聚氨酯外墙外保温系统的发展趋势及其研究

      [摘要] 在工厂内预制成型，集保温、隔热、防水、装饰于一体的轻质多功能复合板材将是围护结构节能产品产品的发展方向。通过选择聚氨酯作为保温材料，配以增强卷材、饰面基材和饰面材料等复合为保温装饰一体化板，再与保温装饰一体化系统其它配套材料的组装为具有聚氨酯特色的保温装饰一体化系统。聚氨酯一体化系统不仅丰富了国内的外墙保温市场，同时也代表了外墙保温行业发展的方向。

[关键词] 硬泡聚氨酯；一体化；方向

0 前言

多年的实践证明，保温系统在施工现场的湿作业工序越多，施工质量越难以控制，且由于产品自身的缺陷和施工问题，很多保温工程出现了不同程度的脱落、空鼓与开裂等现象。由此可见，研究开发性价比高、保温性能优异、质量可靠、施工周期短且集保温装饰于一体的外墙节能产品体系是今后外墙保温行业发展的趋势。

在上个世纪末至今，国务院办公厅、国家发展改革委员会和国家建设部等多个部门提出了进一步推进墙体材料革新和推广节能建筑的要求和趋势，其中指出：

（1）现场湿作业多的墙体材料制品向现场湿作业少的墙体材料制品发展；

（2）单一墙体材料的墙体向多种功能材料复合在一起的复合墙体发展。

可以看出：工厂机械化生产的集保温、隔热、防水、装饰于一体的轻质、多功能复合板材（保温装饰一体化板）将是围护结构节能产品产品的发展方向。将保温装饰一体化板（简称一体化板）与其它材料有机配合形成适用于外墙保温的保温装饰一体化系统（简称一体化系统）是外墙外保温系统的发展趋势。

但是，作为起步阶段的外墙外保温系统产品，一体化系统仍存在一些需要关注和解决的问题。

1 保温装饰一体化板应注意的问题

1.1 保温高效

当前，节能减排已成为我国的一项基本国策，建筑节能是节能减排的重要领域。国家相关部门制定了“逐步节能”计划：第一步达到节能30%；第二步达到节能50%；第三步达到节能65%。目前部分地区已经实行了节能75%的要求。同时，国家制定了一系列建筑节能设计、施工和质量验收等标准等，有力地推动了建筑节能及相关行业的发展，国内市场上出现了多种保温隔热材料和多种墙体保温做法，以适应不同气候区、不同工程的需要。

随着国内建筑节能75％目标的逐步实施，选择优异的保温材料是保温装饰一体化板（简称一体化板）的基础。

1.2 饰面基材的选择

当前市场上，饰面基材一般分为金属板（铝板、铝塑板和镀铝锌钢板等）和无机板（硅钙板和水泥板等）。

金属面板不存在板面吸水问题和开裂问题。几十年的金属幕墙体系的成功应用表明，硅酮密封胶与金属材质有良好的兼容性，具有很强的粘结力和柔韧性，能起到很好的防水、抗裂作用。但金属板的价格相对无机板来说比较高，所以不少一体化板厂家采用0.6-1.0mm厚的金属板（一般是铝板）作为饰面材料，这会使复合金属保温板材在抗冲击性、抗弯强度及抗形变方面存在着很大的隐患，影响保温系统的安全可靠性。

无机板作为一体化板的饰面基材存在吸水冻胀、耐冻融性能相对金属板较差的现象，从而导致板材变形甚至板面开裂。

1.3 饰面材料的选择

无可厚非，一体化板表面材料的质量（主要考虑材料的耐候性能等）将决定了系统整体的外观效果，并可能进一步影响保温系统的质量与安全。

外墙保温系统的饰面材料一般分为涂料类（乳胶漆、氟碳漆、真石漆、仿面砖等）和面砖石材类（面砖、花岗岩等）。

2 一体化系统应注意的问题

2.1 保温可靠

“保温可靠”指一体化系统应提供足够大的热阻，设计和施工中尽量减少热桥的影响，使复合外墙的平均传热系数/热阻符合国家节能标准的要求，满足节能设计要求的指标。

一体化系统主要分为板材部分和板缝部分。一般来说，板材部分采用合格的保温材料即可满足要求，而板缝部分形成的热桥可能对一体化系统的保温可靠性产生影响。

2.2 联结安全

“联结安全”是指一体化系统与基层墙体必须有足够高的联结强度，绝不允许在有效期使用中出现剥离、脱落现象。这就要求一体化板与基层墙体联结牢固，缝口外侧材料与一体化板之间联结牢固。

2.3 使用耐久

“使用耐久”主要指一体化系统各个组成材料在有效期使用中无明显质量隐患。一体化系统暴露在自然环境中，长期经受温差、湿胀干缩、反复冻融、紫外线照射的考验。检验和评价一体化系统质量的最重要的试验项目是系统大型耐候性试验。耐候性试验模拟夏季墙面经高温日晒后突降暴雨和冬季昼夜温度的反复作用，是对大尺寸的外保温墙体进行的加速气候老化试验。大型耐侯性试验要求试样经80次高温（70℃）-淋水（15℃）循环和20次加热（50℃）-冷冻（-20℃）循环后不得出现空鼓、脱落及开裂。耐候性试验条件的组合是十分严厉的，与实际工程有着很好的相关性。

另外，对于系统使用过程中可能出现的渗水、防火等问题的预防设计也是保障一体化系统使用耐久的重要方面。

3 一体化板的解决方案研究

3.1 保温材料的选择

外墙外保温系统常用保温材料一般可分为有机类和无机类，在保温性能方面，有机保温材料（导热系数≤0.05W/(m.K)）相对无机保温材料（导热系数≥0.06W/(m.K)）具有明显的保温优势。

在有机保温材料中，聚氨酯的导热系数（保温性能）在行业内是最佳的，远远优于聚苯板（EPS板和XPS板）保温材料，节能效果优异。

同时，在有机类保温材料中，聚氨酯属于热固型保温材料，在低温达-100℃不会脆裂，高温至150℃不会发生流淌、粘连的现象，具有良好的热稳定性，并且硬泡聚氨酯在在燃烧过程中表面形成碳化保护层，能有效地阻止火焰蔓延，离火自熄，阻止轰燃现象出现。

燃烧试验结果对比图：上侧材料为XPS板，下侧材料为PU板

3.2 饰面基材的选择

如前所述，饰面基材一般分为金属板和无机板。在保证质量的前提下，金属板的造价过高（如金属幕墙系统要求铝板厚度不低于2.5mm），基本不为市场接受；相对来说，选择吸水率低和变形量小的无机板是很好的解决途径。

3.2.1无机板的选择分析

    目前市场上的无机板主要为纤维水泥板与硅酸钙板，两者在外观上具有较高的相似性，硅酸钙板是以硅质和钙质纤维材料制浆成型后，在高温环境下产生化学反应生成的。纤维水泥板是水泥、纤维等原材料制浆成型后经几千吨压机压制而成。通过两者使用的材料标准对比，纤维水泥板具有更高的抗折强度和良好的抗冻性，更能完美的适用于外墙的应用。同时通过对两种板材实际应用的工程案例进行现场考察发现，经过长期在外部使用经受冷热循环的耐候考验，纤维水泥板表现出更优秀的性能。

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3.2.2无机板的防水处理

    虽然在JG/T 396-2012《外墙用非承重纤维增强水泥板》中要求水泥板的抗冻性最高可以达到100次。但是从板材本身的组成材料来讲毕竟具有一定的吸水性能，同时无机板的含水率和吸水率会直接对聚氨酯的发泡情况和涂料饰面的附着力带来较大的影响。因此仍旧需要对其进行防水处理。采用刷涂封闭剂的处理方法将无机板进行封闭处理，提升整体一体化板的产品质量。

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3.3 饰面材料的选择

由于一体化系统一般应用于中高档的公共建筑项目，所以系统饰面材料要求使用寿命长、耐侯性强、耐沾污好。

（1）乳胶漆等普通涂料的使用寿命一般为3～5年，显然不适合一体化系统的应用；

（2）面砖、花岗岩和真石漆等已经经过多年的实际验证，能够满足一体化系统饰面材料的性能要求；

（3）氟碳涂料号称“涂料之王”，性能优异，可应用于一体化系统；

①20年以上超长寿命：氟碳漆的设计使用寿命不低于25年，氟原子的电负性是所有元素中最高的，而且氟碳键距离1.36埃或更短，键能又非常大，分子键非常稳定；自第一例氟碳涂料应用以来，在将近半个世纪的风雨洗礼中已经得到了验证，同时，科学的人工老化试验检测也是其超常寿命的重要证明，加速老化试验5000小时不粉化、不开裂、不褪色，是业界公认的“涂料王”。

②免维护自洁功能：氟树脂化学性质不活泼，涂层表面能低(23dyne/cm)，依附在表面的灰尘极易被雨水冲洗干净，因此耐污染性优异，即使受到污染，也能通过简单地清洗，很容易恢复原有的风采。

③高装饰性：氟碳涂料可调配出实体色、金属色、珠光色、特殊色等各种色彩和低、中、高等各种光泽，为设计师和业主提供了丰富的想象空间和奇异的装饰效果。

3.4 一体化板的生产原理

在机械化连续发泡生产线上，通过聚氨酯发泡机将A、B双组分组合料均匀混合后浇注在（带饰面）饰面基材/饰面材料（如花岗岩）上，利用聚氨酯发泡过程中的自粘结效应将聚氨酯泡沫与（带饰面）饰面基材/饰面材料复合成为一体化板。

4 一体化系统的解决方案研究

4.1 保温可靠的研究

4.1.1聚氨酯使用寿命的研究

聚氨酯硬泡究竟能使用几年？ 这是用户关心的问题，硬泡聚氨酯工业化生产初期，刚开始用作保温隔热材料时这个问题尤其受到关注。几十年的实践证明，硬泡聚氨酯是经受得住时间考验的。目前冰箱、冷冻、冷藏设备上所用的硬泡聚氨酯，几乎没有人担心它的寿命问题了。在正常情况下运行，硬泡聚氨酯的隔热性能自始至终能满足使用要求。对于热保温领域的应用，也积累了一些宝贵的科学数据。对埋地管道，在运行若干年后的性能复测，也发现变化不太大。

埋于地下的硬泡聚氨酯管道绝热层，如集中供热所用的硬泡聚氨酯材料，使用寿命与运行温度有关。使用寿命如下确定：硬泡聚氨酯使用过程中，性能逐渐发生变化，一旦主要性能指标中任何一项开始明显劣化或其值降到预先确定的最低极限时，即为使用终点。为预测硬泡的寿命，Potts C G等进行了研究。对几种类型硬质聚氨酯泡沫塑料调查发现泡沫塑料使用寿命的对数和温度的倒数基本为呈直线关系。下图是两种异氰酸酯指数均为135的配方制成的聚醚型聚氨酯硬泡的实验结果。图中实线表示实测值，虚线部分为外推值。利用实验结果并外推之，即可预测使用寿命。下图中硬泡（曲线1），130℃下，可使用30年左右。 

同时，根据美国监测机构对已经使用超过26年的聚氨酯屋面系统进行的检测，在所调查的屋面中有97.6%的屋面没有出现渗漏，93%的保温性能有不超过1%的退化。

4.1.2缝口热桥的研究

（1）热桥的来源分析

1）锚固件造成的热桥效应；

2）一体化系统分格缝口的热桥效应。

（2）热桥的应对措施

1）锚固件造成热桥的对应措施

根据JGJ/T 350-2015《保温防火复合板应用技术规程》规定，应用于一体板系统的锚栓不低于6-8个，且锚栓带有塑料套管，锚固件不允许裸露在外部，必须使用密封胶进行覆盖处理，避免热桥的产生。同时根据JGJ 《外墙外保温工程技术规程》，当每平米数量不超过10个时可不计热桥影响，因此规定一体板的锚固件数量不低于10个。

2）一体化系统分格缝口造成热桥的对应措施

①对于夏热冬冷、夏热冬暖和温和地区，保温板厚度相对较薄，可直接在缝口中填塞软质泡沫棒，达到保温和防水效果，降低热桥效应的影响。

②对于寒冷地区和温和地区，保温板厚度相对较厚，一方面可在缝口中灌注单体聚氨酯泡沫，另一方面也可先用聚氨酯板填塞缝口，再缝口中填塞软质泡沫棒的方法降低热桥效应的影响。

4.2 联结安全的研究

4.2.1胶粘剂的研究

胶粘剂的核心材料为胶粉或乳液，故应采用合格厂家提供的胶粉/乳液，并经过优化组合开发出胶粘剂产品，严格把握产品质量。

另一方面，在严格把握质量的前提下，同时考虑到胶粘剂的实际施工性能（包括和易性、施工舒适度、早期强度和可操作时间等，直接交与施工队伍进行实际操作对比，从一线施工人员得出结论）和柔韧性指标。

同时，胶粘剂的粘贴方式采用点框法或条粘法，且粘贴面积不低于保温板面积的50％。。

4.2.2粘锚结合的强度保障措施

首先应坚持粘锚并重的原则，粘结和锚固都必须在单独存在的形式下满足安全设计要求。目前采用“粘锚并重”是最合理的联结方式，有利于减少空腔效应引起的负风压对安全性的影响，也有利于减少甚至克服虚粘带来的安全性隐患。

以上海为例，在不考虑粘结的情况下，100米高度墙面每平米需要29个锚栓才能满足3倍安全系数，显而易见这是不可行的。而粘结面积达到10%时就高于3倍安全系数，而保证50%粘结面积的情况下，安全系数超过16倍。

由于一体化板的自重主要在饰面基材/饰面材料部分，故应设置锚固件/承重件，起到抵抗一体化板及胶粘剂自重力的作用，确保板在粘结上墙时不产生下滑现象。

4.2.3缝口用密封材料的研究

根据多年的幕墙经验，应选择耐候硅酮密封胶，并应符合国家标准GB/T14683-2003的相关规定

4.3 使用耐久的研究

如前所述，一体化系统经过选择合适的饰面材料、耐候硅酮密封胶和胶粘剂等材料，其安全性和耐久性理论上不存在问题。但是建筑行业向来有“三分材料，七分施工”之说，故对一体化系统进行更深入的研究对保障系统的耐久性、安全性是必不可少的。

4.3.1转角部位可采用整体板材预制

（1）转角部位整体预制，效果美观；

（2）整体翻包预制可有效防止窗上口、窗下口等滴水、泛水部位的开裂现象。

（3）研究带转角的一体化板，主要目的是为解决目前市场上大多数一体化板的转角采用45°角度后进行拼接的问题。现场拼接存在角度难以控制精确，人为误差大且影响美观程度；二是使保温系统的整体性、密封性受到影响，降低了保温效果。

4.3.2采用盖缝打胶方式

（1）齐缝打耐候硅酮密封胶的方式一方面造成切割爆边部位裸露而引起渗水，另一方面造成外观效果低下；

（2）特殊的盖缝打胶方式，有效避免上述问题，且效果美观、质量可靠。

4.3.3合理的透气构造研究

（1）由于密封胶和一体化板的水蒸气渗透系数都较小（水蒸气难以渗透），在不采取透气构造的情况下，可引起密封胶起鼓、脱落，进而引起渗水导致一体化系统的安全和外观等受到影响。

采用透气件可排除保温系统与墙体间的水蒸气，克服了水分对胶粘剂性能（拉伸粘结强度）的影响，并避免密封胶起鼓、返潮、发霉等现象。

（2）透气构造的原理

①利用“等压原理”使系统内外侧压力一致；

②利用“雨幕原理”阻止水分对节能系统的渗透。

A.“雨幕原理”是幕墙中的一个设计原理；

B.该原理体现为在接缝部位内部设有空腔，其外表面的内侧的压力在所有部位上一直要保持和室外气压相等，以使外表面两侧处于等压状态，其中提到的外表面即“雨幕” ；

C.压力平衡的取得是有意使开口处于敞开状态。

③透气件的分布。

A.根据相关标准，保温系统的透气性（水蒸气湿流密度）不低于0.85g/(m².h)；

B.透气件的分布密度根据项目所处地理环境不同而不同。

5 一体化系统施工工艺

6 实际工程验证

               鞍山电业局

经过多个工程实际验证，聚氨酯一体化系统组成材料及其工法得到了验证，迄今为止未出现任何质量问题，获得业主的一致好评，具备了进一步推广的基础。

7 结论

（1）保温装饰一体化板通过机械化连续线生产，达到了产品的预制化、标准化、生产工厂化的产业化要求，保障了保温产品的稳定可靠性。

（2）采用聚氨酯作为保温材料，一方面丰富了外墙保温产品的种类，另一方面有助于推动聚氨酯行业的发展。

（3）聚氨酯保温装饰一体化系统必将成为我国建筑节能行业的发展趋势。

（4）通过对聚氨酯保温装饰一体化系统组成材料及其施工工艺的分析研究确定，解决了现场湿作业保温系统的施工效率低、易开裂、装饰性差、使用寿命短等缺点。

（5）聚氨酯保温装饰一体化系统经诸多实际工程验证，其组成材料完全合格，系统质量稳定，安全可靠性高；同时，该系统相对薄抹灰系统的施工效率提高1   /2左右，整体造价相对干挂幕墙节约1/3左右，是一种性价比优越的外墙外保温系统产品。