魯文娟

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

0 引言

聚氨酯是一類新型高分子聚合物材料，被譽為“第五大塑料”，因其卓越的性能而被廣泛應用于化工、輕工、電子、建筑、建材、航天、航空、國防、汽車等眾多國民經(jīng)濟領(lǐng)域。聚氨酯材料具有優(yōu)良的隔熱保溫性、無腐蝕性、防震性、密度可調(diào)性、耐水、耐溫、耐化學腐蝕、耐鹽霧霉菌等性能特性，使得在其在各個領(lǐng)域的適用都非常廣泛。我國對節(jié)能減排要求越來越高，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用技術(shù)研究也在近幾年開始起步。

1 聚氨酯材料

聚氨基甲酸酯，簡稱聚氨酯（英文縮寫為PU），是分子結(jié)構(gòu)鏈上含有重復氨基甲酸酯基團的大分子化合物的統(tǒng)稱，由多異氰酸酯、聚醚多元醇或聚酯多元醇或小分子多元醇、多元胺或水等擴鏈劑或交聯(lián)劑等原料反應制成的聚合物。通過改變原料成份及各成份占比比例，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，因此被廣泛應用于建筑業(yè)、制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸業(yè)、醫(yī)療等多個領(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。主要反應過程如下圖所示。是一個二級反應，反應速度隨著羥基含量二變化，不隨異氰酸酯濃度而改變。

反應（1）異氰酸酯與羥基的反應屬于“凝膠反應”，多元醇與多異氰酸酯反應生成高相對分子質(zhì)量聚合物。反應（2）屬于“發(fā)泡反應”，異氰酸酯與水反應生產(chǎn)取代脲和二氧化碳。在發(fā)泡中，控制這兩個主反應速度至關(guān)重要，一般通過催化劑的用量對反應速度進行控制。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；軟段是由長鏈分子構(gòu)成，對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、抗壓強度大于200kPa、拉伸強度也高于150kPa，另外聚氨酯材料90%以上的閉孔率將其導熱系數(shù)控制在0.02W/（m·k），表現(xiàn)出的保溫性能遠高于常規(guī)玻璃棉、巖棉、發(fā)泡水泥等無機保溫材料。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。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燃就能進行燃燒，因此聚氨酯被稱為易燃材料。并且其材料結(jié)構(gòu)中碳氫支鏈比較多，很容易持續(xù)燃燒，與此同時還會產(chǎn)生許多有毒煙霧，使我們的生命和財產(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，國內(nèi)外進行了大量有關(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。不過大多鹵系阻燃劑會降低材料的力學性能、熱穩(wěn)定性差。結(jié)構(gòu)型阻燃是通過改變聚氨酯材料的結(jié)構(gòu)，使其遇火燃燒時聚氨酯結(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，從而進行保溫。聚氨酯材料厚度較厚，能夠?qū)⒄麄€房屋建筑有效封閉，而且不管是無機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 國外進展

20世紀30年代德國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行加聚反應，隨后并將其進行了工業(yè)化生產(chǎn)。20世紀40年代中葉，美國和英國借鑒德國聚氨酯材料的生產(chǎn)加工技術(shù)，開始了工業(yè)化生產(chǎn)。20世紀50年代中葉，日本也開始引進聚氨酯工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。我國聚氨酯工業(yè)于20世紀50年代末開始起步，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t，2016年全球聚氨酯產(chǎn)量增加至2340萬t，同比增長3.91%。這七年間，全球聚氨酯產(chǎn)量年復合增長率為4.53%，預計全球聚氨酯產(chǎn)品總產(chǎn)量將達到2420萬t[3]。未來幾年，全球聚氨酯消費量將持續(xù)5%以上的增長速度，保持快速增長原因是有兩個：①聚氨酯能夠替代木材、金屬、橡膠等多種材料；②發(fā)展中國家市場消費不斷增加。具體來看，家具和內(nèi)飾領(lǐng)域約占全球聚氨酯需求的29.35%；第二大應用領(lǐng)域是建筑工業(yè)，占21.73%；此外，電子產(chǎn)品應用領(lǐng)域占比9.42%。聚氨酯材料在歐美這些發(fā)達國家的建筑保溫材料中大概占有49%，在全世界建材應用領(lǐng)域中占有15%的市場份額，而我國這一比例尚不足1/10。

2.2 國內(nèi)進展

我國聚氨酯工業(yè)開始發(fā)展始于20世紀50年代末。近些年我國的國民經(jīng)濟發(fā)展進入“高鐵”時代，近十多年發(fā)展迅速，聚氨酯行業(yè)在原料制備、機械設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。

中國是全球聚氨酯最大生產(chǎn)國，占全球聚氨酯產(chǎn)量的45%左右。而近年來，隨著中國等新興國家經(jīng)濟發(fā)展的不斷壯大，帶動聚氨酯下游行業(yè)冰箱、家具和床品等消費品的需求，同時汽車擁有量的不斷增長也推動了聚氨酯需求增長。此外，國家政策對保溫材料的有效刺激，也進一步推動聚氨酯市場擴大。因此，隨著中國經(jīng)濟的進一步發(fā)展，中國市場將成為最大的聚氨酯消費市場之一。

2015年5月1日，我國《建筑設計防火規(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級保溫材料，嚴格控制使用B2級保溫材料，推薦使用A級與B1級保溫材料，是迄今為止我國最嚴格的防火規(guī)范。與2013年我國開始實施的《建筑材料及制品的燃燒性能分級》（GB8624—2012）結(jié)合來看，如果有機保溫材料想要繼續(xù)占領(lǐng)保溫材料市場重要份額的話，其氧指數(shù)必須保持在30%以上[4]。

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

3 結(jié)語

聚氨酯材料作為建筑材料應用施工成本低、操作簡單、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一步研究，以期盡快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。隨著聚氨酯行業(yè)的快速發(fā)展，我國聚氨酯行業(yè)將會有巨大的發(fā)展，因此研究聚氨酯材料在建筑中的發(fā)展及應用意義重大。