李应权:聚合物水泥泡沫保温材料的研究

　　济南奥体中心大火

　　2007年7月27日，济南奥体中心篮球馆发生大火,  起因:电焊操作引燃保温材料所致

　　北京2009年3月16日电截至16日12时11分，中央美术学院火灾完全扑灭，现场清理完毕，火灾造成一人受伤，幸无人员死亡。这是北京市消防局16日下午通报的情况。

　　据北京市消防局通报，16日10时10分，119指挥中心接到火灾报警，中央美院南区宿舍发生火灾。119指挥中心迅速调集朝阳消防支队望京中队、奥林匹克公园中队、酒仙桥中队、亚运村中队等5个中队，24部消防车，140余名官兵赶赴火灾现场。

　　火灾发生后，中央美院安保人员及时组织人员疏散，并积极展开初期火灾扑救。10时20分，望京中队率先到场，在组织人员疏散的同时，积极搜寻被困人员，成功救出一名受伤的年轻男子。着火建筑是彩钢板搭建的二层简易板房，为学校部分学生、后勤员工、保安人员的宿舍。彩钢板内保温材料燃烧速度快，烟雾大，加之宿舍内易燃物较多，给火灾扑救带来一定难度。

　　12时11分，火灾现场彻底清理完毕，余火全部被扑灭。火灾过火面积约1000平方米，一名受伤者被及时送往医院进行救治。

　　北京消防部门提示，彩钢板内保温材料燃烧速度快，产生的烟雾毒性大，不适合作为学生宿舍的建筑材料。

　　中国科技馆火灾

　　2009年4月6日下午2点，中国科技馆新馆施工工地起火，调集5个消防中队、26部车、210名官兵到场扑救。300平方米。消防部门经初步调查，起火物为内墙挤塑板保温层。

　　中国科技馆火灾火点是保温层挤塑板

　　中国科技馆新馆是国家重点工程，位于奥运村北辰东路和大屯北路十字路口，计划于今年9月开馆。6日下午2点50分，科技馆东南角外墙底部铝合金板已被烧毁，一层玻璃严重损坏，馆顶仍不断冒着滚滚黑烟。现场的消防员分成两路灭火。起火处为新馆主体结构东南角内保温层的挤塑板，由于风势等原因，火势蔓延较快，45米高的新馆直至楼顶都有过火。

　　近来，火灾事件频频发生，且都是一些标准性建筑。业内人士曾多次分析国内防火建材市场发展，也预测火灾原因多是由于保温板引起。让我们想到，国内的防火建材市场规范已是迫在眉睫之事，希望能引起厂商与建筑商及相关部门的高度重视，减少灾难的再次发生。

　　南京中环大楼火灾

　　2009年4月19日10时南京中环大楼火灾, 燃烧物为井壁的保温层

　　北京大学体育馆（奥运乒乓球馆）

　　2007年7月2日体育馆火灾原因:外表的保温材料起火

　　反  思

　　大量的保温工程火灾事故，绝非偶然!!! (网上只要搜索保温 火灾,就可以搜索到413,000 项符合保温 火灾的查询结果)

　　暴露出有机保温材料的重大安全隐患。

　　业界人士逐渐将目光转向不燃、环保、耐久的无机保温材料。

[Page]

　　公安部关于征求对“建筑外保温材料防火措施（草案）”修改意见的函

　　各有关单位：

　　为认真吸取建筑外保温材料类火灾教训，从源头上防止此类火灾的发生，公安部消防局会同住房和城乡建设部标准定额司于近期召开了建筑外保温材料防火技术研讨会。根据调研及研讨会精神，形成了建筑外保温材料防火措施（草案），拟在有关通知中提出要求。现请你单位研究提出修改意见，并将书面修改意见于6月10日前，通过互联网，发送至公安部消防局标准规范处。

公安部消防局               

二00九年六月四日          

　　建筑外保温材料防火措施（草案）

　　一、外墙保温材料燃烧性能要求

　　1、建筑体积大于10万立方米或建筑高度大于32米的公共建筑和建筑高度大于100米的居住建筑应采用无机材料制作的保温材料；

　　2、除建筑体积大于10万立方米或建筑高度大于32米的公共建筑和建筑高度大于100米的居住建筑外，其他建筑可采用可燃材料做外墙保温，但应采取相应的防火构造；

　　3、建筑外装修材料应采用不燃材料。

　　无机保温材料

　　例如：加气砼、发泡水泥/泡沫砼、  岩棉、珍珠岩、玻化微珠等

　　优点：环保、经济、利废、不燃、耐久；

　　缺点：自重大、脆性大、易开裂、吸水率高、保温效果差，不能很好地满足建筑保温隔热的需要。

　　研究项目简介

　　鉴于这种状况，2007年起, 建筑材料工业技术监督研究中心就开始着手进行“环保、不燃、耐久的聚合物水泥泡沫保温材料”的研究,该课题得到国家科技部资助,项目编号：NCSTE-2007-JKZX-284 ,课题的起止时间为2007年～2010年,分三个阶段:泡沫保温材料实验室阶段研究、中试生产及产品标准的制定、施工技术研究。

　　一. 水泥基泡沫材料的分类

　　水泥基材料包含水泥净浆、砂浆和砼等，这些材料都以水泥为胶凝材料。

　　以水泥基材料为基础，通过各种方式引入气泡，所形成的材料统称为水泥基泡沫材料，分为：

　　1. 将泡沫剂水溶液通过物理方式预先制备出泡沫，再与搅拌好的水泥基材料浆体混合均匀搅拌成料浆，此为发泡水泥、泡沫砂浆或泡沫砼；

　　2. 将引气剂与水、水泥、砂、石一同混合搅拌制成的砼为引气砼,采用这种方式通常气泡含量不高，砼含气量一般在10%以内；

　　3. 采用机械充气的方法制成的砼称为充气砼；

　　4.将发泡剂与水泥基材料一起混合搅拌均匀制成料浆，在静停过程中通过化学反应产生气泡，料浆逐渐膨胀，所形成的材料为加气砼，又分为蒸压加气砼和免蒸压加气砼。这种方法称为化学发泡；

　　5. 同时采用物理制泡方式和化学发泡方式(4)制备的材料称之为复合发泡材料。

　　6. 通过聚合物对（采用以上五种制泡方式中的任意一种）水泥基泡沫材料改性制备的有机-无机复合泡沫材料统称为聚合物水泥泡沫材料。

　　二. 研究方案和技术路线

　　以特种水泥为基材，通过物理化学方式引入大量微小、均匀、稳定的气泡，通过成膜聚合物提高气泡的封闭性和保温效果，并结合纳米增效技术、粉体表面改性技术、疏水化处理技术等措施，经特定工艺制成一种新型多功能保温隔热材料，建筑节能率可达65%以上。它仅在水泥中引入少量的成膜聚合物，而且均匀地分散在水泥中，产品不燃烧（A级），轻质、保温、经济、环保、利废、无毒、耐久、与建筑物同寿命,可应用于屋面、墙体和地面保温。

　　三. 关键组分材料与设备的研制

　　1.聚合物水泥泡沫材料关键组分的研究：

　　①HJ-1高性能泡沫剂的研制

　　②SP-Ⅱ新型发泡机的设计开发

　　③专用高效减水剂的研制

　　④改性聚合物的优选

　　3.1 HJ-1高性能泡沫剂的研制

　　制备的泡沫

　　气泡形态

　　沉降距、泌水量测定装置

　　国内外泡沫剂技术性能对比

　　国内外泡沫剂稳定性对比

制泡后2小时

　　国内外泡沫剂稳定性对比

制泡后24小时

[Page]

　　3.2 SP-Ⅱ新型发泡机的设计开发

图3.3  新型发泡机工作原理图

图3.4  SP-Ⅱ新型发泡机样机

　　3.2 SP-Ⅱ新型发泡机的设计开发

　　针对HJ-1高性能泡沫剂有别于常规制泡工艺参数的特点，我们自主设计开发了配套使用的SP-Ⅱ新型发泡机，其可实现双向送液、双泡管发泡、无气阻。可根据需要宽幅调整泡沫密度，目标定量重复性好，泡沫细腻、泡径均匀，解决送液气阻问题，在常规条件下均能顺利发泡，整机安全可靠，便于调整、维护、检修。

　　3.3 专用高效减水剂的研制

　　本研究所用的专用减水剂为自主研制，其最大特点是与泡沫相容性好，对气泡稳定性无不利影响，增强效果显著，而且掺量低、减水率高、流动度保持率高、低收缩、碱含量低、环境友好。

　　在泡沫材料专用高性能减水剂方面，先后突破了第一代脂类、第二代醚类以及第三代功能类聚羧酸盐减水剂的合成、与泡沫配伍等技术难关，净浆减水率≥60%，低掺量、高减水、高增强、低碱、低收缩、环境友好

　　专用高性能减水剂的试验结果

系列专用外加剂的研制

　　3.4 聚合物

　　聚合物是本项目研究的关键材料之一。本项目优选出一种特殊组成的成膜聚合物，其能附着在水泥凝胶体或颗粒表面形成完整、连续、密实的膜结构，从而提高了泡壁的封闭性，因而大大提高了泡沫材料的保温效果；同时它还能提高材料的韧性、抗裂性、粘接力和防水、密封性能，降低吸水率，因而材料在潮湿环境下的保温隔热性能大大提高。

SEM照片

未加成膜物

加入成膜物

　　解决的关键技术

　　(1)引入成膜聚合物，使其附着在泡壁表面形成完整、连续、密实的膜结构，提高了泡壁的封闭性，因而大大提高了泡沫材料的保温效果、并降低吸水性、脆性、开裂。

　　(2)应用纳米改性技术，促使泡壁材料微观结构的有序化排列，提高泡壁的连续性和均匀性，从而提高保温效果。

泡沫材料单个泡壁形态

改性前的泡壁

改性后的泡壁

　　3.5 其它关键组分的研制

　　3.5.1 憎水剂的优选

　　水泥基泡沫材料存在的最大问题之一就是吸水率高。保温材料一旦吸水，其导热系数将大幅度提高，保温效果大大降低。降低吸水率的方法很多，采用内掺或外涂憎水剂是简便易行的方法。通过大量的正交试验，我们优选出特定组成的憎水剂，其具有优异的憎水性和持久的防水性，对多孔保温材料最为适合。

　　通过粉体改性和外加剂技术等措施,促凝、早强、高强化

[Page]

　　聚合物水泥泡沫材料集成技术研究

　　在研制出聚合物水泥泡沫材料关键组分材料—聚合物、泡沫剂及多种专用外加剂的的基础上，采用自主设计开发的新型发泡机，对泡沫剂配比、浓度、温度等影响因素以及制泡工艺参数进行了系统研究，得到一整套制备高性能泡沫的工艺技术。采用正交试验方法，对影响净浆性能的各种因素进行系统研究，确定了各种组成材料的最佳匹配与用量。通过对影响聚合物水泥泡沫材料性能的各种因素进行深入研究，掌握了制备高性能聚合物水泥泡沫材料的影响规律。通过材料配方与制备工艺技术优化与集成，获得了高性能的聚合物水泥泡沫材料，实现了水泥基泡沫材料整体关键技术的重大突破。

　　通过系统集成技术工艺，获得了高性能聚合物水泥泡沫材料，可使建筑节能率达65%以上。本材料不仅节能，而且利废，可利用工业废渣30%左右，有利于环境保护，促进循环经济发展。

　　超轻质水泥基泡沫材料

　　本品容重150kg/m³　　加气砼≥ 350kg/m³

　　普通泡沫砼与本品对比

普通泡沫砼吸水率大                 本品憎水效果图                    本品截面放大图

　　力学性能测试仪器设备

　　导热系数测定

　　导热系数测定

　　检验报告

　　查新报告

　　专利受理通知书

[Page]

　　技术先进性的比较

　　材料研究小结

　　本项目开发出的泡沫保温材料具有低密度、低导热系数、低吸水率、高防火性和高耐久等优越性能。其主要技术指标为：干表观密度 ≤190kg/m3、导热系数 ≤0.049W/（m·K）、抗压强度≥220kPa ，环保、耐久、不燃（A级）。经过国家房建材料质量监督检验测试中心检验，材料全面达到预期指标，技术性能优于胶粉聚苯颗粒保温浆料等，特别需要强调的是本品不燃烧（A级），耐久性好。可应用于屋面、墙体和地面（地暖）保温。

　　本项目的研制成功为建筑行业增添了新型高性能保温材料品种，填补了国内外空白。我中心对该项技术拥有完全的知识产权，所提出的发明专利申请“高性能聚合物水泥泡沫材料的制备方法”国家知识产权局予以受理，专利申请号：200810177390.4。

　　二.2   施工技术研究

　　水泥基泡沫保温材料施工技术研究

　　(1)在屋面保温系统中的施工技术研究

　　(2)在墙体保温系统中的施工技术研究

　　①免拆模板现浇墙体保温系统一体化成型

　　②预制板材干挂或粘贴保温系统

　　③夹芯墙体和填芯墙体自保温系统

　　(3)在地面（地暖）保温中的施工技术研究

　　二.3.1 屋面保温系统构造图

　　二.3.2  现浇墙体保温系统构造图

　　也可内浇外挂施工

　　二.3.3  现浇自保温墙体

　　容重568kg/m³,　强度5.15MPa,　导热系数0.112W/(m·K)

　　二.3.4  粘贴保温板墙体保温系统

粘贴保温板墙体保温系统构造图

　　二.3.5  干挂复合板材墙体保温系统

　　二.3.6  填芯砌块墙体自保温系统

　　二.3.7  夹芯墙体自保温系统构造图

　　二.3.8  地面保温系统（地暖）

　　三.  可行性分析

　　● 市场容量

　　● 市场需求状况

　　● 经济效益

　　● 社会效益

　　● 前景预测

　　● 发展前景

　　三.1 市场容量

　　我国建筑保温市场巨大。“十一五”期间，全国城镇建筑节能率将达到50%，其中，各特大城市和部分大城市节能率将达到65%。根据建设部副部长仇保兴介绍，当前中国有400多亿平方米既有建筑，估计至少有三分之一，约130多亿平方米需要进行保温节能改造，按改造费为200元/m2元计，仅既有建筑的节能改造费用就高达26000亿！此外，每年城乡新建建筑竣工面积约20亿平方米，造价按100～150元/m2计算，每年新建筑节能造价约有2000～3000亿元；预计到2020年底，全国房屋建筑面积将新增近300亿平方米，新建筑节能造价约有30000～45000亿元，也就是说，既有建筑的节能改造和新建建筑保温节能合计有超过50000亿元人民币的大市场！

　　三.2 市场需求状况

　　目前国内外市场常用保温材料聚苯泡沫（EPS、XPS）、聚氨酯硬泡体（PU）等，虽然具有轻质、保温性好的优点，但其缺陷是易老化、防火安全性差，各地建筑工程屡屡发生火灾事故，火灾时EPS很快就会熔化并“轰燃”，燃烧时烟雾大、毒性大，危害严重。由于涉及严重的防火问题，在欧美，聚苯板保温体系已经很少使用。对于PU，除了防火和价格问题，还存在施工时对气候敏感，风吹影响喷涂、潮湿影响粘结，收缩大，喷涂时散发毒气等缺点。而且这些有机泡沫材料易老化，不能与建筑物同寿命，在建筑物使用期内，需要多次进行保温层更换，浪费大量人力、物力、财力。而无机保温材料如泡沫水泥、泡沫砼则密度大、吸水率大、保温效果差，不能很好地满足外墙外保温体系和屋面保温隔热的需要。因此市场迫切需要研制新型的保温节能材料及其配套技术。

　　三.3 经济效益

　　经济效益方面，若按建厂、销售产品模式考虑，项目产业化初期，可考虑建设年产2万m3聚合物水泥泡沫材料的小型生产线。原材料成本价约150～400元/m3，销售价按300～800元/m3计算，则年销售收入为600～1600万元，可实现毛利润300～800万元，经济效益良好。随着产业化发展，经济规模预计为20万m3/年（相当于年生产3.6万吨干粉料），年销售收入6千万～ 1.6亿元，实现毛利润3～8千万，经济效益显著。

　　在工程应用方面，2万m3材料，按5cm厚度计算，可完成40万m2的保温层施工。保温层材料成本15 ～40元/m2左右。总体成本不高于聚苯板、聚氨酯硬泡体。但在技术性能方面，本品不燃烧，且耐候性好、经久耐用，与建筑物同寿命，在建筑物使用期内无需多次进行保温层更换，综合经济效益明显优于苯板。可以预见，本项目产品与系统将有广阔的市场前景。

　　三.4 社会效益

　　本项目符合国家节能减排的产业政策，项目成果可大大改善建筑保温节能状况，大大降低建筑采暖和空调能耗，使人们在耗能较低的前提下，获得舒适的生活环境，降低采暖燃煤以及排放二氧化碳、二氧化硫，有利于保护环境、改善人类生存空间，同时，本项目可利用工业废渣，有利于循环经济及可持续发展，可有效缓解经济发展与资源之间的矛盾，对于建设资源节约型、环境友好型的社会发展新模式意义重大。本项目的研究成果可带动整个建筑节能行业在材料新品种、生产与施工工艺等方面的推陈出新和升级换代，对提高我国新材料的自主创新能力，推进建材工业、建筑工业技术进步具有重要意义。

　　三.5 发展前景

　　新年伊始，建设部就表示：要大力发展新型节能节材建筑材料。本项目研究的聚合物水泥泡沫材料具有轻质、保温、环保、经济、防火、耐久等优点，可应用于屋面、墙体和地面（地暖）保温等，节能率可达65%以上。经过国家建筑材料工业房建材料质量监督检验测试中心检验，其技术性能全面优于传统的胶粉聚苯颗粒保温浆料，本品不燃烧（A级），使用安全,且耐候性好,与建筑物同寿命。与传统的保温材料相比，具有明显的竞争优势，具有广阔的应用前景。