外墙外保温材料性能分析及应用思考

于 原（中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024）

1 研究背景

目前，我国大规模应用的外墙外保温材料主要是模塑聚苯乙烯泡沫和挤塑聚苯乙烯泡沫，这些材料质轻、闭气，防水性、绝热性好，因此被保温行业广泛使用。但是，在实际应用和检验中发现，如果这些有机保温材料没有经过化学分子结构的改性，只是简单地添加阻燃剂，一旦遇到火源仍易燃烧，并且高温时还会发生蔓延和轰燃现象，火灾隐患并未根治。

从北京央视大楼和上海靖安大厦两例特大火灾案件中不难窥见，外墙外保温材料起火主要是由于内、外两方面原因共同造成的：于“外”，往往是指“偶然”的违规操作。但是，通过严格的操作规程、有效的现场管控以及得当的人员培训是可以降低其发生的几率；于“内”，通常是指保温材料的特性。由于现阶段，我国大规模采用的外墙外保温材料为模塑聚苯乙烯泡沫和挤塑聚苯乙烯泡沫，均属于可燃材料，防火性能不佳。而在实际施工过程中，又无法完全避免明火情况的发生，因此，最根本解决问题的办法就是采用难燃、不燃的材料，力求杜绝此类火灾的发生。

国内市场上常见的，可用于替代EPS（聚苯乙烯泡沫）和XPS（挤塑聚苯乙烯泡沫）的保温材料分为无机保温材料（以岩棉、玻璃棉以及泡沫玻璃为代表）和有机保温材料（以聚氨酯PU以及酚醛泡沫为代表）两大类。下面，根据每个替代品的工艺流程、性能特点以及应用现况等逐一进行分析、描述。在比较优、劣势之后，以上述替代品的局限性作为切入点展开深层次思考，找到未来行业技术的发展方向。

2 外墙外保温材料介绍

1 玻璃棉

玻璃棉属于玻璃纤维中的一个类别，是一种人造无机纤维。国内企业多采用离心法技术加工成型玻璃棉毡或板，即以碎玻璃、石英砂、石灰石、白云石等为主要原料，配合一些纯碱、硼砂等辅助原料，按固定的比例投放进窖炉，在一定温度下熔成玻璃液。然后，与粘结剂（调和液+树脂）混合，在熔融状态下，借助外力吹制式甩成絮状细纤维，最后利用集锦机中的负压收集在网带上，从而形成玻璃棉毡。如若成板，则还需在固化炉链板和热风循环的双重作用下，压制而成。

正是由于离心玻璃棉内部的纤维不规则地蓬松交错，阻止了空气的流动，削弱了对流在热传导中的作用，所以其有不错的保温、隔热效果。另外，材料存在大量微小的孔隙，这些无数细小而深入并相互贯通的孔洞能使声波受到磨擦和粘滞阻力，使其又具有良好的吸声特性。同时，貌似看来抗拉强度不高的离心玻璃棉却因为丝径纤细（5μm～7μm），丝面微纹既少又小，在抗拉强度方面却有着惊人的表现。最为重要的，玻璃棉属于人工制成的无机材料一种，燃烧性能可达到A 级的要求，符合国家优先发展不燃保温材料的政策导向。

当然，离心玻璃棉的劣势也不容小视。首当其冲的是将调和液与树脂在配制成粘结剂的过程中会产生甲醛和苯酚。甲醛是一种无色易溶的刺激性气体，吸收低剂量的甲醛可引起慢性呼吸道疾病，甚至导致鼻咽癌；苯为无色具有特殊芳香味，是室内挥发性有机物之一且被有关专家确认为严重致癌物质。此外，在安装和拆卸过程中释放到空气中的人造纤维也会对人体组织造成损伤。其次，玻璃棉表面及内部存在大量且连通的孔隙，所以亲水性能好，抗渗能力差。因此，当受到雨水冲淋后，会吸收大量水分而导致强度降低、导热系数加大。最后，当离心玻璃棉直接应用于外墙时，其内部纹理势必与基材表面平行，再加上自身容重较轻，致使抗剥离性能较差。

对于上述问题，当前可采取的办法有：⑴使用环保型粘合剂并加入一定量憎水剂，从而一方面减少或消除对环境的污染、对人体的伤害，另一方面提高防水性能，趋于接近憎水材料；⑵在离心玻璃棉毡或板的两面分别粘贴玻纤布和铝箔，不仅可以防止纤维飞散而且还达到防潮效果；⑶直接在匀质离心玻璃棉的基础上增强抗剥离性能的途径很少，只有采取曲线迂回的方法，将离心玻璃棉毡竖向（垂直于丝向）切割成条形状，在长边对接拼合成面板后上下两面再加贴金属饰面层，形成复合轻板。如此一来，通过整个复合轻板体系的共同作用，间接提高了离心玻璃棉的抗剥离性能。另外，还有一种理论上的可能性，就是将集锦机和褶皱机结合利用，使网带收集的玻璃棉丝进行叠层处理，从而改变了原来单一的横向纹理结构，直接提高了材料的抗剥离性能。但是，此种可能性还处于推测阶段，需要进一步严谨的科学论证和大量的实验数据作为前提和依据。

2 岩棉

岩棉由玄武岩、白云石等为主要原材料，在冲天炉或燃气池炉中融化成液状，经四辊离心机高速甩丝成纤，同时喷入适量专用粘合剂，合成岩棉纤维。然后，通过捕集带收集、定速摆锤、固化炉成型，最后切割成不同规格的岩棉板制品。

岩棉是一种优质高效的保温材料，它具有良好的保温隔热、隔声及吸声性能，与传统的保温材料相比，具有密度小、导热系数低、不燃烧、防火无毒、适用范围广、化学性能稳定、使用周期长等突出优点。在国外，尤其是欧洲的建筑市场中大量使用了岩棉制品，北欧人均消耗量在20 kg 以上，美国人均消耗量为5-10 kg。由于防火问题，在美国岩矿棉占70%，在德国超过22 米高的建筑外保温几乎全部采用岩棉保温材料。但在我国，岩棉作为建筑保温材料的使用率还较低，主要应用于能源、石油化工、船舶工业和建筑轻板的绝热、防火、隔声等方面，而在民用建筑中应用得很少，特别是外墙外保温的应用仍是空白。究其原因主要是由于以下几点造成的：

⑴在原材料选用方面，与玻璃棉所采用的充分利用废旧物资发展循环经济的碎玻璃不同，岩棉主要所用的玄武岩、白云石均为不可再生且无法循环利用资源，此与我国节能降耗的整体发展态势不相符；

⑵岩棉被水浸泡后马上软塌，因此丧失了许多原有的优良性能；

⑶国产“岩棉板”的技术性能较国外产品有很大差距，主要表现在抗拉强度及吸水率方面，而这两项指标正是限制岩制板应用于外墙外保温系统很关键的指标。影响这两项指标的原因在于酸度系数偏低，硅氧-铝氧骨干结构不合理以及在成型过程中设备自动控制程度不高。

对于生产原材料不可循环利用这块短板，我们可以换一个角度，从废弃的岩棉制品着手，寻求一条资源可持续发展之路。首先一种可行性方法是对废弃岩棉进行破碎、梳理和风选,去除杂质后制成均匀疏松的岩棉纤维，混入粘结剂、防水剂等，在压制设备上压制成硬质岩棉砖。此技术制成的硬质保温砖不仅可用于炎热地区的屋面隔热，又可用于严寒地区屋面保温，大量节省了取暖费和空调费；其次一种可行性方法是将废岩棉通过挤压、剪切的方式制成颗粒状，而后再将这些颗粒与水泥或者石膏粉等胶结料进行干拌，重新成为一种建筑材料。

岩棉板外墙外保温系统常见的病害基本都与体系浸水有关，对于该体系，如何降低水分的侵入就显得非常关键。可以从两方面入手：一方面，在工艺流程中将高效憎水剂添加于粘合剂中，使生产的岩棉板制品具有高效憎水的性能；另一方面，提高岩棉板外墙外保温系统中抹面砂浆的防水性与抗裂性，阻止岩棉板与水分接触。

由于岩棉体内硅氧四面体和铝氧四面体结构骨架内能偏高会造成酸度系数偏低，导致抗湿热性能、弹性、抗拉强度和热稳定性等偏低。而成型过程中设备自动控制程度不高，也导致板材中纤维的三维分布状况不理想，使得板材的抗压、抗拉、抗剪强度偏低，弹性不好。因此，只有通过改进原料配方，提高酸度系数，优化熔制和固化工艺，开发深度打摺工艺等方法，才能缩小国内、外岩棉产品的技术差距，使我国岩棉大规模用于外墙外保温变为可能。

3 泡沫玻璃

泡沫玻璃是一种无机硬质保温材料，由无机玻璃作为主要原料，加入碳酸盐等发泡剂和其他辅料，将其一起磨细混合均匀后放在耐热钢模具内，再在炉窑中经过高温烧结发泡和退火冷却处理制成。

泡沫玻璃的物理化学性能突出：其具有较好的抗腐蚀性，作为外墙保温材料，可以防止酸雨或酸雾对外墙的腐蚀性，可以防止大气碳化，可以增强外墙对紫外线的抵抗能力。此外，泡沫玻璃还具有良好的物理性能：它可以耐高温与低温，能在-196℃-400℃的环境中正常使用；它的抗水能力与抗冻能力较强；它是不燃性的材料，并且无毒，不会污染空气，也不会对人们的身体造成危害。但是，泡沫玻璃在我国建筑保温领域的应用还比较少，主要原因是其价格比较高，无法大面积推广使用。

细下分析，造成国内泡沫玻璃价格居高不下的“元凶”是由于技术工艺上的落后，即泡沫玻璃的组成设计缺乏有效的实践验证、采用有模离散型发泡工艺、产品质量差、成品率低。因此，在政府部门建立有效机制以推动泡沫玻璃保温材料在建筑节能领域的应用和生产企业加大对各种高性能泡沫玻璃研发的基础上，引进国外先进的无模连续发泡技术，同时学习科学的管理模式，以实现泡沫玻璃保温材料健康、快速的发展。

4 酚醛泡沫

由热固性酚醛树脂发泡而成的酚醛泡沫是一种性能优异的防火、节能隔热、隔音的轻质难燃材料。其遇火后表面略有碳化却不烧穿，既不会着火也不会散发浓烟和毒气。并且，在所有保温材料中，其具有最低的导热系数。

但是，酚醛泡沫材质本身较脆、易粉化成为其广泛应用于民用建筑保温的最大障碍。目前，可以通过化学和物理方法进行性能提升，从而达到改善缺点的目的。化学方法：通过一些助剂的添加改变酚醛泡沫板分子结构；物理方法：开发酚醛泡沫复合保温板。也就是说，以酚醛泡沫为芯材，表面复合一层聚合物砂浆以及玻璃纤维网格布。其中，聚合物砂浆和网格布与酚醛表面的复合过程在工厂一次预制成型。

5 聚氨酯PU

世界上公认的最佳保温绝热材料为聚氨酯PU。聚氨酯PU 属于热固性（材料被加热时不能软化和反复塑制）有机材料，通过双组份液料反应交联固化发泡而形成。其呈网状结构，耐高温性能、结构稳定性和结构强度等物化综合性能比普通塑料泡沫要优越得多。聚氨酯PU 未经阻燃加工处理时，属易燃体。但是，在引入难燃、耐温、低发烟、低毒性的环状结构化合物或具有难燃结构聚合物纳米颗粒后，聚氨酯PU 内部性质发生变化，在遇火时不产生收缩，同时形成一层碳化层，隔绝了热量的传递和氧份的渗透，从而阻止火焰继续扩张，不产生蔓延燃烧现象。

3 行业分析

公安部和消防局于2011年3 月14 日发布了《关于进一步明确民用建筑外保温材料消防监督管理有关要求的通知》(公消［2011］65 号)，该《通知》要求民用建筑外保温材料采用燃烧性能为A级的材料。为此，有机保温材料燃烧性能基本上都不满足要求，只有无机保温材料燃烧性能方可达到A 级。虽然，同年8 月，公安部和建设部又共同发出《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火规定》（征求意见稿），其中在第一章第二条中规定“民用建筑外保温材料的燃烧性能宜为A 级，且不应低于B1 级（新标准B 级）”，比年初“65号文”的语气态度稍微缓和，但是从中可见端倪的是国家对于使用不燃保温材料的大力倡导和主推方向。此外，以聚氨酯PU 为代表的部分有机保温材料的燃烧性能等级为B2 级（新标准E 级），即使加了阻燃剂或阻燃处理，也只能达到B1级（新标准B 级）。可是，一旦发生火灾，火苗会通过窗户或者挑台等位置燃烧到其他位置，甚至波及整栋建筑。同时，这些有机材料在燃烧过程中，放出的烟毒性很大，也是火灾时危害人民群众的主要源头。

4 结语

综上所述，玻璃棉、岩棉和泡沫玻璃均为不燃材料，应用于外墙外保温系统的举措即符合国家所倡导的宏观政策，也顺应国外先进的技术潮流。但是，三者的性能局限性和未来技术发展方向也应该引人注意，发人深思，故归结如下：

⑴玻璃棉抗剥离性能差。可将集锦机和褶皱机结合利用，使网带收集的玻璃棉丝进行叠层处理，从而改变了原来单一的横向纹理结构，直接提高了材料的抗剥离性能；

⑵岩棉体内硅氧四面体和铝氧四面体结构骨架内能偏高会造成酸度系数偏低，导致抗湿热性能、弹性、抗拉强度和热稳定性等偏低。而成型过程中设备自动控制程度不高，也会导致板材中纤维的三维分布状况不理想，使得板材的抗压、抗拉、抗剪强度偏低，弹性不好。可改进原料配方，提高酸度系数，优化熔制和固化工艺，开发深度打摺工艺；

⑶泡沫玻璃价格高。在政府部门建立有效机制以推动泡沫玻璃保温材料在建筑节能领域的应用和生产企业加大对各种高性能泡沫玻璃研发的基础上，引进国外先进的无模连续发泡技术，同时学习科学的管理模式，从而减少不合格率，提高产能，降低成本和价格。

[1]GB/T25975-2010 建筑外墙外保温用岩棉制品，中国标准出版社，2011

[2]GB/T25975-2007绝热用硬质酚醛泡沫之品（PF），中国标准出版社，2007

[3]GB50404-2007 硬泡聚氨酯保温防水工程技术规范，中国计划出版社，2007