汪華莉（瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川省瀘州市 646005）

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節(jié)能型高分子材料在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用

汪華莉
（瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川省瀘州市 646005）

摘 要：綜述了節(jié)能型高分子材料的類型、特征及其在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。大部分直接節(jié)能型高分子材料通過提高室內(nèi)保溫效果來降低能耗；功能性節(jié)能或儲(chǔ)能高分子材料，以聚合物太陽(yáng)能電池為代表，通過利用潔凈可再生資源產(chǎn)能或儲(chǔ)能，從而為室內(nèi)提供能源；間接節(jié)能型高分子材料主要通過延長(zhǎng)材料使用壽命和降低材料制備成本來降低能耗。這些高分子材料應(yīng)用于建筑工程中，可有效減少室內(nèi)供暖和制冷的能源消耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的節(jié)能改造。

關(guān)鍵詞：高分子材料 節(jié)能 直接型 間接型 功能性 建筑工程

建筑行業(yè)是一種高耗能的產(chǎn)業(yè)，其年平均能耗占全球產(chǎn)業(yè)總能耗的30%～40%。目前，我國(guó)既有建筑面積超過500億m2，其中，高耗能建筑占90.0%以上，城鎮(zhèn)建筑中只有23.1%為節(jié)能建筑。近年來，我國(guó)年新增建筑面積約為20億m2，其中，節(jié)能型建筑面積的比例少于20.0%。隨著科技的發(fā)展和高分子材料種類的豐富，越來越多的高分子材料應(yīng)用于建筑行業(yè)，有些高分子材料具有與無(wú)機(jī)材料或金屬材料相媲美的力學(xué)性能，有些材料具有保溫、節(jié)能、儲(chǔ)能等優(yōu)異性能。在大力提倡節(jié)能環(huán)保主題的時(shí)代，節(jié)能型高分子材料在建筑行業(yè)起著舉足輕重的作用。本文主要綜述了應(yīng)用于建筑工程的直接節(jié)能型高分子材料、間接節(jié)能型高分子材料以及功能性節(jié)能或儲(chǔ)能高分子材料的類型、特性及應(yīng)用現(xiàn)狀。

1　直接節(jié)能型高分子材料

用于建筑外墻的結(jié)構(gòu)保溫材料或保溫涂料，不僅需要具有良好的保溫效果，還必須具有優(yōu)異的防水、防火性能，以及化學(xué)穩(wěn)定性好、膨脹率低、使用壽命長(zhǎng)等性能。常用于建筑外墻的保溫高分子材料有聚氨酯、酚醛樹脂以及高分子包覆的相變復(fù)合材料，這些高分子材料不僅可以同時(shí)滿足建筑的保溫效果和安全性能，還具有施工簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料具有90%以上的閉孔率，孔洞中封閉二氧化碳和一氟二氯乙烷等低導(dǎo)熱率的發(fā)泡劑。聚氨酯在現(xiàn)場(chǎng)噴涂完成后導(dǎo)熱率一般為0.020 W/（m·K），老化后穩(wěn)定的導(dǎo)熱率可維持在0.023 W /（m·K），保溫效果是其他材料無(wú)法媲美的；聚氨酯材料具有良好的疏水性，其閉孔率較高，水分不易進(jìn)入材料內(nèi)部，具有優(yōu)異的防水性能，可以防止材料遇水膨脹，保證其尺寸穩(wěn)定性；另外，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料具有十分優(yōu)異的黏附性能，其與金屬板、混凝土、木板、膠合板、纖維板等的黏附強(qiáng)度遠(yuǎn)大于聚氨酯泡沫的撕裂強(qiáng)度，在建筑施工時(shí)操作方便，對(duì)施工環(huán)境要求低；但聚氨酯的氧指數(shù)較低（約為17%），而建筑工程中保溫材料的氧指數(shù)要求大于26%，尤其是2012年上海特大火災(zāi)之后，國(guó)家對(duì)建筑保溫材料的防火性能更加重視，部分地區(qū)將材料的氧指數(shù)提高到32%。復(fù)合阻燃劑的成功研制，提高了聚氨酯的阻燃性能。紅寶麗集團(tuán)股份有限公司研制的阻燃型聚氨酯泡沫塑料的氧指數(shù)達(dá)26%以上，并于2003年成功研制出氧指數(shù)大于32%的高阻燃型聚氨酯泡沫塑料［1］。

由于傳統(tǒng)的聚氨酯、聚苯乙烯類等保溫材料易燃，因此，以酚醛樹脂為主的第3代保溫材料逐漸發(fā)展起來。酚醛樹脂具有優(yōu)異的耐燃性、隔熱性及較低的發(fā)煙量和毒性，但酚醛樹脂較脆導(dǎo)致其施工困難，在一定程度上限制了其在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用。為克服酚醛樹脂的力學(xué)缺陷，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者開始著重于提高其力學(xué)強(qiáng)度和韌性的研究，主要以共混型酚醛樹脂和夾層型酚醛樹脂為主。共混型酚醛樹脂以酚醛樹脂為基體材料，用碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、木纖維、蒙脫土、納米二氧化硅、麥芽糊、脲醛樹脂等填充來提高材料的力學(xué)性能，采用不同尺寸和不同類型填充物復(fù)合的酚醛樹脂的力學(xué)性能均有不同程度提高：碳纖維可以有效阻礙樹脂中裂紋的擴(kuò)展［2］，麥芽糊和脲醛樹脂可以有效改善酚醛樹脂的脆性和抗壓強(qiáng)度［3］，親水性A200納米二氧化硅可以有效增強(qiáng)酚醛樹脂［4］。夾層型酚醛樹脂可以為基體提供骨架支撐，進(jìn)而提高厚度方向的壓縮強(qiáng)度，用于增強(qiáng)的材料主要有金屬板、蜂窩材料和樹脂浸潤(rùn)的纖維材料。用Nomex紙蜂窩增強(qiáng)的酚醛樹脂泡沫，導(dǎo)熱系數(shù)為0.045 W/（m·K），阻燃等級(jí)達(dá)B-2級(jí)，120 ℃條件下經(jīng)8 h固化后，平壓強(qiáng)度達(dá)4.07 MPa，橫向剪切強(qiáng)度達(dá)1.42 MPa，縱向剪切強(qiáng)度達(dá)1.56 MPa［5］。

高分子相變保溫材料主要采用力學(xué)性能較好的聚合物形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，然后與相變材料共混。由于液-固型相變材料的相轉(zhuǎn)變溫度通常為20～30℃，是人體感覺舒適的溫度，所以高分子包覆的相變保溫材料中一般使用液-固型相變材料。以石蠟為相變材料，聚乙烯、聚氧化乙烯、乙烯-乙酸乙烯共聚物、聚乙二醇等高分子材料為基體進(jìn)行共混，可以得到穩(wěn)定性、耐熱性和力學(xué)性能優(yōu)良的相變材料［6-7］。20世紀(jì)末期，德國(guó)首先制備了相變保溫隔熱材料，并成功應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域［8］。目前，我國(guó)主要在常規(guī)保溫隔熱材料中使用相變材料，而且在保證材料本身力學(xué)性能和使用壽命的前提下，期望提高材料的保溫性能和熱穩(wěn)定性。

2　功能性儲(chǔ)能或節(jié)能高分子材料

應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域的功能性儲(chǔ)能或節(jié)能高分子材料以聚合物太陽(yáng)能電池和熱致變色型高分子材料為主。聚合物太陽(yáng)能電池是將光能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存起來，為室內(nèi)提供電力支持，可應(yīng)用于屋頂、外墻、玻璃等；熱致變色高分子材料是一種對(duì)溫度敏感的高分子材料，屬于典型的功能性節(jié)能材料，主要用作建筑的屋頂和外墻涂料。

在聚合物太陽(yáng)能電池問世之前，被人們廣泛認(rèn)知的是多晶硅和單晶硅太陽(yáng)能電池。與多晶硅和單晶硅太陽(yáng)能電池相比，聚合物太陽(yáng)能電池質(zhì)量輕，可加工成柔性太陽(yáng)能電池器件，無(wú)污染，成本低，廣泛應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域［9-13］。發(fā)展初期，聚合物太陽(yáng)能電池的使用壽命較短，光電轉(zhuǎn)化率也較低。1990年，Burroughes等［14］制備了聚對(duì)苯乙炔，促進(jìn)了共軛聚合物在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。經(jīng)過近20多年的發(fā)展，聚對(duì)苯乙炔和富勒烯所構(gòu)成的本體異質(zhì)結(jié)型太陽(yáng)能電池器件已具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率（4.00%～5.00%）。近年來，以聚3-己基噻吩為代表的噻吩類聚合物、含苯并噻二唑單元的共聚物為代表的聚芴類材料以及含吡啶和N-十二烷基吡咯重復(fù)單元等低能帶間隙聚合物為主的電子給體材料發(fā)展迅速，用其制備的太陽(yáng)能電池具有較高的發(fā)光效率。另外，聚合物電子受體材料的發(fā)展也在很大程度上推動(dòng)了太陽(yáng)能電池的應(yīng)用，聚合物電子受體材料能夠較好地與給體材料相容，并且存在一定程度的相分離，產(chǎn)生的激子分裂界面會(huì)形成無(wú)數(shù)個(gè)異質(zhì)結(jié)，極大提高了有效分離界面，從而提高光電轉(zhuǎn)換效率。其中，電子受體材料以雜環(huán)形聚合物和梯形聚合物為主，雜環(huán)形聚合物［如聚（1，1-二溴-2-甲氧基-5-（2-乙基己氧基）二甲苯-對(duì)苯撐乙烯撐、聚（2-甲氧基-5-十二烷氧基）-對(duì)苯撐乙烯撐等］溶解性較差，更利于制備雙層P/N異質(zhì)結(jié)型太陽(yáng)能電池；梯形聚合物的耐高溫性能較好且光學(xué)性能獨(dú)特，如平面結(jié)構(gòu)的苯并咪唑-苯并菲咯啉共聚物具有優(yōu)異的光學(xué)性能，而且其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)更利于電子傳輸，是一種理想的N-型半導(dǎo)體材料。國(guó)內(nèi)外研究者通過對(duì)聚合物太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換機(jī)理的研究，聚合物太陽(yáng)能制備材料的開發(fā)、活性層形貌的調(diào)控以及聚合物太陽(yáng)能電池制備技術(shù)和工藝的優(yōu)化，使聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和使用壽命得到了很大程度提升。在中型生產(chǎn)線上，光電轉(zhuǎn)換效率超過7.00%的聚合物太陽(yáng)能電池便可以投入使用，早在2009年，美國(guó)Solarme能源公司便研制出了光電轉(zhuǎn)化效率為7.90%的聚合物太陽(yáng)能電池。與多晶硅和單晶硅太陽(yáng)能電池相比，雖然聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低，但其生產(chǎn)成本和能耗低10%～20%，間接節(jié)省了建筑工程行業(yè)的能耗。2011年，Dou Letian等［15］將多個(gè)具有不同吸收頻段的電池串聯(lián)起來，制備了新型串聯(lián)型太陽(yáng)能電池，這種串聯(lián)型太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)8.62%。2012年，日本Sumitomo Chemical公司的研究人員在該“串聯(lián)”的基礎(chǔ)上集成了一種新的紅外吸收高分子材料，經(jīng)美國(guó)能源部下屬的國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證，其光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)10.60%。近年來，聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率不斷提高，2014年，澳大利亞設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的綠葉型聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)11.00%以上，而且這種太陽(yáng)能電池使用方便，將其貼于房間的玻璃窗上即可儲(chǔ)存電能供室內(nèi)使用，極大推進(jìn)了聚合物太陽(yáng)能電池在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

熱致變色高分子材料的研究比聚合物太陽(yáng)能電池材料成熟得多［16-18］。一般情況下，熱致變色高分子材料均具有一個(gè)相轉(zhuǎn)變溫度，在相轉(zhuǎn)變溫度附近，聚合物發(fā)生結(jié)構(gòu)或性能的變化，從而使聚合物的顏色隨之變化。如液晶高分子隨溫度變化發(fā)生溫致溶晶、內(nèi)酯類化合物發(fā)生開環(huán)或閉環(huán)反應(yīng)、丙烯酰胺類聚合物氫鍵及范德華力的相互轉(zhuǎn)變及相轉(zhuǎn)變等。聚N-異丙基丙烯酰胺是一種熱致變色高分子材料，其相轉(zhuǎn)變溫度約為31.5 ℃。在相轉(zhuǎn)變溫度以下，聚N-異丙基丙烯酰胺內(nèi)部氫鍵的密度比范德華力的密度大，聚合物顯黑色；而當(dāng)溫度升至相轉(zhuǎn)變溫度以上后，聚N-異丙基丙烯酰胺內(nèi)部的氫鍵逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉兜氯A力，聚合物顯白色。將聚N-異丙基丙烯酰胺用于建筑物的屋頂材料或外墻涂料時(shí)，溫度較低的冬天呈黑色，可提高建筑物的熱量吸收，起保溫作用；而當(dāng)溫度較高的夏天則呈白色，提高建筑物表面的熱量反射，起到降溫作用［19］。與未應(yīng)用這種熱致變色高分子涂料的建筑相比，該節(jié)能型建筑冬天的室內(nèi)溫度要高2℃左右，而夏天室內(nèi)溫度要低1 ℃左右，極大降低了室內(nèi)冬天供暖和夏天制冷所需的能耗。

3　間接節(jié)能型高分子材料

間接節(jié)能型高分子材料是通過降低材料生產(chǎn)成本，提高材料使用壽命等方式實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約或通過改善傳統(tǒng)高分子材料的耐水性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐老化性、抗菌性、可加工性等來達(dá)到節(jié)能的目的。

提高水性聚氨酯保溫涂料的交聯(lián)度、制備超支化水性聚氨酯或納米粒子復(fù)合型水性聚氨酯涂料，可以有效提高材料的耐水性，從而提高聚氨酯涂料在高濕度環(huán)境下的穩(wěn)定性［20-22］。以納米銀、納米二氧化鈦、納米氧化鋅復(fù)合的高分子雜化材料以及末端為季銨鹽、季磷鹽及吡啶鹽烷烴長(zhǎng)支鏈的高分子材料具有一定抗菌性能，將這些高分子材料應(yīng)用于外墻或內(nèi)墻涂料、管道等，在高濕度的工作條件下可以改善材料本身易霉變的性能，從而提高材料的使用壽命［23］?？s短材料的成型時(shí)間或降低材料的成型條件也是間接降低能耗的一種手段，紫外光固化的涂料固化速率快，且力學(xué)性能、光學(xué)性能和穩(wěn)定性優(yōu)良，是一種應(yīng)用前景廣泛的高分子涂料［24］。梁紅波等［25］用端基為羥基的樹枝狀聚醚-酰胺、甲苯-2，4-二異氰酸酯、丙烯酸羥乙酯和十八異氰酸酯合成具有丙烯酸酯雙肩和長(zhǎng)鏈脂肪烴的紫外光固化半結(jié)晶聚合物，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為41～45 ℃，熔點(diǎn)為122～123 ℃，而且通過改變固化參數(shù)可以極大提高涂層的硬度、耐摩擦性能、柔韌性及黏附性能等。

4　結(jié)語(yǔ)

直接節(jié)能型高分子材料以聚氨酯泡沫塑料、酚醛樹脂和高分子相變材料等保溫材料為主，經(jīng)過化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)和加工工藝的優(yōu)化，這些材料已經(jīng)成熟地用于建筑工程領(lǐng)域；功能性節(jié)能或儲(chǔ)能高分子材料以聚合物太陽(yáng)能電池和熱致變色高分子材料為主，主要利用材料本身特有的功能性，為室內(nèi)提供能源或節(jié)約能源消耗；間接節(jié)能型高分子材料主要是通過改善傳統(tǒng)高分子材料的耐水性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐老化性、抗菌性、可加工性等提高材料的使用壽命或降低材料的加工能耗。高分子材料不僅具有質(zhì)輕、易加工、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性等，還具有保溫隔熱、光電轉(zhuǎn)化、環(huán)境敏感等特殊性能，在建筑工程領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

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Application of energy-saving polymer materials in construction engineering

Wang Huali
（Luzhou Vocational and Technical College，Luzhou 646005，China）

Abstract：This paper describes the energy-saving polymer material in terms of its type，property and usage in construction engineering. Most of the direct energy-saving polymer reduces energy consumption by improving the interior heat-insulation effect； functional energy-saving or energy-storage polymer，such as polymer solar cell，provide energy or storage energy through renewable resource； the indirect energy-saving polymer realizes the energy saving by extending service life and reducing the production costs. The energy consumption of interior heating or cooling is reduced significantly and the energy conservation improvement in construction engineering will be promoted by use of these materials.

Keywords：polymer material； energy-saving； direct type； indirect type； functionality； construction engineering

作者簡(jiǎn)介：汪華莉，女，1980年生，講師，2012年碩士畢業(yè)于四川大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，主要研究方向?yàn)榻ㄖ夹g(shù)、建筑施工組織管理、裝飾設(shè)計(jì)，與建筑相結(jié)合的環(huán)境工程研究等。聯(lián)系電話：18982708160； E-mail： nice322@qq.com。

收稿日期：2015-11-29；修回日期： 2016-02-28。

中圖分類號(hào)：TQ 050.4+25

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-1396（2016）03-0089-04