李應(yīng)權(quán):聚合物水泥泡沫保溫材料的研究

　　優(yōu)點：環(huán)保、經(jīng)濟、利廢、不燃、耐久；

　　缺點：自重大、脆性大、易開裂、吸水率高、保溫效果差，不能很好地滿足建筑保溫隔熱的需要。

　　研究項目簡介

　　鑒于這種狀況，2007年起, 建筑材料工業(yè)技術(shù)監(jiān)督研究中心就開始著手進行“環(huán)保、不燃、耐久的聚合物水泥泡沫保溫材料”的研究,該課題得到國家科技部資助,項目編號：NCSTE-2007-JKZX-284 ,課題的起止時間為2007年～2010年,分三個階段:泡沫保溫材料實驗室階段研究、中試生產(chǎn)及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的制定、施工技術(shù)研究。

　　一. 水泥基泡沫材料的分類

　　水泥基材料包含水泥凈漿、砂漿和砼等，這些材料都以水泥為膠凝材料。

　　以水泥基材料為基礎(chǔ)，通過各種方式引入氣泡，所形成的材料統(tǒng)稱為水泥基泡沫材料，分為：

　　1. 將泡沫劑水溶液通過物理方式預(yù)先制備出泡沫，再與攪拌好的水泥基材料漿體混合均勻攪拌成料漿，此為發(fā)泡水泥、泡沫砂漿或泡沫砼；

　　2. 將引氣劑與水、水泥、砂、石一同混合攪拌制成的砼為引氣砼,采用這種方式通常氣泡含量不高，砼含氣量一般在10%以內(nèi)；

　　3. 采用機械充氣的方法制成的砼稱為充氣砼；

　　4.將發(fā)泡劑與水泥基材料一起混合攪拌均勻制成料漿，在靜停過程中通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣泡，料漿逐漸膨脹，所形成的材料為加氣砼，又分為蒸壓加氣砼和免蒸壓加氣砼。這種方法稱為化學(xué)發(fā)泡；

　　5. 同時采用物理制泡方式和化學(xué)發(fā)泡方式(4)制備的材料稱之為復(fù)合發(fā)泡材料。

　　6. 通過聚合物對（采用以上五種制泡方式中的任意一種）水泥基泡沫材料改性制備的有機-無機復(fù)合泡沫材料統(tǒng)稱為聚合物水泥泡沫材料。

　　二. 研究方案和技術(shù)路線

　　以特種水泥為基材，通過物理化學(xué)方式引入大量微小、均勻、穩(wěn)定的氣泡，通過成膜聚合物提高氣泡的封閉性和保溫效果，并結(jié)合納米增效技術(shù)、粉體表面改性技術(shù)、疏水化處理技術(shù)等措施，經(jīng)特定工藝制成一種新型多功能保溫隔熱材料，建筑節(jié)能率可達65%以上。它僅在水泥中引入少量的成膜聚合物，而且均勻地分散在水泥中，產(chǎn)品不燃燒（A級），輕質(zhì)、保溫、經(jīng)濟、環(huán)保、利廢、無毒、耐久、與建筑物同壽命,可應(yīng)用于屋面、墻體和地面保溫。

　　三. 關(guān)鍵組分材料與設(shè)備的研制

　　1.聚合物水泥泡沫材料關(guān)鍵組分的研究：

　?、貶J-1高性能泡沫劑的研制

　?、赟P-Ⅱ新型發(fā)泡機的設(shè)計開發(fā)

　　③專用高效減水劑的研制

　　④改性聚合物的優(yōu)選

　　3.1 HJ-1高性能泡沫劑的研制

　　制備的泡沫

　　氣泡形態(tài)

　　沉降距、泌水量測定裝置

　　國內(nèi)外泡沫劑技術(shù)性能對比

　　國內(nèi)外泡沫劑穩(wěn)定性對比

制泡后2小時

　　國內(nèi)外泡沫劑穩(wěn)定性對比

制泡后24小時

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　　3.2 SP-Ⅱ新型發(fā)泡機的設(shè)計開發(fā)

圖3.3  新型發(fā)泡機工作原理圖

圖3.4  SP-Ⅱ新型發(fā)泡機樣機

　　3.2 SP-Ⅱ新型發(fā)泡機的設(shè)計開發(fā)

　　針對HJ-1高性能泡沫劑有別于常規(guī)制泡工藝參數(shù)的特點，我們自主設(shè)計開發(fā)了配套使用的SP-Ⅱ新型發(fā)泡機，其可實現(xiàn)雙向送液、雙泡管發(fā)泡、無氣阻?？筛鶕?jù)需要寬幅調(diào)整泡沫密度，目標(biāo)定量重復(fù)性好，泡沫細(xì)膩、泡徑均勻，解決送液氣阻問題，在常規(guī)條件下均能順利發(fā)泡，整機安全可靠，便于調(diào)整、維護、檢修。

　　3.3 專用高效減水劑的研制

　　本研究所用的專用減水劑為自主研制，其最大特點是與泡沫相容性好，對氣泡穩(wěn)定性無不利影響，增強效果顯著，而且摻量低、減水率高、流動度保持率高、低收縮、堿含量低、環(huán)境友好。

　　在泡沫材料專用高性能減水劑方面，先后突破了第一代脂類、第二代醚類以及第三代功能類聚羧酸鹽減水劑的合成、與泡沫配伍等技術(shù)難關(guān)，凈漿減水率≥60%，低摻量、高減水、高增強、低堿、低收縮、環(huán)境友好

　　專用高性能減水劑的試驗結(jié)果

系列專用外加劑的研制

　　3.4 聚合物

　　聚合物是本項目研究的關(guān)鍵材料之一。本項目優(yōu)選出一種特殊組成的成膜聚合物，其能附著在水泥凝膠體或顆粒表面形成完整、連續(xù)、密實的膜結(jié)構(gòu)，從而提高了泡壁的封閉性，因而大大提高了泡沫材料的保溫效果；同時它還能提高材料的韌性、抗裂性、粘接力和防水、密封性能，降低吸水率，因而材料在潮濕環(huán)境下的保溫隔熱性能大大提高。

SEM照片

未加成膜物

加入成膜物

　　解決的關(guān)鍵技術(shù)

　　(1)引入成膜聚合物，使其附著在泡壁表面形成完整、連續(xù)、密實的膜結(jié)構(gòu)，提高了泡壁的封閉性，因而大大提高了泡沫材料的保溫效果、并降低吸水性、脆性、開裂。

　　(2)應(yīng)用納米改性技術(shù)，促使泡壁材料微觀結(jié)構(gòu)的有序化排列，提高泡壁的連續(xù)性和均勻性，從而提高保溫效果。

泡沫材料單個泡壁形態(tài)

改性前的泡壁

改性后的泡壁

　　3.5 其它關(guān)鍵組分的研制

　　3.5.1 憎水劑的優(yōu)選

　　水泥基泡沫材料存在的最大問題之一就是吸水率高。保溫材料一旦吸水，其導(dǎo)熱系數(shù)將大幅度提高，保溫效果大大降低。降低吸水率的方法很多，采用內(nèi)摻或外涂憎水劑是簡便易行的方法。通過大量的正交試驗，我們優(yōu)選出特定組成的憎水劑，其具有優(yōu)異的憎水性和持久的防水性，對多孔保溫材料最為適合。

　　通過粉體改性和外加劑技術(shù)等措施,促凝、早強、高強化

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　　聚合物水泥泡沫材料集成技術(shù)研究

　　在研制出聚合物水泥泡沫材料關(guān)鍵組分材料—聚合物、泡沫劑及多種專用外加劑的的基礎(chǔ)上，采用自主設(shè)計開發(fā)的新型發(fā)泡機，對泡沫劑配比、濃度、溫度等影響因素以及制泡工藝參數(shù)進行了系統(tǒng)研究，得到一整套制備高性能泡沫的工藝技術(shù)。采用正交試驗方法，對影響凈漿性能的各種因素進行系統(tǒng)研究，確定了各種組成材料的最佳匹配與用量。通過對影響聚合物水泥泡沫材料性能的各種因素進行深入研究，掌握了制備高性能聚合物水泥泡沫材料的影響規(guī)律。通過材料配方與制備工藝技術(shù)優(yōu)化與集成，獲得了高性能的聚合物水泥泡沫材料，實現(xiàn)了水泥基泡沫材料整體關(guān)鍵技術(shù)的重大突破。

　　通過系統(tǒng)集成技術(shù)工藝，獲得了高性能聚合物水泥泡沫材料，可使建筑節(jié)能率達65%以上。本材料不僅節(jié)能，而且利廢，可利用工業(yè)廢渣30%左右，有利于環(huán)境保護，促進循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展。

　　超輕質(zhì)水泥基泡沫材料

　　本品容重150kg/m³　　加氣砼≥ 350kg/m³

　　普通泡沫砼與本品對比

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

　　力學(xué)性能測試儀器設(shè)備

　　導(dǎo)熱系數(shù)測定

　　導(dǎo)熱系數(shù)測定

　　檢驗報告

　　查新報告

　　專利受理通知書

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　　技術(shù)先進性的比較

　　材料研究小結(jié)

　　本項目開發(fā)出的泡沫保溫材料具有低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)、低吸水率、高防火性和高耐久等優(yōu)越性能。其主要技術(shù)指標(biāo)為：干表觀密度 ≤190kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù) ≤0.049W/（m·K）、抗壓強度≥220kPa ，環(huán)保、耐久、不燃（A級）。經(jīng)過國家房建材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心檢驗，材料全面達到預(yù)期指標(biāo)，技術(shù)性能優(yōu)于膠粉聚苯顆粒保溫漿料等，特別需要強調(diào)的是本品不燃燒（A級），耐久性好。可應(yīng)用于屋面、墻體和地面（地暖）保溫。

　　本項目的研制成功為建筑行業(yè)增添了新型高性能保溫材料品種，填補了國內(nèi)外空白。我中心對該項技術(shù)擁有完全的知識產(chǎn)權(quán)，所提出的發(fā)明專利申請“高性能聚合物水泥泡沫材料的制備方法”國家知識產(chǎn)權(quán)局予以受理，專利申請?zhí)枺?00810177390.4。

　　二.2   施工技術(shù)研究

　　水泥基泡沫保溫材料施工技術(shù)研究

　　(1)在屋面保溫系統(tǒng)中的施工技術(shù)研究

　　(2)在墻體保溫系統(tǒng)中的施工技術(shù)研究

　?、倜獠鹉０瀣F(xiàn)澆墻體保溫系統(tǒng)一體化成型

　?、陬A(yù)制板材干掛或粘貼保溫系統(tǒng)

　?、蹔A芯墻體和填芯墻體自保溫系統(tǒng)

　　(3)在地面（地暖）保溫中的施工技術(shù)研究

　　二.3.1 屋面保溫系統(tǒng)構(gòu)造圖

　　二.3.2  現(xiàn)澆墻體保溫系統(tǒng)構(gòu)造圖

　　也可內(nèi)澆外掛施工

　　二.3.3  現(xiàn)澆自保溫墻體

　　容重568kg/m³,　強度5.15MPa,　導(dǎo)熱系數(shù)0.112W/(m·K)

　　二.3.4  粘貼保溫板墻體保溫系統(tǒng)

粘貼保溫板墻體保溫系統(tǒng)構(gòu)造圖

　　二.3.5  干掛復(fù)合板材墻體保溫系統(tǒng)

　　二.3.6  填芯砌塊墻體自保溫系統(tǒng)

　　二.3.7  夾芯墻體自保溫系統(tǒng)構(gòu)造圖

　　二.3.8  地面保溫系統(tǒng)（地暖）

　　三.  可行性分析

　　● 市場容量

　　● 市場需求狀況

　　● 經(jīng)濟效益

　　● 社會效益

　　● 前景預(yù)測

　　● 發(fā)展前景

　　三.1 市場容量

　　我國建筑保溫市場巨大?！笆晃濉逼陂g，全國城鎮(zhèn)建筑節(jié)能率將達到50%，其中，各特大城市和部分大城市節(jié)能率將達到65%。根據(jù)建設(shè)部副部長仇保興介紹，當(dāng)前中國有400多億平方米既有建筑，估計至少有三分之一，約130多億平方米需要進行保溫節(jié)能改造，按改造費為200元/m2元計，僅既有建筑的節(jié)能改造費用就高達26000億！此外，每年城鄉(xiāng)新建建筑竣工面積約20億平方米，造價按100～150元/m2計算，每年新建筑節(jié)能造價約有2000～3000億元；預(yù)計到2020年底，全國房屋建筑面積將新增近300億平方米，新建筑節(jié)能造價約有30000～45000億元，也就是說，既有建筑的節(jié)能改造和新建建筑保溫節(jié)能合計有超過50000億元人民幣的大市場！

　　三.2 市場需求狀況

　　目前國內(nèi)外市場常用保溫材料聚苯泡沫（EPS、XPS）、聚氨酯硬泡體（PU）等，雖然具有輕質(zhì)、保溫性好的優(yōu)點，但其缺陷是易老化、防火安全性差，各地建筑工程屢屢發(fā)生火災(zāi)事故，火災(zāi)時EPS很快就會熔化并“轟燃”，燃燒時煙霧大、毒性大，危害嚴(yán)重。由于涉及嚴(yán)重的防火問題，在歐美，聚苯板保溫體系已經(jīng)很少使用。對于PU，除了防火和價格問題，還存在施工時對氣候敏感，風(fēng)吹影響噴涂、潮濕影響粘結(jié)，收縮大，噴涂時散發(fā)毒氣等缺點。而且這些有機泡沫材料易老化，不能與建筑物同壽命，在建筑物使用期內(nèi)，需要多次進行保溫層更換，浪費大量人力、物力、財力。而無機保溫材料如泡沫水泥、泡沫砼則密度大、吸水率大、保溫效果差，不能很好地滿足外墻外保溫體系和屋面保溫隔熱的需要。因此市場迫切需要研制新型的保溫節(jié)能材料及其配套技術(shù)。

　　三.3 經(jīng)濟效益

　　經(jīng)濟效益方面，若按建廠、銷售產(chǎn)品模式考慮，項目產(chǎn)業(yè)化初期，可考慮建設(shè)年產(chǎn)2萬m3聚合物水泥泡沫材料的小型生產(chǎn)線。原材料成本價約150～400元/m3，銷售價按300～800元/m3計算，則年銷售收入為600～1600萬元，可實現(xiàn)毛利潤300～800萬元，經(jīng)濟效益良好。隨著產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，經(jīng)濟規(guī)模預(yù)計為20萬m3/年（相當(dāng)于年生產(chǎn)3.6萬噸干粉料），年銷售收入6千萬～ 1.6億元，實現(xiàn)毛利潤3～8千萬，經(jīng)濟效益顯著。

　　在工程應(yīng)用方面，2萬m3材料，按5cm厚度計算，可完成40萬m2的保溫層施工。保溫層材料成本15 ～40元/m2左右?？傮w成本不高于聚苯板、聚氨酯硬泡體。但在技術(shù)性能方面，本品不燃燒，且耐候性好、經(jīng)久耐用，與建筑物同壽命，在建筑物使用期內(nèi)無需多次進行保溫層更換，綜合經(jīng)濟效益明顯優(yōu)于苯板?？梢灶A(yù)見，本項目產(chǎn)品與系統(tǒng)將有廣闊的市場前景。

　　三.4 社會效益

　　本項目符合國家節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策，項目成果可大大改善建筑保溫節(jié)能狀況，大大降低建筑采暖和空調(diào)能耗，使人們在耗能較低的前提下，獲得舒適的生活環(huán)境，降低采暖燃煤以及排放二氧化碳、二氧化硫，有利于保護環(huán)境、改善人類生存空間，同時，本項目可利用工業(yè)廢渣，有利于循環(huán)經(jīng)濟及可持續(xù)發(fā)展，可有效緩解經(jīng)濟發(fā)展與資源之間的矛盾，對于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的社會發(fā)展新模式意義重大。本項目的研究成果可帶動整個建筑節(jié)能行業(yè)在材料新品種、生產(chǎn)與施工工藝等方面的推陳出新和升級換代，對提高我國新材料的自主創(chuàng)新能力，推進建材工業(yè)、建筑工業(yè)技術(shù)進步具有重要意義。

　　三.5 發(fā)展前景

　　新年伊始，建設(shè)部就表示：要大力發(fā)展新型節(jié)能節(jié)材建筑材料。本項目研究的聚合物水泥泡沫材料具有輕質(zhì)、保溫、環(huán)保、經(jīng)濟、防火、耐久等優(yōu)點，可應(yīng)用于屋面、墻體和地面（地暖）保溫等，節(jié)能率可達65%以上。經(jīng)過國家建筑材料工業(yè)房建材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心檢驗，其技術(shù)性能全面優(yōu)于傳統(tǒng)的膠粉聚苯顆粒保溫漿料，本品不燃燒（A級），使用安全,且耐候性好,與建筑物同壽命。與傳統(tǒng)的保溫材料相比，具有明顯的競爭優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。