聚氨酯在建筑业上的开发应用

随着生活水平的提高，居住条件不断改善，在寒冷的冬天，房屋需加热以取暖；在炎热的夏季，房屋又需冷却以降温，住宅的加热与冷却都要消耗能量。同时，建筑物的设计与建造必须考虑绝热保温，提高能源效率，降低能量消耗。聚氨酯是最好的绝热材料，由于其良好的加工性能，可以制成泡沫，软、硬等各种不同类型的材料，可以极大地降低各类建筑物的能量消耗。相同条件下使用各种不同绝热材料的相对厚度如下：聚氨酯50 mm；聚苯乙烯80 mm；矿棉90 mm；软木100 mm；纤维板130 mm；软质木材280 mm。聚氨酯硬质泡沫塑料重量轻、比强度大、隔热、隔音、隔潮、耐腐蚀、防渗漏，具有极佳的粘结性能，既可现场施工、又可预制成构件组装。可满足建筑物减轻重量，降低造价，节能降耗等诸方面的需要，因而被广泛地用作工业及民用建筑、商业建筑、冷库等的墙体、地板、屋面、天花板等结构的建筑材料。因此，世界建筑业聚氨酯硬泡的发展及应用迅速，1965年用量仅为1万吨，1975年为18万吨，1977年为30万吨，1984年50万吨，1999年增加到100万吨以上。
我国1992年建筑用聚氨酯消耗量仅为1万吨左右，表明聚氨酯在建筑业上的应用刚刚起步。建筑业的节能问题尚未引起重视，我国建筑能耗已占全社会总能耗的25%，是全国工业结构中的能耗大户。我国北方现有住宅90%以上为混合结构，其能源效率是极其低下的，与气候条件相近的美国相比，建筑外墙的能源效率仅为国外先进水平的18%，屋顶的能源效率仅为20%，外窗能源效率仅为35%，门窗的气密性能为17%，单位建筑面积采暖能耗为国外先进水平的3倍。因此，开发聚氨酯在建筑业上的应用，对提高我国建筑物能源的效率和质量，降低造价都具有极其重要的意义。
一般，聚氨酯在建筑上的应用类别可分为：聚氨酯硬泡建筑结构材料、喷涂聚氨酯绝热层、聚氨酯胶粘剂和密封剂、聚氨酯涂料等。
1．聚氨酯硬泡建筑结构材料
美国出现的一种组合式房屋，其建造法是把木制梁装配成整体式框架，再把墙板敷于其上，这种特制的应力面板是在两块厚板胶合板中间夹一层14cm厚的聚氨酯等绝热材料而制成。这种组合式房屋的优点是其造价仅为传统梁柱结构的一半，施工期大大缩短，并可有效的节能。因其墙体内充满了聚氨酯绝热材料，故其能耗仅为传统住宅的一半左右。
目前，已开发出的聚氨酯硬泡沫的建筑结构材料主要有以下几种：复合板材、以聚氨酯硬泡为芯板、薄钢板、铝板为面料的夹心板材。其结构强度高、绝热性好、阻燃性强、使用寿命长。聚氨酯泡沫混凝土，在聚氨酯泡沫中添加陶土、水泥等填料，用于建造外墙、地板、铺设和修建公路、敷设地下管线。增强型聚氨酯硬泡，由玻璃纤维增强的聚氨酯硬泡层压板材已用于墙体和屋顶等结构中。聚氨酯沥青泡沫，由聚氨酯硬泡组分同沥青乳浊液混合发泡制得，其强度高，隔音效果好、尺寸稳定，可用作建筑物的隔音材料和接缝材料。
其它的聚氨酯硬泡建筑结构材料还有：利用废旧聚氨酯硬泡再生后制得的用于保温的夹芯板材；在聚氨酯硬泡上喷涂混凝土制得的复合建筑材料；用于建造外墙的聚氨酯硬泡陶瓷板；具有杀虫效能的聚氨酯硬泡。
聚氨酯硬泡建筑结构材料常用的加工方法有连续层压法、压机注射法、块状生产法及垂直层压法。
2．喷涂聚氨酯绝热层
喷涂法是将反应物料直接喷涂于屋顶或外墙，几秒钟内泡沫表面即固化。喷涂聚氨酯硬泡的屋顶，能起到良好的绝热防渗漏的作用。为防止日光直接照射、喷涂的泡沫体表面一般用弹性薄膜、金属薄板或混凝土层保护。
对我国现有建筑物的节能改造，若将北向、西向的窗户更换为单框双玻璃，将周边外墙直接喷涂30 mm厚板硬质聚氨酯泡沫绝热层。经这样处理的建筑物，其能源效率等有可从原来的2.4~2.9提高到5.8~6.0。这种喷涂的硬质聚氨酯泡沫塑料绝热层目前我国技术已比较成熟。
3．聚氨酯胶粘剂和密封剂
聚氨酯密封剂主要有单组分和双组分两种类型，单组分施工方便，双组分交联快，性能较好。1990年美国聚氨酯密封剂的单、双组分类型之比接近1。1990年~1999年美国聚氨酯密封剂的销售量由2.8万吨增加到4万吨左右，平均增率约7%。我国的聚氨酯密封剂尚处于试生产及应用阶段，其市场主要在建筑部门，如建筑物的嵌缝，在装配建筑物外墙壁材、内饰材和天花板等时，为了达到结合缝的防水、防尘的目的，需要涂布密封剂、混凝土构件连接密封，高速公路和机场跑道伸缩缝的嵌填亦用密封剂。
国外开发的一种湿固化聚氨酯胶粘剂用于生产石棉——水泥/聚苯乙烯泡沫层板，还用于建筑木结构和门窗件粘接，未充分干燥的木材亦能粘接。该胶系中性，不浸蚀木组织，胶不含填料，涂层薄，可取代间苯二酚甲醛树脂。
4．聚氨酯涂料
（1）聚氨酯丙烯酸溶液型涂料，用于外墙面涂装，系双组分涂料，聚氨酯组分作为固化剂，可分为脂肪族聚氨酯和芒香族聚氨酯两种。前者比后者有更好的保光保色性和耐发黄性。经聚氨酯固化的丙烯酸溶剂漆比一般的丙烯酸溶剂漆有更高的硬度，不易玷污，保光保色性更好。
（2）水性聚氨酯涂料：常温下干燥快、对各种底材附着性好，具有优异的光泽、耐水性和耐候性等。国外水性聚氨酯涂料的研究和应用已形成高潮，已在建筑涂料中被广泛的应用。
（3）仿瓷聚氨酯涂料：目前美国已开发出一种聚氨酯高效地板涂料，用于保护混凝土地面，耐酸、碱、盐、有机溶剂以及油和化学试剂的腐蚀，具有极其良好的装饰、耐冲击性能，容易清洗，因而能减少维修和维护的费用。
防水聚氨酯涂料：用于防止浴厕间，外墙板板缝以及地下室等工程的渗漏水。
单组分聚氨酯清漆：用于涂覆水泥地面作装饰保护涂层。
我国聚氨酯工业还是一个刚刚兴起的新型工业，尚有许多新技术、新产品急需开发，有许多迅速发展的应用市场急待开发开拓，经济效益与市场发展前景均十分看好。

聚氨酯在建筑保温中的应用

被动式房屋

聚氨酯(PU)在建筑中最主要的应用之一就是硬质泡沫塑料用于保温——比如工业厂房用的夹芯板或用于屋顶保温的板材，都可以使用聚氨酯硬质泡沫塑料。正是在建筑领域，PU硬质泡沫塑料得到最重要的应用。之所以如此，是因为其导热系数极低，大大低于发泡聚苯乙烯(EPS)的导热系数值。50mm厚的PU硬质泡沫塑料的保温效果相当于80mm厚的EPS、90mm厚的矿棉、100mm厚的软木、280mm厚的木板或760mm厚的混凝土。

PU的保温性能

　　目前用于保温的大多数PU硬质泡沫塑料的体积密度约为30kg/ｍ3，质量很轻，但仍能承受机械荷载并且硬度很高，这使其成为在坚固抗压结构建筑中的理想材料。PU的保温效果主要来自于由发泡剂发泡产生的小孔。由于PU硬质泡沫塑料属闭孔结构，故而其不会因为毛细管作用产生吸水而使保温性能下降。它不含甲醛，故不会对环境造成污染危害；同时它不受细菌和微生物的侵袭，具有中性的微生物特性；可锯、易切割，可针对各种要求完成定制保温层的铺设。

　目前，PU硬质泡沫塑料保温产品主要有两种生产工艺：一种是连续或间断式板块工艺，另一种是连续式泡沫卷材生产工艺。在间断式板块生产中，反应混合原料被注入开放的模子中，经发泡后的半成品被切割成一定大小的板块或用机器加工成不同形状的部件。在管道保温中，如果管道直径较大，不能直接通过旋转浇铸法将ＰＵ硬质泡沫塑料保温层包覆在管道外面，就需要使用这种间断式板块工艺生产的硬质ＰＵ板块来作管道的保温层。

　在连续式泡沫板块生产工艺中，PU混合原料在两层面板之间进行发泡，面板可以采用柔性材料，也可以采用刚性材料，比如金属板和木质板材，这样生产出来的夹芯产品或金属面层的夹芯板材在工业建筑中得到广泛的应用。产品的长度可根据需要在生产中进行调节。

PU硬质泡沫塑料保温材料的保温性能以其导热系数表示，为0.019～0.024W/ｍ•K　，低于空气的导热系数 ——0.025w/ｍ•K。但是，硬质泡沫塑料的保温效果往往并非根据刚生产出的产品导热系数测量值来衡量，而是根据预设的特征值来衡量。在德国，保温材料的特征值通常用导热系数等级（WLG）来表示。带空气致密表层（如铝箔）的PU硬质泡沫塑料板块保温性能可达WLG025(导热系数理论值：0.025W/ｍ•Ｋ)，若无表层或表层为疏松结构（如纸、无纺布等），其保温性能仍能达到WLG030。同类产品聚苯乙烯硬质泡沫塑料(EPS和XPS)以及矿棉纤维产品的保温性能仅为WLG035和WLG040。

德国现行的标准规定，住宅建筑屋顶保温性能须达到传热系数0.22W/ｍ2•Ｋ　，为达到这一要求，可采用1400mm厚、WLG030或110mm厚、WLG025的PU板材。屋顶结构宜采用较薄的保温层。

　对一幢采用PU硬质泡沫塑料板块进行屋面保温的独立建筑进行能量守恒模型计算，结果证明，使用1m3、WLG025的PU，可在50年内节省6.55万kwh的能量。生产PU硬质泡沫塑料所需的能量在第一个采暖期内（房屋投入使用后仅8个月）就能得到回收。

“被动式”房屋保温

　　 PU硬质泡沫塑料的卓越保温性能在“被动式”房屋中得到很好的体现，“被动式”房屋严格遵守现行法规对建筑保温的规定，其只能配备传统新建建筑全年采暖所需能量的15%－20%，在这样的房屋里，一间20ｍ2的房间只需2个75瓦的灯泡就能满足取暖的需要。
　由于建筑墙体不能过厚，这种房屋要求使用导热系ESE_GB23数极低的保温材料。在德国Viernheim的一栋被动式房屋中，采用了Puren Schaumstoff公司PU硬质泡沫塑料解决保温问题。建筑的墙体采用30cm厚、WLG030的PU硬质泡沫塑料作保温层，最终墙体的传热系数降低至0.10W/ｍ2•K　。如果这些墙体采用EPS作保温层，那就需要再增加约10cm的厚度。由于这里采用了较薄的保温层，房屋的居住面积增大了6.3ｍ2以上。增加的居住面积使得PU高于EPS的材料造价得到较快的抵偿。与EPS相比，PU与水泥基层的粘合性更好，使得“外保温饰面系统”与外墙面更好地结合。

坡屋顶保温

　　 PU硬质泡沫塑料可以砌块形式贴到外墙体上。如今，随着屋顶空间越来越多地被用作居住空间，屋面保温显得越来越重要。建筑坡屋面使用得最多的技术就是屋面整体保温，通过在屋椽上方铺设PU保温板块来阻断热桥。这种保温方法可使下面的屋顶结构得到保护，免受温差大幅波动和水汽侵袭的影响。使用特殊榫槽接合结构的PU板块，使板材搭接紧密，可以确保高度均匀的保温效果，大大提高屋顶结构的不透风性和隔声效果。

　　也可以在屋椽之间铺设保温层，因为PU硬质泡沫塑料可以很容易地切割成各种不规则形状，以适应椽木之间的不规则空间。但是这种保温方法有个缺点，就是木头的椽子形成了热桥，并且屋顶的不透风性要通过增加其他措施来实现（铺设薄膜）。当仅仅是阁楼需要翻修时，掀开屋顶是不大可行的，这种情况下保温层就不能铺设在椽木上方，而必须铺设在椽木的下方了。这时ＰＵ硬质泡沫塑料是最受推崇的保温材料，因为其限制的楼面面积以及阁楼高度都比其他保温材料要少。

　　 PU硬质泡沫塑料能够达到对建筑保温材料较高的防火性能要求：在建筑应用中，阻燃等级分为B1(高度阻燃)和B2（一般阻燃）两个等级。虽然PU是聚合物，但它在燃烧中呈现惰性，并且不会产生熔融的燃烧性物质。这一特性有效地减少了熔融导致火势蔓延的危险。用PU硬质泡沫塑料生产的屋面保温材料很容易达到DIN4102第七章对刚性屋面的防火性能要求——它们能够抵抗飞溅的火星和辐射热。总的来说PU硬质泡沫塑料的抗压强度（坡屋面为0.10N/mm2）足够承受交叉压条、挂瓦条、屋面瓦以及风雪荷载等静荷载。在ＰＵ板块上方铺设铝箔层，确保水蒸气不能透过。屋顶开口处如雨水沟的密封可采用现场发泡系统而将“异物”排除在外。

平屋顶保温

　　在铺设平屋顶时，屋面材料的热稳定性是主要因素。PU硬质泡沫塑料可承受短时间内被加热至250℃的高温，这一性能使其可在热沥青中完成铺设施工。屋顶长期的温度波动范围在－30℃到＋90℃之间，而PU硬质泡沫塑料能够承受光长期照射在平屋顶密封层的深色表面所产生的高温。除了热稳定性，ＰＵ硬质泡沫塑料还显示出长期的耐久性。

　　较高的抗压强度以及特别突出的抗油/汽油性能也使PU硬质泡沫塑料成为承受人流较多的平屋顶、地窖顶或完整多层停车场屋顶的理想保温材料。这些场合所用的硬质泡沫塑料抗压强度须增加到0.15MPa。

　　不仅硬质泡沫塑料保温板块在屋顶中得到应用，而且那些由金属面板和PU硬质泡沫塑料芯材组成的轻质高强的夹芯板也在工业建筑中得到越来越广泛的应用，此外这类夹芯板也可用于体育馆和展馆的建设。这里，金属面板通常使用钢板，特殊场合也可采用铝板。

在墙体中的应用

　　由于质轻、内在强度高，这种大面积的PU金属夹芯板的长度可达数米。防腐涂料（包括双组分聚氨酯清漆）保证了板材所必需的抵抗空气污染的能力。用这种市场上出售的金属－PU夹芯板体系，可以建造包括门、窗节点在内的完整仓库，而只需很短的建造时间并能适应任何气候条件。导热系数等级为025的PU硬质泡沫塑料保证了较高的保温效果——足够建造的冷库，甚至只需很薄的墙体厚度。钢板或铝板面层增加了板材的稳定性，同时能保证必要的空气、水和水蒸气致密性。

　　不燃金属面层也是评价这类板材防火性能的一个不容忽视的因素。金属面层阻止氧气进入板材内部与泡沫塑料芯材接触，因而不会引起芯材的直接燃烧。PU材料会在一定温度以上产生热解，并产生可燃气体。但是这种热解作用只有在离热源很近的地方才会产生。因此PU材料本身不会引起火势的蔓延。其燃点也高于木材。

窗户保温

　　建筑物的能量有1/3是从窗户流失的 ——不仅通过窗玻璃，而且通过导热的窗框。但是，通过对窗框结构进行妥善合理的设计，可以将能量损失减少到最低限度。采用ＰＵ硬质泡沫塑料窗框芯的窗户保温性能可达传统木框窗的２倍。例如，采用在风荷载下仍能保持不透风的抗扭铝型材，窗框内贴硬质ＰＵ泡沫塑料保温层，就完全可以满足德国保温法规的要求。为防止窗框部位产生热桥，这些部位也要进行保温。型材边角采用ＰＵ硬质泡沫塑料进行保温，窗户总体传热系数可达0.66 W/ｍ2•Ｋ　。

地面保温

相对较薄的PU保温层在室内地面保温时，无论是地面上进行保温还是在楼板下铺设保温层，都特别有用。一般地面保温层只需20－40mm厚的PU硬质泡沫塑料板块就足够；如果要敷设地面采暖管线，则可采用经特殊发泡或钻孔的板材。PU硬质泡沫塑料还在长期压力荷载下保持较好的稳定性，当地面采暖、温度升到40℃时也能保持相同的稳定性。