性強。Neopolen P系列粒子密度為20～85kg/m3，不含氟利昂等有害發(fā)泡劑，可用于接觸食物，干凈的回收料可再次回收利用。

Sentinel公司正在與Dow化學(xué)公司合作生產(chǎn)Strandfoam的PP發(fā)泡板，采用共擠出方法，先擠出多層發(fā)泡片材，然后迅速冷卻使其堅硬而且高度取向，制得密度 0.1～0.5g/cm3以及厚度1～3.5mm的聚丙烯片材。這些片材可以用于食品或肉品包裝，還可以用于制作薄殼制品、各種器皿（盤、碟、碗、盒等），以及汽車中的消音和絕緣材料等用的內(nèi)插件。此外，用共擠出方法將發(fā)泡層和密實的覆蓋層相結(jié)合，可以得到十分良好的表觀質(zhì)量和更好的柔韌性；光潔的表面也改善了表面的光學(xué)性能和印刷性。這種板可以用作沖浪板。該公司正在開發(fā)其在絕緣和汽車上的應(yīng)用。

Packaging Trays公司已經(jīng)在旋轉(zhuǎn)熱成型機上熱成型發(fā)泡PP片材。PP泡沫除了價格上低廉，其還可在微波爐中安全使用。該公司采用化學(xué)交聯(lián)劑生產(chǎn)的發(fā)泡PP片材密度為0.5g/cm3在工業(yè)中的應(yīng)用主要是在汽車工業(yè)上，如地毯背襯材料、遮光板、門襯和行李架等。

目前國內(nèi)在硬脂酸鋇對聚丙烯發(fā)泡過程的影響及其機理等方面曾有過一定的研究，但總體上，在聚丙烯發(fā)泡技術(shù)方面的研究與實際應(yīng)用中需要的水平仍相差很遠。聚丙烯良好的耐應(yīng)力開裂性能，使PP從擠出到熱成型加工成本低于PS， 因此PP發(fā)泡制品備受人們的青睞。聚丙烯發(fā)泡材料，尤其是發(fā)泡片材在我國有著廣泛的應(yīng)用前景。

3.2 聚異氰脲酸脂泡沫保溫材料

聚異氰脲酸脂泡沫塑料（PIR），由異氫酸醋為主要原料，加入催化劑等其它輔料通過自聚反應(yīng)發(fā)泡而成的高分子化合物，如圖1所示，該分子結(jié)構(gòu)中含有異氰脲酸脂環(huán)，形成封閉的多孔結(jié)構(gòu)。PIR節(jié)能保溫板，不僅不含氟利昂、甲醛、游離苯等有害物質(zhì)，還具有防火和高保溫功能，保溫效果比聚氨酯泡沫提高了30%左右，更是聚苯板、酚醛板、玻璃棉的兩倍，導(dǎo)熱系數(shù)低達0.018W/（m·K）（25℃），是新一代環(huán)保型保溫材料。

PIR節(jié)能保溫板擁有十分優(yōu)異的防火性能，機理是通過添加復(fù)配反應(yīng)型的阻燃劑或采取異氰酸酯過量三聚反應(yīng)原理，在聚異氰脲酸酯環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)中引入了大量的聚氨酯分子鏈段，使得阻燃劑滲透到分子結(jié)構(gòu)凝聚相中，從分子架構(gòu)層次上提高泡沫的阻燃性能，遇火時阻燃劑可阻止CO氧化為CO2，對凝聚相形成一層薄的玻璃狀液態(tài)保護膜，隔絕或降低了氧氣擴散和氣相與固相之間的熱量傳遞，從而抑制了炭的氧化，阻礙火焰向泡沫內(nèi)部燃燒，且發(fā)煙量低，刺激小，無融滴現(xiàn)象，本體幾乎無明火。PIR泡沫兼具更超越了聚異氰脲酸酯和聚氨酯兩種材料的全部優(yōu)異性能。經(jīng)DOW實驗室、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫實驗室測試PIR節(jié)能保溫板的允許工作溫度范圍為-265℃～+205℃，物理性能穩(wěn)定，無變形、融塌、鼓泡現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 納米氣凝膠保溫絕熱材料

一般所說的納米氣凝膠為二氧化硅（SiO2）氣凝膠，由 SiO2網(wǎng)絡(luò)骨架和填充在納米孔隙中的氣體構(gòu)成的一種高分散固體材料。由于SiO2氣凝膠的密度僅為 30～100kg/m3，并具有 80%以上的孔隙率，因此，常溫下SiO2氣凝膠的熱導(dǎo)率僅為0.102W/（m·K），最高可耐1600℃的高溫。是一種典型的輕質(zhì)、高效隔熱材料，在航空航天、能源、化工等眾多領(lǐng)域中得到廣范應(yīng)用，也是一種最理想的新型節(jié)能和環(huán)保材料。

美國“旋翼飛行器的輕質(zhì)隔熱材料研究（LTIR）”以及“氣凝膠與航天器生存能力（ARIAS）”研究計劃在AATD和JTCG基金資助下開展了研究，制備了溫度在350℃～1000℃性能優(yōu)良的多孔納米氣凝膠。與傳統(tǒng)絕熱材料相比，質(zhì)量更輕、厚度更薄、體積更小的納米孔超級絕熱材料可以達到與之等效甚至更好的隔熱效果。

美國國家宇航局（NASA）Ames研究中心開發(fā)了陶瓷纖維-氣凝膠復(fù)合防熱瓦，復(fù)合后的航天飛機絕熱瓦與原隔熱瓦相比，導(dǎo)熱系數(shù)大幅度下降，強度大大提升，對航天器的隔熱性能比現(xiàn)有防熱瓦提高10～100倍。NASA艾姆斯研究中心的研究表明，這種新型氣凝膠防熱瓦可用于未來重復(fù)使用航天器和燃料箱隔熱層中。它能有效地透過太陽光，并阻止環(huán)境溫度的紅外輻射，是一種理想的絕熱透明太陽能采暖材料。在美國發(fā)射的火星探測器上，氣凝膠被用作保溫材料，對火星表面機器人的電子儀器設(shè)備起到保溫作用。

廣州英德埃力生公司生產(chǎn)了一種以二氧化硅氣凝膠為主原料復(fù)合的氣凝膠氈，環(huán)保、柔韌、可抑制輻射、可靈活施工的氣凝膠氈，其導(dǎo)熱系數(shù)極低，可應(yīng)用于-200℃到1000℃溫度范圍的保溫隔熱，是世界上最為先進的新型節(jié)能保溫材料之一。

4 結(jié)束語

另外，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類社會的不斷進步，人們自我保護意識的不斷增強，開發(fā)科技含量高、性能高且穩(wěn)定、環(huán)境友好型保溫絕熱材料必定是國內(nèi)外發(fā)展的重點及熱點。

參考文獻

[1]王強，楊林，劉敏.聚氨酯制品的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].遼寧化工，2003，32（7）：289-290.

[2]朱呂民，劉益軍，等.聚氨酯泡沫塑料[M].第三版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：1-2，393.

作者簡介：凡雙玉（1987-），女，助理工程師，專業(yè)：高分子材料。