魯文娟

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系 陜西省渭南市 714000）

0 引言

聚氨酯是一類(lèi)新型高分子聚合物材料，被譽(yù)為“第五大塑料”，因其卓越的性能而被廣泛應(yīng)用于化工、輕工、電子、建筑、建材、航天、航空、國(guó)防、汽車(chē)等眾多國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。聚氨酯材料具有優(yōu)良的隔熱保溫性、無(wú)腐蝕性、防震性、密度可調(diào)性、耐水、耐溫、耐化學(xué)腐蝕、耐鹽霧霉菌等性能特性，使得在其在各個(gè)領(lǐng)域的適用都非常廣泛。我國(guó)對(duì)節(jié)能減排要求越來(lái)越高，隨著硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫制造技術(shù)的發(fā)展，聚氨酯硬泡越來(lái)越備受建筑保溫行業(yè)的矚目，聚氨酯在建筑外墻保溫方面的應(yīng)用技術(shù)研究也在近幾年開(kāi)始起步。

1 聚氨酯材料

聚氨基甲酸酯，簡(jiǎn)稱(chēng)聚氨酯（英文縮寫(xiě)為PU），是分子結(jié)構(gòu)鏈上含有重復(fù)氨基甲酸酯基團(tuán)的大分子化合物的統(tǒng)稱(chēng)，由多異氰酸酯、聚醚多元醇或聚酯多元醇或小分子多元醇、多元胺或水等擴(kuò)鏈劑或交聯(lián)劑等原料反應(yīng)制成的聚合物。通過(guò)改變?cè)铣煞菁案鞒煞菡急缺壤?，能夠很大程度上改變物質(zhì)的形態(tài)和性能，制得從松軟到強(qiáng)硬，并且具有各種其他特性的材料。聚氨酯的物理形態(tài)種類(lèi)繁多，可以制成軟質(zhì)、半硬質(zhì)或者硬質(zhì)的泡沫塑料，因此被廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)、制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域[1]。

一般硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料由聚醚多元醇、多異氰酸酯等主要原料，以及發(fā)泡劑、催化劑、泡沫穩(wěn)定劑等助劑合成。主要反應(yīng)過(guò)程如下圖所示。是一個(gè)二級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)速度隨著羥基含量二變化，不隨異氰酸酯濃度而改變。

反應(yīng)（1）異氰酸酯與羥基的反應(yīng)屬于“凝膠反應(yīng)”，多元醇與多異氰酸酯反應(yīng)生成高相對(duì)分子質(zhì)量聚合物。反應(yīng)（2）屬于“發(fā)泡反應(yīng)”，異氰酸酯與水反應(yīng)生產(chǎn)取代脲和二氧化碳。在發(fā)泡中，控制這兩個(gè)主反應(yīng)速度至關(guān)重要，一般通過(guò)催化劑的用量對(duì)反應(yīng)速度進(jìn)行控制。在聚氨酯材料的分子結(jié)構(gòu)中主要分為硬段和軟段，硬段是由含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的高度交聯(lián)聚合部分組成，影響材料的硬度、尺寸穩(wěn)定性性等；軟段是由長(zhǎng)鏈分子構(gòu)成，對(duì)材料的韌性影響極大。

2 建筑用聚氨酯材料

聚氨酯材料被優(yōu)選為保溫材料主要是由于其特有材料性質(zhì)十分滿(mǎn)足建筑用材要求。一般建筑用聚氨酯硬質(zhì)泡沫的密度只有30~50kg/m3、抗壓強(qiáng)度大于200kPa、拉伸強(qiáng)度也高于150kPa，另外聚氨酯材料90%以上的閉孔率將其導(dǎo)熱系數(shù)控制在0.02W/（m·k），表現(xiàn)出的保溫性能遠(yuǎn)高于常規(guī)玻璃棉、巖棉、發(fā)泡水泥等無(wú)機(jī)保溫材料。聚氨酯高聚物做為一種優(yōu)良的建筑外墻保溫材料，不可避免的有易燃的缺點(diǎn)。聚氨酯的氧指數(shù)僅有19%左右，而大氣中O2百分占比為21%，也就是聚氨酯材料一旦在大氣中點(diǎn)燃就能進(jìn)行燃燒，因此聚氨酯被稱(chēng)為易燃材料。并且其材料結(jié)構(gòu)中碳?xì)渲ф湵容^多，很容易持續(xù)燃燒，與此同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生許多有毒煙霧，使我們的生命和財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生非常大危害[2]。

為提高聚氨酯保溫材料的防火阻燃性能，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量有關(guān)聚氨酯保溫材料阻燃安全性的研究。添加阻燃劑阻燃和結(jié)構(gòu)型阻燃這兩種方式是聚氨酯泡沫實(shí)現(xiàn)阻燃主要途徑。添加阻燃劑阻燃包括鹵系、磷系、氮系和硼、鋁的化合物等。不過(guò)大多鹵系阻燃劑會(huì)降低材料的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性差。結(jié)構(gòu)型阻燃是通過(guò)改變聚氨酯材料的結(jié)構(gòu)，使其遇火燃燒時(shí)聚氨酯結(jié)構(gòu)表面形成緊密的碳化層，從而有效阻止火勢(shì)的蔓延，與常用的保溫材料相比，聚氨酯材料通常是安裝在建筑物外墻上，可將冷空氣隔絕，從而進(jìn)行保溫。聚氨酯材料厚度較厚，能夠?qū)⒄麄€(gè)房屋建筑有效封閉，而且不管是無(wú)機(jī)保溫砂漿還是保溫板材，都含有較多空隙和顆粒，也能起到隔音的作用。

2.1 國(guó)外進(jìn)展

20世紀(jì)30年代德國(guó)OttoBayer教授最早研究制得聚氨酯，采用的是多異氰酸酯與多元醇化合物進(jìn)行加聚反應(yīng)，隨后并將其進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)。20世紀(jì)40年代中葉，美國(guó)和英國(guó)借鑒德國(guó)聚氨酯材料的生產(chǎn)加工技術(shù)，開(kāi)始了工業(yè)化生產(chǎn)。20世紀(jì)50年代中葉，日本也開(kāi)始引進(jìn)聚氨酯工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。我國(guó)聚氨酯工業(yè)于20世紀(jì)50年代末開(kāi)始起步，隨后研究和生產(chǎn)發(fā)展的速度都比較快。縱觀聚氨酯全球生產(chǎn)產(chǎn)量，2010年全球總產(chǎn)量不到2000萬(wàn)t，2016年全球聚氨酯產(chǎn)量增加至2340萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)3.91%。這七年間，全球聚氨酯產(chǎn)量年復(fù)合增長(zhǎng)率為4.53%，預(yù)計(jì)全球聚氨酯產(chǎn)品總產(chǎn)量將達(dá)到2420萬(wàn)t[3]。未來(lái)幾年，全球聚氨酯消費(fèi)量將持續(xù)5%以上的增長(zhǎng)速度，保持快速增長(zhǎng)原因是有兩個(gè)：①聚氨酯能夠替代木材、金屬、橡膠等多種材料；②發(fā)展中國(guó)家市場(chǎng)消費(fèi)不斷增加。具體來(lái)看，家具和內(nèi)飾領(lǐng)域約占全球聚氨酯需求的29.35%；第二大應(yīng)用領(lǐng)域是建筑工業(yè)，占21.73%；此外，電子產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域占比9.42%。聚氨酯材料在歐美這些發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑保溫材料中大概占有49%，在全世界建材應(yīng)用領(lǐng)域中占有15%的市場(chǎng)份額，而我國(guó)這一比例尚不足1/10。

2.2 國(guó)內(nèi)進(jìn)展

我國(guó)聚氨酯工業(yè)開(kāi)始發(fā)展始于20世紀(jì)50年代末。近些年我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入“高鐵”時(shí)代，近十多年發(fā)展迅速，聚氨酯行業(yè)在原料制備、機(jī)械設(shè)備和基本制品等方面，已具有較大的規(guī)模和世界前列的技術(shù)水平。

中國(guó)是全球聚氨酯最大生產(chǎn)國(guó)，占全球聚氨酯產(chǎn)量的45%左右。而近年來(lái)，隨著中國(guó)等新興國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不斷壯大，帶動(dòng)聚氨酯下游行業(yè)冰箱、家具和床品等消費(fèi)品的需求，同時(shí)汽車(chē)擁有量的不斷增長(zhǎng)也推動(dòng)了聚氨酯需求增長(zhǎng)。此外，國(guó)家政策對(duì)保溫材料的有效刺激，也進(jìn)一步推動(dòng)聚氨酯市場(chǎng)擴(kuò)大。因此，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，中國(guó)市場(chǎng)將成為最大的聚氨酯消費(fèi)市場(chǎng)之一。

2015年5月1日，我國(guó)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50016—2014）發(fā)布，其在第六章第七節(jié)中明確規(guī)定了保溫材料的使用范圍，其大致的使用原則為禁止使用B3級(jí)保溫材料，嚴(yán)格控制使用B2級(jí)保溫材料，推薦使用A級(jí)與B1級(jí)保溫材料，是迄今為止我國(guó)最嚴(yán)格的防火規(guī)范。與2013年我國(guó)開(kāi)始實(shí)施的《建筑材料及制品的燃燒性能分級(jí)》（GB8624—2012）結(jié)合來(lái)看，如果有機(jī)保溫材料想要繼續(xù)占領(lǐng)保溫材料市場(chǎng)重要份額的話(huà)，其氧指數(shù)必須保持在30%以上[4]。

在亞洲地區(qū)，我國(guó)是聚氨酯領(lǐng)域最大的消費(fèi)市場(chǎng)和生產(chǎn)基地。迄今為止，聚氨酯被認(rèn)為是保溫節(jié)能領(lǐng)域性能最為優(yōu)異的材料。隨著我國(guó)建筑經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和建筑節(jié)能的要求越來(lái)越高，聚氨酯在建筑方面的發(fā)展應(yīng)用和其阻燃保溫性能的研究也會(huì)越來(lái)越廣泛，其發(fā)展應(yīng)用前景非?？捎^。

3 結(jié)語(yǔ)

聚氨酯材料作為建筑材料應(yīng)用施工成本低、操作簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越，在保溫系統(tǒng)的保溫效果更好，但在阻燃性能方面還有待進(jìn)一步研究，以期盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。隨著聚氨酯行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)聚氨酯行業(yè)將會(huì)有巨大的發(fā)展，因此研究聚氨酯材料在建筑中的發(fā)展及應(yīng)用意義重大。