聚氨酯在建筑节能保温材料中应用和防火安全性能的解析.pdf

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1、环球聚氨酯网 26Technical Exchange 技术交流建筑专栏聚氨酯在建筑节能保温材料中应用和防火安全性能的解析黄茂松上海市聚氨酯产业发展促进中心7月30日，由住房和城乡建设部政策研究中心主办的聚氨酯行业发展与市场应用研讨会在上海召开。针对央视新楼等多起火灾事故发生后，一些部门提出的在公共建筑和超高层建筑中不准使用有机保温材料的观点，与会专家一致认为，有机保温材料不应全面受到火灾事故的“株连”。中国建筑节能任重道远，应大力推进目前最理想的建筑化学保温材料聚氨酯（PU）硬泡的应用。对此，上海市聚氨酯产业发展促进中心总工程师黄茂松研究员认为，与其他有机、无机保温材料相比，PU硬泡保温材料

2、具有明显的节能和安全特性，在我国建筑节能任重道远的形势下，PU硬泡无疑是目前最理想的建筑保温材料，不但不应该对其封杀，反而应加大其科学使用力度。本文论述了建筑节能在国家能源政策中的地位与作用。介绍了PU硬泡保温材料应用于建筑节能的优点以及和其它有机保温材料和无机保温材料优缺点比较。介绍了TVCC火灾灾情，分析了其内因及其吸取的教训。讨论了PU硬泡和聚苯乙烯泡沫燃烧机理，从理论上阐明了两种保温材料烧燃机理的不同点，讨论了聚苯乙烯快速燃烧的原因。介绍了PU硬泡的防火性能标准，提出了需建立防火安全性能测试方法依据。讨论了建筑节能采用无机保温材料将给国家带来巨大损失的后果。一、PU硬泡材料在外墙保温建

3、筑节能中应用前景（一）建筑节能是我国不可动摇的既定国策在全球金融危机影响下，我国国民经济能否保持持续稳定的高速发展，能源问题已成为一个突出的矛盾，我国目前是世界上最大的建筑市场，我国既有建筑面积400亿m2，每年新增建筑量20亿m2，而目前我国新建筑中95%以上仍是高能耗建筑，建筑能耗已经达到全社会能耗的27%。若不采取节能措施，到2020年将有50%全国能源消耗在建筑上。据有关部门统2009年9月 总第88期27计，我国建筑围护结构保温性能普遍较低，外墙和窗口的热导率系数为同等发达国家的3-4倍，外墙单位建筑面积耗能要高出4-5倍，我国建筑单位面积总热量为气候条件接近的发达国家高出2-5倍。

4、由此表明我国建筑节能的潜能很大，根据建设部建筑节能的总体目标：到2010年全国城镇新建建筑实现节能50%，对既有建筑节能改造大城市完成25%，中等城市完成15%，小城市完成10%。到2020年北方和沿海经济发达地区新建筑实现节能65%。由此表明建筑节能已成为影响我国能源可持续发展战略决策的关键因素，也是我国持久的不可动摇的国策。据有关资料报导，欧美等发达国家和建筑保温材料中约有49%采用PU材料，但在我国目前还不到10%。EPS/XPS在欧州和美国建筑节能保温材料中占有率10%，在中国占80%。据国际板材制造商协会公布的资料表明，PU和PIR（聚异氰尿酸酯）板材在发达国家占建筑节能板材总消费量

5、的73.8%，EPS/XPS只占20.6%。其中有机泡沫塑料板材达到了建筑节能材料消费量的94.4%。中国塑料加工协会PU专业委员会高级顾问孟扬教授作过粗略计算，按照中国的建筑市场每年新增建筑面积20亿m2,按65%节能标准计算，年需PU保温材料为100万t/a。对400亿m2建筑能耗既有建筑每年也以20亿m2节能改造计算，每年也需100万t/aPU保温材料。由此可见我国的建筑节能将给我国PU硬泡市场带来巨大市场空间。（二）PU硬泡与其它保温材料优缺点比较1、PU硬泡保温材料的主要优点 （1）保温性能优越导热系数可达到0.017-0.025w/m.k是目前有机和无机保温材料导热系收最低的一种材

6、料。在达到同样隔热效果条件下，其使用的保温层厚度最小。计算表明：在达到同样隔热效果条件下，50毫米厚的PU硬泡，相当于80毫米厚的EPS/XPS；90毫米厚的矿物棉和760毫米厚的混凝土结构。（2）力学性能优良喷涂PU硬泡与基层墙体表面粘结牢固，能在较宽温度范围和较高湿度条件下抵御承受风力、自重及撞击等各种负载时，PU保温层与基层不合产生起鼓而分离。尺寸稳定性小于1%，延伸率大于5%，具有一定的韧性，不易产生开裂。现象耐冲击性能优良，与其它保温材料相比具有较强的抵抗外力的能力。强度是PU硬泡最重要的力学性指标，它的大小直接决定着外墙饰面系统抗风压、抗冲击、抗应变能力，是评估外墙保温系统使用安全

7、性能最重要、最直接的性能指标。（3）防水性能良好PU硬泡呈闭孔结构，闭孔率高达95%以上，具有优良的防水、隔汽性能。能阻隔水及水蒸汽渗透，使墙体保持一个良好的稳定的绝热状态，这是目前其它保温材料很难实现的。2、PU硬泡同EPS、XPS外保温材料相比具有以下优点：（1）保温性：PU硬泡保温性能明显优于EPX、XPS。（2）密封性：EPS和XPS有缝有空腔结构，外界空气很容易通过缝隙，空腔流通，影响保温性能。（3）抗风揭性：PU硬泡在密度35kg/m3下，抗拉强度为0.3Mpa，完全可以承受高层建筑外墙由于风的负压荷载能力。而EPS抗拉强度在干燥状况下，仅为0.1Mpa，浸水后的抗拉强度则更低，所

8、以一般EPS不能用于高层建筑。（4）抗裂性：PU硬泡力学性能优良，尺寸变化率1%，有一定韧性，故抗裂性好。而EPS、XPS一般要求存放40天后才能用于施工，而实际应用很难做到，因而EPS保温工程易出现裂缝，墙体透湿和返水现象。（5）防水性：PU硬泡闭孔率达95%，自结皮闭孔率100%。而EPS和XPS为空腔粘贴，水、结露水易透过裂缝及空腔渗入室内。（6）环保性：PU发泡剂可用无氟与半氟发泡，而XPS、EPS较难做到，大都采用氟利昂发泡，破坏臭氧层，造成污染大气层。（7）阻燃性：PU硬泡离火自熄碳化，EPS和XPS遇火高温下产生熔滴，易产生二次燃烧。3、无机保温材料应用的缺点：岩棉、玻璃棉和膨胀

9、珍珠岩等无机保温材料存在以下缺点：（1）导热系数大（0.0650.090w/m.k），保温性能差；（2）密度大：保温层厚度大，占地面积大；（3）材料力学性能差：材料本身呈松散结构，成型板块时需用乳化沥青做粘合剂，抗撞击强度和受压强度等整体力学性能均较差。（4）吸湿性大：此类保温材料在使用过程中易吸湿，致使导热系数大幅升高，保温性能变得更差。（5）环保性能差：此类材料含有大量有害物质，在施工和应用中对人体有害。玻璃棉遇潮后释放有毒气体，一些发达国家已禁止使用此类材料作保温材料。二、PU硬泡外墙保温材料防火安全性能解析（一）国内近年来发生的两次火灾案例分析1、深圳龙岗区火灾案例2008年9月20日

10、深圳龙岗区文化俱乐部大厅里。演员表演节目用烟火道具枪向天花板打烟火，火花点环球聚氨酯网 28Technical Exchange 技术交流建筑专栏然天花板，点燃未经阻燃处理的PU材料，引起火灾，烧伤59名，其中48名为烟雾吸入性损伤，由此在社会上对PU材料产生了负面影响，当地公安部为此作出规定，一律不准在当地使用PU泡沫作为室内装饰材料。此次火灾根本原因，采用的PU泡沫塑料，未经阻燃消烟处理，易起火，起火后产生大量浓烟，引起人员伤亡。2、中央电视台新址北配楼电视文化中心（简称TVCC）火灾案例2009年2月9日晚TVCC发生大火，燃烧持续时间6小时，过火而积达10万平方米，7人受伤，其中一名消

11、防人员牺牲。TVCC共有30层，高159米，建筑面积103648平方米。主体结构为钢筋混凝土结构，外立面装修材料南北侧为玻璃幕墙；东面立面为钛锌板幕墙，幕墙外层表面保温材料为XPS（聚苯乙烯挤塑板）内层表皮保温材料为防火棉，外层表皮防水材料为三元乙丙防水膜。初步查明火灾系违规燃放烟花爆竹引燃保温材料所致。火灾沿保温材料面上下左右多个方向迅速蔓延到整个大楼。中央电视台2月13日通报专家组对火灾现场进行勘察的初步结果，称这次火灾系新中国成立以来建筑物燃烧最快的一例。TVCC火灾案例原因分析：建筑部幕墙门窗标准化技术专家组组长龙文志教授，对此次火灾原因、教训和对策作了精辟分析。龙教授观点概括如下：（

12、1）火灾的内因是采用了防火性能差的XPS（聚苯乙烯挤塑板）复合板：该复合板材采用由德国进口的2毫米厚钛锌板作屋架幕墙。采用直立锁边结构的铝镁锰合金板（板厚小于1毫米）作层面防水层。钛锌板熔点4180C左右，燃放烟火的礼炮及礼花弹其燃烧温度高达17000C。燃烧的礼花一旦落在钛锌合金板上面，熔融的钛合金向下流淌，引燃下层XPS保温材料，从而形成XPS大面积闷烧，使连结一起的钛锌板产生“烟囱”效应，进而火焰迅速蔓延和积累，最终引发TVCC整体轰燃而产生轰爆效应。（2）深刻吸取教训，防止此类案例重演：龙教授认为此次火灾燃放烟火只是外因，该建筑幕墙及屋面的XPS保温材料造就了火灾隐患存在必然性。龙文志

13、教授特别指出：“这次不出现火灾可能在今后别的大楼使用过程中也要出现火灾，而那时的危害性要比现在严重上百倍”。TVCC火灾案例要从中深刻吸取其教训，XPS材料由于温度超过800C产生熔滴，引发燃烧后极易诱发二次燃烧，且具有极快的火焰传插速度。由此，公共建筑和超高层建筑采用此类保温材料必须慎之又慎。在美国有20多个州禁止使用聚苯乙烯泡沫用于建筑保温；在英国，18米以上建筑不允许使用EPS板薄抹灰外墙保温系统；在德国，22米以上建筑不充许使用EPS板薄材灰外墙保温体系。在欧洲许多夹心板材厂不再生产防火性能差的EPS板，许多保险公司已禁止给EPS板作保温建筑保险。同样在韩国和澳洲等地的建筑保温市场EP

14、S和XPS泡沫也被禁止使用。（3）建立符合中国国情的建筑外墙屋面保温防火节能体系：近年来重大恶性建筑火灾和外墙屋面火灾事故频频发生，不能机械地套用国外一些方法。龙教授认为建筑火灾和外墙防火要结合我国的实际情况出发，做到安全与节能，防火与保温并重。建立符合中国国情的建筑幕墙屋面保温防火节能体系。针对中国新时期防火、消防工作规律，突破制约外墙层面防火的关键技术，形成具有强制力的、科学性的技术标准和工程规范。（二）PU硬泡外墙保温材料防火安全性能最新技术进展1、上海精洽科贸公司杨宗琨教授的重大科技成果杨教授积20多年PU硬泡防火安全性能研究经验，研制成氧指数高、火焰传播性小、烟雾小、毒性小、耐燃性好

15、、抗火焰贯穿力强的难燃PU硬泡。其核心技术是发明了经化学结构改性的无卤阻燃聚醚多元醇，即在易燃的氨基甲酸酯分子结构中，引入了耐高温、难燃、低发烟、低毒性的环状结构化合物（异氰脲酸脂环、哑唑烷酮、芳香族环、碳化亚二胺结构）并选择了先进的无卤、膨胀性阻燃技术。研制成的板材经国家建筑工程材料监督检验中心上海建材及构件质量监督站检测，氧指数为32.7，烟密度等级SDR为61，达到了B1难燃等级。该项成果需尽快推动其实现产业化和市场化。2、南京四环研究所朱吕民教授的重大科技成果：朱教授也研制成了一种无卤阻燃聚醚，并成功地应用于PU软泡和硬泡，已实现产业化和市场化。亨斯迈上海研发中心与山东一家公司联合研制

16、成了环保型双面彩钢PU夹心板，达到B1等级。韩国一山上海有限公司也研制成了PU难燃PU硬泡，经四川消防所检测达到了B1级难燃等级。3、江苏化工研究所研制成了阻燃PU硬泡和松香油聚酯多元醇；南京康塑德公司已实现了芳香族聚酯多元醇系列化；广州朗腾PU公司已研制了阻燃PU硬泡组合料。此外跨国公司HUMTSMAN、BASF、Bayer也有多个品种的阻燃级PU硬泡。4、我国阻燃剂、抑烟剂已有空前发展，为我国阻燃PU硬泡研发和生产基定了坚实基础。2009年9月 总第88期295、中国科大、北京理工大、四川大学在高分子阻燃和火灾科学研究方面已取得了令人瞩目的成果。（三）对PU硬泡保温材料防火安全性能的讨论1

17、、PU硬泡与聚苯乙烯泡沫燃烧机理分析（1）PU硬泡的燃烧机理PU硬泡是一种交联热固性材料，燃烧机理以凝聚相燃烧为主要控制区。其燃烧过程：点火凝聚相发生热分解反应凝聚相表面形成碳化层凝聚相热分解产物进入气相燃烧区气相反应区完成燃烧反应释放大量热量。PU硬泡燃烧机理特点是在凝聚相表面形成一个碳化层，此碳化层可有效起到阻碍燃气气相反应区热量和高温反应产物向固相的传递，对热量传递起到屏蔽作用，从而起到降低火焰的传播速率。因此对PU硬泡采取的阻燃措施，主要是降低凝聚相分解反应速率，提高碳化层的致密性和厚度，以及采用PIR（聚异氰尿酸酯结构）泡沫和化学或物理膨胀型阻燃剂以及具有阻燃分子结构的PU硬泡，均能

18、起到提高表面碳化层的阻燃效果。（2）聚苯乙烯（EPS/XPS）泡沫的燃烧机理聚苯乙烯泡沫是一种热塑性材料，其燃烧机理主要以气相燃烧为主要控制区，无阻燃剂条件下，一般表面不形成碳化层。其燃烧过程：点火固相发生热分解反应固相分解产物直接进入气相区气相区完成燃烧反应释放大量热量。由于聚苯乙烯燃烧过程中燃烧表面无碳化层结构，所以聚苯乙烯热释放速率一般要比PU硬泡要大。聚苯乙烯燃烧的另一个特点就是，在燃烧过程中会产生熔滴，熔滴易扩大燃烧面，导致二次燃烧，这也是聚苯乙烯火焰传递速率快的一个重要原因。TVCC火灾实情，验证了聚苯乙烯存在快速传递火焰速率的致命缺点。2、关于PU防火安全性能阻燃等级标准（1）G

19、B8624-1997建筑材料燃烧性能分级方法规定用氧指数（着火性）、垂直（水平）燃烧法（火焰传播性）和烟密度三项指标作为衡量材料的阻燃性能标准。按照GB8624-1977标准，PU硬泡B1级阻燃指标是：1）氧指数大于32%。2）平均燃烧时间30秒，平均燃烧高度小于250毫米。3）烟密度SDR75。（2）GB8624-2006标准采用燃烧热释放速率、燃烧热释放量、燃烧烟密度和燃烧产物毒性四项指标作为材料阻燃性能分级标准。把建材燃烧性能分级为A1、A2、B、C、D、E、F共7级。其中A1、A2级PU硬泡难以达到，建材用PU主要分B、C、D三种级别。GB8624-2006 B级和C级对应于8624-

20、1997 B1级GB8624-2006 D级和C级对应于8624-1997 B2级新标准申引入了SBI测试（建筑材料或制品单体燃烧实验GB/T20264）。SBI测试和以往阻燃测试最大区别是不再单独测试泡沫的阻燃能力，而是测试包括面层在内的整体燃烧与热释放速率。（3）GB862-2006标准中增加了燃烧产物毒性一项。GB8624-2006比欧美国家对PU硬泡达到的标准要高得多，欧美国家只要达到其中二项就可以了，而我国必须四个指标全部要达到标准。这是根据中国国情出发必须制定严格的防火性能标准。3、关于安全防火性能的测试方法PU硬泡保温材料安全防火性能测试方法应涵盖三个方面内容：1）建立性能化、标

21、准化、科学试验方法：主要建在国家级、省市级消防和质量研究单位。主要任务：制定标准、质量监督、产品等级判断和防火性能研究。2）建立真实火灾模拟试验方法：主要建在国家级研究和高校单位，如国家级火灾重点实验室。主任任务：模拟材料的真实火灾下燃烧特征。与材料的防火安全性能建立相关关系，是判断防火安全性能的终裁手段。3）建立简易、易以推广的常规测试方法：主要针对大量产品生产单位使用。作为检验产品防火安全性能的常规检测方法。以上三种试验方法均需具有与材料真实火灾燃烧性能有较好的相关性。4、关于PU硬泡毒性气体问题目前国内对PU硬泡产生一种误解，认为PU硬泡燃烧后必定产生大量毒性气体，由此提出此种材料不能作

22、为建筑的内保温和外保温材料，这种见解带有一定的偏面性。PU泡沫燃烧产物毒性气体的成分不是不可以改变的，更不是必然的，这主要取决于PU泡沫的结构，以及采取何种阻燃剂和抑烟剂，通过科学的研究方法，完全可以研制成燃烧产物烟密度小，毒性低的PU泡沫产品。在中国PU工业协会2008年第十四次年会上，日本三村成利作了“日本聚氨工业协会就火灾问题的对策有关PU泡沫的火灾安全”报告，在报告中日本PU工业协会系统地对PU泡沫燃烧气体毒性组份组成及对老鼠作了毒性试验。得出的结论是：PU泡沫燃烧产物毒性气体组成与木材燃烧产物相近。相信日本PU工业协会是以一种负责任的态度公布其研究结果。国内相关单位应认真对待此研究结

23、论，切勿轻易否定。5、将建筑节能有机保温材料一律拒之门外环球聚氨酯网 30Technical Exchange 技术交流建筑专栏欢 迎 投 稿邮箱：据悉最近国家有关部门试图作出规定：公共建筑和超高层建筑一律不准使用有机保温材料，提倡采用无机保温材料。这种片面规定，值得国家能源部和建设部深思。此种规定一旦实施将会带来以下恶果：（1）国家建筑节能任务将付之东流：若建筑节能采用无机保温材料则无法完成50%和65%节能目标。也无法完成未来国家节能减排的艰巨任务。将会造成对国家经济和能源巨大损失。根据建筑体系围护结构传热系数的要求，要实现节能率65%，墙传热系数必须达到0.40.6，要达到此要求，无机保

24、温材料难以达到必然被淘汰。（2）采用无机保温材料是历史倒退：欧美经济发达国家建筑节能材料发展历史是无机保温材料聚苯乙烯有机保温材料PU有机保温材料。正由于有机保温材料在建筑节能等方面比无机材料具有综合优势，而被这些经济发达国家广泛采用。若采取这种因噎废食作法，片面认为有机保温材料防火安全性能达不到要求干脆一律加以否决，这种做法是建筑保温材料发展史上一种倒退。（3）无机材料绝非理想选择：无机保温材料除防火性能占有一定优势外，本身存在环保性能差，吸湿性大，占地面积大，自重量大和含有危害人体毒性等缺点。从综合性能和综合经济效益评价无机保温材料并非建筑保温材料的理想选择。三、几点看法1、我国巨大的建筑

25、节能市场是拉动我国未来PU发展的主要因素，也是国际跨国公司瞄准的重点目标市场。建筑节能是国家不可动摇的既定国策。也是国家实现节能减排的一项重要举措。是确保我国国民经济持续平稳增长，人民生活水平不断提高，能源得到充分利用和保护地球环境的一项极为重要的政策。2、PU硬泡具有优越的保温性能、优良的力学性能和防水性能，是实现国家建筑节能目标不可缺少的一种理想建筑保温材料。国外发达国家十多年在建筑节能上成功应用，充分表明PU硬泡作为建筑节能保温材料，技术上是可行的，也是可靠的。3、PU硬泡作为外墙保温材料，必须做到节能与安全，保温与防火两者并重，两者缺一不可。PU硬泡用于建筑保温材料，其防火安全性能在技

26、术是可以达到的。国内PU硬泡保温材料今后努力方向是：提供生产出符合建筑节能要求，防火安全性能达标，性价比优良的产品。并尽早实现产品产业化、市场化和系列化。4、尽快建立符合中国国情的建筑外墙保温防火节能体系的评估办法。包括制订标准（符合科学性、合理性、可操作性）建立测试方法（符合客观性和可操作性），制订现场检测和监督管理办法等。5、建筑节能保温材料采用无机保温材料，并将有机保温材料一律拒之门外的作法值得有关部门深思。此种作法不符合建筑节能保温材料的科学发展规律，极大地限制了有机保温材料的合理发展，严重阻碍了国家节能减排的国策实施，将对国家能源、建筑和经济造成巨大损失。6、TVCC火灾案例有关专家已得出明确结论：TVCC火灾是建国以来建筑物火焰传播速度最快的案例，其内因是采用了具有快速火焰传播速度的XPS有机保温材料。TVCC火灾应引起国家相关部门深思。目前我国已有高层建筑近10万幢，其中100米以上的超高层建筑几千幢，未来30年，估计我国新建高层建筑近10万幢。在公用建筑高层建筑和超高层建筑保温材料应用上，必须深刻吸取TVCC惨痛教训，防止类似恶性事故重演。致谢：（1）上海市普陀区华校生教授为本文提供了宝贵资料在此表示衷心感谢！（2）房屋与城乡建设部政策研究中心黄荣对本报告给予了大力支持，在此也表示衷心感谢！2009年7月21日 于上海