1、ZL 无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料系统研究北京振利高新技术公司一、聚氨酯与建筑节能（一）硬质聚氨酯泡沫塑料在建筑节能领域中的应用建筑节能是硬质聚氨酯泡沫塑料的最重要应用领域之一。世界上很多国家对房屋建筑能量消耗都有明确的规定。这种规定，促进了硬泡在建筑节能中应用。现在，一些国家，硬泡在建筑方面的耗用量已居总量的首位。如美国，1996 年建筑用硬泡，占硬泡总耗用量的 49%，家用、商用冰箱等设备仅占 23.5%。硬质聚氨酯泡沫塑料是建筑物的屋顶、天花板、墙板、地板等部位保温节能的理想材料。窗架、窗扇、窗框、门框等构件则可用密度较高的聚氨酯硬质泡沫结构制作。而在我国建筑业，聚氨酯硬泡仅在屋面隔热防水，
2、以及冷库、大棚、粮库等保温隔热方面有一定应用，真正在外墙外保温领域的应用得还不太普遍。随着经济的发展，建筑节能工作的进一步深入，聚氨酯硬泡以其优良的保温隔热性能，理应在建筑节能领域占据一席之地。（二）开创绿色环保外保温体系1. 技术开发背景在国家节能政策及技术标准的推动下，我国建筑节能技术尤其是墙体保温隔热技术发展迅速，在国内出现了多种外墙外保温技术体系，呈现出一片“百花齐放”、“百家争鸣”的局面，确确实实降低了建筑直接能耗，缓解了国家资源紧张局面，减轻了燃油、烧煤等对环境的污染。另一方面，这些技术体系中有的材料运用本身又在消耗大量的宝贵自然资源。特别是那些紧缺、不可生资源，如石油、天然气等。
3、在节约了某领域能源，降低了某领域的环境污染后，又产生了另外领域的能源消耗，造成了另外领域新的环境污染，使经济可持续发展之路仍荆棘密布、充满险阻。因此从某种意义上说，这些体系与产品还够不上真正的绿色、环保体系。为此，如何发展墙体保温隔热技术，更深层次提高墙体保温隔热技术中环保节能观念，是从事这一技术领域中的企业、工作者面临的新挑战。作为建筑节能工作中墙体保温隔热技术的领头羊北京振利高新技术公司在这些方面经过了不懈努力，开发出的新一代 ZL 无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料（简称无溶剂聚氨酯硬泡）外墙外保温技术，率先在这方面进行了探索与尝试。12. 技术体系简介ZL 无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料复合 ZL 胶
4、粉聚苯颗粒保温浆料外墙外保温技术是北京振利高新技术公司完全依靠自己的科研力量，独立开发出的，拥有完全自主知识产权的一项新技术。该技术构造由保温层、多种界面处理层、轻质找平层、抗裂防护层、饰面层组成，有涂料饰面与瓷砖饰面两种做法。其中保温层采用新型保温材料-ZL 无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料，具有导热系数低，比强度高，绿色环保等特性。施工中运用自主开发的高压无气喷涂设备，充分保证了保温层施工的效率和质量。不同界面之间采用不同性质的界面处理剂，有效解决了有机与无机材料之间的粘接难题。轻质找平层采用极具特色的 ZL 胶粉聚苯颗粒保温浆料，很好地克服了聚氨酯保温层表面平整度控制问题，同时又给找平层材料增添
5、了多种新功能，使之具有质轻、阻燃防火、防老化、降低成本等特性。抗裂防护层采用本公司柔性渐变理念设计的 ZL 抗裂砂浆复合网格布（或热镀锌四角钢丝网）技术，能有效防止饰面层出现开裂。本技术融合了有机合成技术、有机无机复合技术，以及柔性渐变、无空腔等先进的保温技术理念。在充分保证整套技术的安全、稳定、成熟的同时，在每一层材料的研制开发过程中，更是遵循了资源的再生利用、可持续发展的新思维，使这套新技术在满足当今三步节能65%的需求基础上，本身材料的制造也充分体现了绿色、环保的新节能观念，使建筑节能工作有了更深层次的认识提高。3. 绿色、环保体现ZL 无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料外墙外保温技术在绿色、环保
6、方面的体现，不仅从建筑节能本身，而且从技术体系构成的各个层次上均能得到很好体现。3.1 聚氨酯保温层绿色环保设计从开发 ZL无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料保温层材料伊始，就考虑到这种材料的环保要求。首先，ZL 无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料完全无溶剂，对环境、对人员无损害；其次，不含氟里昂；克服了传统发泡材料运用氟里昂作发泡剂，给大气臭氧层带来损害的缺陷。充分体现了ZL 无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料的“环境友好”性能，完全符合当今聚氨酯泡沫工业的发展方向。再者，极低游离 TDI 的含量，本材料采用MDI 替代TDI作为聚氨酯黑料，避免了 TDI 对施工人员的伤害。最后，ZL 无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料所用多元醇
7、树脂完全采用自主开发的聚酯瓶（PET）回收技术，在变废为宝，消除“白色污染”的同时，对缓解石油、天然气危机具有重大意义。我公司开发的这套技术废弃聚酯瓶的利用率按质量比可高达 70%左右。统计计算表明，按三步节能的要求，2以北京地区为例聚氨酯保温层厚度达到 2.53cm 时，每平方消耗聚氨酯白料0.7kg 左右，则每平方可回收利用聚酯瓶约 25个（250ml/个）。200 万 m2 每年可回 收利用聚酯瓶5000万个（按我公司北京保温市场200 万 m2计）。折合成体积可消除白色污染约 1.3万 m3，若将这些聚酯瓶摊成 1000mm1000mm1000mm 的土堆，则有 1.3 万 km，大约
8、有两个长城长。若这套技术应用更广泛些，其环保节能效果更可想而知。3.2 面层配套材料的绿色环保设计ZL 无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料外保温技术中面层配套材料有轻质找平层材料ZL 胶粉聚苯颗粒保温浆料，防护层的 ZL 抗裂砂浆等。其中聚苯颗粒轻质找平材料中也是大量利用“白色污染”聚苯乙烯泡沫塑料作为轻质骨料，若按体积计算，其再生资源利用率可高达 80%，与之复合的无机材料胶粉料中又大量利用国家政策鼓励利用的固体废弃物粉煤灰，重量比可占60%以上。这两项固体废弃物的再生利用，无论以体积与质量比，均最大程度地综合利用了对人类环境造成严重污染的固体废弃物。减少一次环境污染的同时，又避免了二次环境污染，节约
9、了二级能源的同时，又避免了一级能源的浪费。同样，在抗裂防护层中，ZL 抗裂砂浆中利用了大量电厂固体废弃物-硅灰，再生资源利用率也高达30%以上（重量比）。ZL 无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料外墙外保温体系中各个层面充分考虑了资源的综合利用，对推动建立良好的循环经济体系，可持续发展战略，开拓出一条新路。在丰富外墙外保温节能技术体系的同时，更深层次、更广阔地拓宽了绿色、环保的新节能理念。二、技术体系构造及工艺说明ZL 无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料外墙外保温技术是北京振利高新技术公司为适应节能 50%深入普及和三步节能已提上部分建设行政主管部门议事日程的新形势而自主开发的、性价比优异的一种外墙外保温技术。该技
10、术采用现场聚氨酯硬泡喷涂进行主体保温，采取 ZL 胶粉聚苯颗粒保温浆料找平和补充保温，充分利用了聚氨酯优异的保温和防水性能以及ZL 胶粉聚苯颗粒外墙外保温体系的柔性抗裂性能，是技术先进、保温性能优良的外墙外保温体系。（一）体系构造设计1、根据饰面层作法的不同，本技术体系可分为 ZL无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料外墙外保温涂料饰面体系及 ZL 无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料外墙外保温瓷砖饰面体系两3种。2、 ZL 无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料外墙外保温涂料饰面体系由聚氨酯防潮底漆层、无溶剂聚氨酯硬泡、聚氨酯界面砂浆层、胶粉聚苯颗粒找平层、耐碱网布抗裂砂浆保护层及涂料饰面层组成，其构造设计具体如图 1。ZL 无溶
11、剂硬质聚氨酯泡沫塑料外墙外保温瓷砖饰面体系由聚氨酯防潮底漆层、聚氨酯硬泡喷涂保温层、聚氨酯界面层、胶粉聚苯颗粒找平层、锚固件、热镀锌钢丝网架增强抗裂防护层及瓷砖饰面层组成，其构造设计具体如图 2。体体体3d体4（二）工艺说明1. 施工程序2. 施工要点 2.1 对不符合混凝土结构工程施工质量验收规范 （GB50204-2002）和砌体工程施工质量验收规范 （GB50203-2002）要求的基层墙体，应采用水泥砂浆进行抹灰找平，基 层处 理配聚氨 酯 防潮底漆 涂刷聚氨 酯 防潮底漆配抗裂砂 浆预 制阴阳角聚氨 酯块 粘 贴 聚氨 酯 预 制 块喷 涂无溶 剂 硬泡聚氨 酯配聚氨 酯 界 面砂
12、浆 涂刷聚氨 酯 界面砂浆抹聚苯 颗 粒 浆 料找平抹抗裂砂 浆 压 入耐碱网 布裁剪耐碱网 布配柔性 腻 子刮柔性 腻 子外 墙 涂料施 工配抗裂砂 浆抹首遍抗裂 砂 浆用塑料膨 胀 锚 栓固定 热镀锌钢丝 网抹第二遍抗 裂砂 浆配面 砖 粘 结 砂 浆粘 贴 面 砖涂料 饰 面 面 砖饰 面4h后吊垂 线找平到 3mm5基层平整度修补后要求达到3mm。 。满涂聚氨酯防潮底漆，用滚刷将聚氨酯防潮底漆均匀涂刷，无漏刷、透底现象。2.2 吊垂直厚度控制线。在阳角、阴角或窗口处，安装预制的聚氨酯模块，并达到标筋厚度。2.3 对于墙面宽度2m 处，需增加水平控制线，做厚度标筋，然后开启聚氨酯喷涂机将
13、无溶剂聚氨酯硬泡均匀地喷涂于墙面之上，当厚度达到约 10mm厚时，按 30cm间距、梅花状分布插定厚度标杆，每 m2 密度宜控制在 9-10 枝。然后继续喷涂无溶剂聚氨酯硬泡，至与标杆头齐平（隐约可见标杆头） 。施工喷涂可多遍完成，每次喷涂厚度宜控制在1cm 之内。不易喷涂之部位可留待用 ZL 胶粉聚苯颗粒保温浆料处理。2.4 无溶剂聚氨酯硬泡保温层喷涂 20min 后用裁纸刀、手锯等工具开始清理、修整遮挡保护部位以及超过垂线控制厚度的突出部分。无溶剂聚氨酯硬泡保温层喷涂 4 小时后可做界面砂浆处理，界面砂浆可用滚子均匀地涂于无溶剂聚氨酯硬泡保温层上。2.5 吊胶粉聚苯颗粒找平层垂直控制线，按
14、设计厚度用胶粉聚苯颗粒作标准厚度贴饼、冲筋。2.6 胶粉聚苯颗粒找平施工1）抹胶粉聚苯颗粒找平时，应分两遍施工，每遍间隔在24h 以上。2）抹头遍胶粉聚苯颗粒应压实，厚度不宜超过 1cm。3）第二遍操作时应达到冲筋厚度并用大杠搓平，用抹子局部修补平整；30min后，用抹子再赶抹墙面，用托线尺检测后达到验收标准。4）找平层固化干燥后（用手掌按不动表面为宜，一般为 3-7d）后方可进行抗裂层施工。2.7 抗裂防护层及饰面层2.7.1 涂料饰面抹抗裂砂浆，铺压耐碱网布。耐碱网布按楼层间尺寸事先裁好，抹抗裂砂浆时，将34mm 厚抗裂砂浆均匀地抹在保温层表面，立即将裁好的耐碱网布用铁抹子压入抗裂砂浆内。
15、相邻耐碱网布之间搭接宽度不应小于 50mm，并不得使网格布皱褶、空鼓、翘边。首层应铺贴双层网格布，第一层铺贴加强型网格布，加强型网格布应对接，然后进行第二层普通网格布的铺贴，两层网格布之间抗裂砂浆必须饱满。在首层墙面阳角处设 2m 高的专用金属护角，护角应夹在两层网格布之间。其余楼层阳角处两侧网格布双向绕角相互搭接，各侧搭接宽度不小于 150 mm。门窗洞口四角应增加 300mm400mm6的附加网格布，铺贴方向 45。刮柔性腻子应在抗裂防护层固化干燥后施工，做到平整光洁。2.7.2 面砖饰面2.7.2.1 抗裂防护层保温层固化干燥后，抹第一遍抗裂砂浆，厚度控制在2-3mm。根据结构尺寸裁剪热
16、镀锌钢丝网分段进行铺贴，热镀锌钢丝网的长度最长不应超过3m，为使边角施工质量得到保证，将边角处的热镀锌钢丝网施工前预先折成直角。在裁剪网丝过程中不得将网形成死折。在铺贴过程不应形成网兜，网张开后应顺方向依次平整铺贴，先用 U 型卡子卡住热镀锌钢丝网使其紧贴抗裂砂浆表面，然后按双向500 梅花状分布用塑料锚栓将热镀锌钢丝网锚固在基层墙体上。阴阳角、窗口、女儿墙、沉降缝等钢丝网收头处应使热镀锌钢丝网固定在主体结构上。热镀锌钢丝网铺贴完毕经检查合格后抹第二遍抗裂砂浆，并将热镀锌钢丝网包覆于抗裂砂浆之中，抗裂砂浆的总厚度宜控制在 10mm2mm，抗裂砂浆面层应平整。2.7.2.2 贴面砖（1）弹线抗裂
17、砂浆达到一定强度时应适当喷水养护，约 7d 后即可按图纸要求进行分格弹线，面砖缝不应小于 5mm，并注意每六层楼按详图要求设一道20mm 宽的面砖缝，同时进行面层贴标准点的工作，以控制面层出墙尺寸及墙面垂直、平整度。（2）排砖根据大样图及墙面尺寸进行横竖排砖，以保证面砖缝隙均匀，符合设计图纸要求。大面和通天柱子、垛子处要排整砖，同一墙面的横竖方向上不得有一行（列）以上的非整砖，非整砖行（列）应排在次要位置上，如窗间墙或阴角等处。排砖时要注意整体的一致性和对称性，如遇突出件应用整砖套割吻合，不得用非整砖拼凑镶贴。（3）浸砖对于吸水率大于 1%的外墙面砖在镶贴前，应先将砖面清扫干净，并放入净水中浸
18、泡 2h以上，再取出将表面晾干或擦干。泡砖前应套方排砖，特别对规格、尺寸、平整、颜色等方面进行选择。吸水率小于1%的外墙面砖可直接干贴。（4）铺贴面砖先将基层喷水湿润，以不流淌为宜。在每一分段或分块内最下一层砖下皮的位置线上隐好靠尺，以便托住第一皮面砖，然后自下而上镶贴面砖。在面砖外皮上口拉水7平通线作为镶贴的标准，横竖向均匀甩缝 5mm，竖向缝隙挂双线，水平向挂单线但要在棱上跟线，在铺贴过程中及时吊垂直，防止出现垂直偏差。水平距离超过 3m 时，层高超过 3m 时以及中间腰线均应用 3m 靠尺检查。贴砖时，要在面砖背面抹上 5-8mm 厚的面砖粘结砂浆，然后将面砖贴在墙上，用灰铲柄轻轻敲打，
19、使之附线再用开刀调整竖缝，并用小杠通过标准点调整平面垂直度。使用中注意抗裂砂浆严禁加水。常温施工 24h 后要喷水养护，喷水不宜过多，不得流淌。口角砖交接处呈 45。2.7.2.3 面砖勾缝 使用 ZL 瓷砖勾缝胶粉勾缝和擦缝。勾缝时，先勾水平缝再勾竖缝，面砖缝要凹进面砖外表面 2mm，面砖缝勾完后用布或棉丝擦洗干净，勾缝后要适当浇水养护。勾缝完毕时应对大面积外墙面进行检查和清洗，保证整体工程的清洁美观。三、试验研究分析（一）材料试验研究1. 硬泡聚氨酯用聚酯多元醇树脂的研究用于硬泡聚氨酯的多元醇树脂有两类：聚醚多元醇和聚酯多元醇。以聚酯多元醇为基础的聚氨酯材料，通常都具有耐热性、阻燃性、力学
20、机械性能好、耐油、抗磨性能优越等特点。因此被广泛应用于聚氨酯硬质泡沫塑料。聚酯多元醇一般是使用二元酸和二元醇化合物为基础原料经缩聚反应制备的线形聚合物。近年来，为了减少环境污染、充分利用废弃有机材料，国外对使用废旧聚酯制造聚酯多元醇产生了浓厚的兴趣。11 理论依据醇解反应是将聚酯与小分子醇混合加热，在加入催化剂的情况下，聚酯被降解，然后再与小分子醇进行酯交换反应。醇解ooC2H4ccccoo n + HO OHRcatoccccooHO R OHR + EG812 研究内容为得到理想的产物，需要考虑多个醇解反应的影响因素。比如小分子多元醇的种类、用量、配比，催化剂的种类及用量，反应温度的选择，
21、以及反应工艺的控制等等。以下我们从小分子多元醇、催化剂和反应温度这三个条件详细论述。121 小分子多元醇研究发现，醇解剂的用量对产物性能影响很大。同一配方采用不同用量的醇解剂，产物的外观区别明显，如表一。醇解剂比例对产物的影响 表一醇解剂比例 1 2 3 4 5色泽 深黑 绿色 绿色 浅绿 浅绿相容性 分层 均匀 均匀 均匀 均匀醇解剂官能度对产物的影响。高官能度的醇解剂虽然可以提高产物的官能度，但是产物的粘度随着高官能度醇解剂用量的增加而增加。结果见表二。多元醇用量对体系粘度的影响 表二二元醇多元醇（质量比） 21 31 41 51粘度（mPas） 2000 2000 1500 1100为得
22、到官能度、粘度适中的产物，我们选用了几种多官能度物质，根据醇解剂与聚酯碎片的用量比在二比一到三比一的范围内，进行了大量的实验。最终选定了合适的多官能度醇解剂。所得产品的性能见表三。产品基本参数 表三酸值 羟值 官能度 粘度（mPas）醇解产物 2.0 600-700 23 2000122 催化剂9不同的催化剂除了对反应进程有影响外，还与反应工艺有一定的联系。我们选用了一种催化剂，在变化催化剂用量的同时考察反应时间对醇解反应的影响。醇解反应的终点通过测量醇解产物在有机溶剂中溶解程度的方法来决定：在醇解反应后期每隔半小时取一次样，并将样品冷却至室温，加入等体积比的 200号汽油和二甲苯混合溶液溶解
23、，若溶液没有悬浮物质，就可以认为醇解反应到达终点。见表四。催化剂用量对体系的影响 表四催化剂用量(%) 反应时间(h) 反应终点温度() 产率()0.05 6 200 800.10 6 210 940.20 6 220 940.30 6 220 94123 反应条件将 1 mol 的 PET 与 2 mol 小分子醇混合以及适量催化剂，分别在不同温度下反应。研究温度对醇解反应的影响。结果表明，温度每升高10 度，反应时间就会缩短 1-2 小时。由于在反应初期体系中存在大量的二元醇，温度过高会使部分二元醇馏出，因此反应初始阶段的温度应稍低于小分子醇的沸点。在确定醇解剂的种类、用量以及催化剂的用量
24、和反应时间后，反应的重复性关系到产品质量的稳定。为了验证在确定条件下，实验结果是否具有重现性，我们做了多次的重复实验。实验结果如下图所示。根据酸值和羟值计算出的平均分子量大概在 160-240之间变动。从图表来看，醇解产物的分子量都小于 400 g/mol，分子量符合需要，说明醇解反应进行的很完全。其次，尽管分子量大小有所浮动，但也在许可范围之内。13 结论采用废旧聚酯与小分子醇的混合物进行醇解反应，催化剂用量0.1%，反应时间 6小时，可以得到醇解反应完全的产物，产物质量基本保持稳定。产品性能见表五。产品性能 表五性能 外观 粘度（25） 羟值 酸值 发泡情况10指标 透明、澄清、无杂质30
25、01000（mPas）5001300mKOH/g3mgKOH/g 泡孔均匀细密、无收缩、无粉化、无脆性用聚酯废料来合成聚酯多元醇，工艺和设备要求简单，操作方便，为解决“白色污染” 、合理利用废旧聚酯资源提供了一种切实可行的方法。2、无溶剂聚氨酯硬泡材料的研究2.1 导热系数分析 作为保温隔热材料的硬质聚氨酯泡沫，导热系数是其一项重要指标，获得较低的导热系数、保持导热系数的稳定是聚氨酯硬泡材料研究中很重要的工作。实验表明，影响聚氨酯导热系数的因素很多，现就无溶剂聚氨酯硬泡的导热系数作具体研究。2.1.1 理论准备研究表明,硬泡聚氨酯的导热系数由几个因素构成。F=G+S+R+C其中：F硬泡的导热系
26、数G气相的导热系数S固相的导热系数 R辐射导热系数C对流导热系数研究表明，硬泡泡孔孔径很小，泡孔内气体对流传热可以忽略不计。通过泡沫的热传递，主要是传导传热，辐射传热较小。硬泡的导热系数大小，主要取决于泡孔内气体的导热系数值。气体导热系数愈低，泡沫的导热系数值也愈低。2.1.2 泡孔内气体成分的影响泡孔内的气体成分对硬质泡沫的导热系数影响很明显，同一配方中采用不同的发泡剂，其导热系数测试值的差别很大，如表 1。不同气体对导热系数的影响 表 1气体成分 导热系数 W/（mk）CO2 0.03011HCFC141b 0.018CO2、 HCFC141b 0.021由上表可见，当发泡剂采用 CO2
27、时，硬泡的导热系数较高，合理调配 CO2 与 HCPC-141b，可适当调节导热系数大小。2.1.3 陈化时间的影响聚氨酯在发泡过程中，随着物料粘度的增加，泡孔结构会不断加强，直至泡孔完全封闭形成闭孔。无溶剂聚氨酯硬泡甲料与乙料混合后，一般乳白时间 2-5 秒，不粘时间 10-20 秒，10-15 分钟开始硬化。对不同陈化时间的试块进行导热系数的检测,其结果如表2。陈化时间对导热系数的影响 表 2配方编号 密度（Kg/m 3） 陈化时间（h） 导热系数（W/mk）PU- 012 40.5 2 0.0225PU- 012 40.5 8 0.0228PU- 012 40.5 24 0.0230PU
28、- 012 40.5 156 0.0231由表 2 可见，无溶剂聚氨酯硬泡在成型初期，其导热系数偏低，放置 24 小时后,随着陈化时间的延长，泡孔结构逐渐稳定下来，其导热系数也趋于稳定。其原因是由于在成型初期，泡孔内发泡剂气体压力偏高、含量较大所致，随着陈化时间的延长，由于气体的扩散作用使得聚氨酯发泡后的泡孔结构有一个逐步趋于稳定的趋势。2.1.4 密度的影响硬质聚氨酯泡沫的导热系数与密度关系密切，随着密度变化而变化。一般情况下，其导热系数与密度成正比变化关系，如表 3 所示：密度对导热系数的影响 表 3试样编号 密度（Kg/m 3） 陈化时间（h） 导热系数（W/mk）（1） 31.0 48
29、 0.0223（2） 36.5 48 0.0182（3） 45.2 48 0.0212（4） 50.3 48 0.0238（5） 54.9 48 0.0234由表 3 可见，当密度值为35kg/m 3时，硬质聚氨酯泡沫的导热系数较低。硬质聚氨12酯泡沫比较理想的密度范围为了 3565kg/m3，此时导热系数均可维持在 0.180.25W/(mk)范围。当密度较小时，如小于 30kg/m3，导热系数反而增大，这主要是因为泡沫塑料密度过低时开孔结构比例增大，从而导致导热系数增大。2.2 闭孔率对聚氨酯性能的影响聚氨酯泡沫塑料是由无数连续的小泡孔组成。而泡孔是气相分散于聚合物中形成的无数细小多面体，
30、一般由泡孔壁与腔穴组成，腔穴之间可以是互相联通的即为开孔结构，如果是互不联通的则是闭孔结构。泡沫塑料的泡孔结构对制品性能有直接影响。聚氨酯泡沫塑料的许多物理性能都取决于它的泡孔结构。若是软泡，则需要开孔结构以赋予制品良好的回弹性；对硬质泡沫来说，泡孔以闭孔结构为宜，且闭孔率越高，制品吸水率越低，气密性越好，保温性能越优异。表 4 为不同闭孔结构对聚酯硬泡导热系数及尺寸稳定、吸水率的影响。不同闭孔结构对聚酯硬泡导热系数及尺寸稳定、吸水率的影响 表 4闭孔率 导热系数 尺寸稳定性 吸水率78.3% 0.033 1.35% 4.23%90.4% 0.024 0.68% 2.94%2.3 尺寸稳定性分
31、析硬质聚氨酯泡沫尺寸稳定性是指材料在特定环境（受热或受冻）放置一定时间后，互相垂直的三维方向上产生不可逆尺寸变化，这种变化的大小与硬质聚氨酯泡沫的原料种类、结构、密度、成型条件等因素有关。在湿度为 45%55%、温度为 232的条件下，通过对不同聚氨酯甲料配方A、B、C、D 自由发泡成型的试样作尺寸稳定性检测，其结果表 5。不同配方下聚氨酯尺寸稳定性的实验结果 单位：MPa 表 5长度方向变化率 % 宽度方向变化率 % 高度方向变化率 %配方编号2h 48h 7d 60d 2h 48h 7d 60d 2h 48h 7d 60dA -0.7 -1.2 -2.7 -3.2 -1.1 -1.9 -4
32、.0 -4.8 -0.3 -0.4 -0.7 -0.7B 0.3 0.4 0.4 1.6 -0.2 -0.3 -0.3 -0.3 0.4 0.5 0.6 2.0C 0.1 0.4 0.7 4.3 0.4 0.6 0.8 2.2 0.3 0.4 0.6 3.113D 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 -0.1 -0.1 -0.1 0.0 0.1 0.1E 0.0 0.0 0.1 0.4 -0.2 -0.3 -0.3 -0.3 -0.1 -0.2 -0.2 -0.2由表 5 可见，硬泡甲料配方 D 尺寸稳定性很好，2 小时、48 小时后的尺寸变化率几乎为零，1 小时、7 天、60 天
33、后的尺寸变化率也非常小，这说明如果采用配方 D制成的聚氨酯甲料在现场进行喷涂发泡，经过半个小时硬化，其线形尺寸-长、宽、高即可稳定。2.4 阻燃性试验聚氨酯硬泡与聚苯乙烯等其他有机高分子材料一样，要求它在火焰中完全不燃烧是不可能的，所谓阻燃是指达到某种规范或某个试验方法的一个具体标准。2.4.1 燃烧过程分析硬质聚氨酯泡沫的燃烧过程和一般高分子物质的燃烧过程相似。硬质聚氨酯泡沫与火源接触，温度升高，达到分解温度时产生可燃气体，这种气体与空气中氧气发生化学反应，达到比较激烈的程度，这就是燃烧。燃烧过程产生的热量，继续促使其分解，这样一直循环下去，直到硬质聚氨酯泡沫烧完为止。2.4.2 阻燃方法及
34、原理通过燃烧过程分析可知，燃烧发生的必要条件是热、氧气和可燃性物质。要阻止燃烧就得除掉这个条件中的一个或全部，或者把这三个条件与泡沫塑料隔离。添加阻燃剂的方法，达到阻燃化的目的，这是聚氨酯硬泡中应用的最为普遍的方法之一。添加型阻燃剂可分为：1）有机添加型阻燃剂。又可分为含磷类与含卤素类两种阻燃剂。含磷类化合物的阻燃剂是通过其燃烧时，在泡沫塑料表面生成保护层，这样可燃性气体较难生成，从而达到阻燃的目的；含卤素类的阻燃剂是通过其燃烧时生成卤化氢，卤化氢一方面吸收热量，另一方面覆盖于泡沫塑料表面，隔绝氧气，从而中断燃烧过程中的化学反应达到阻燃目的。2）无机添加型阻燃剂。品种不同，作用机理也不尽相同。
35、有机添加型阻燃剂与无机添加型阻燃剂复配使用，可以取得较理想的阻燃效果。2.4.3 试验方法及指标要求确定硬质聚氨酯泡沫塑料的难燃性，可以两个角度考虑。其一是水平燃烧（或垂直燃烧） ，二是氧指数。前者说明泡沫着火后燃烧速度以及火焰传播难易，后者说明泡沫着火的难易程度。根据 GB1800-89建筑物隔热用硬质聚氨酯泡沫塑料国家标准规14定，硬泡的阻燃性高低分成三级，阻燃 I 级是以 GB8333-87 测试，垂直燃烧时间必须小于30s，距离在小于250mm的泡沫；阻燃 II 级是以 GB8332-87 法测试，即水平燃烧法，燃烧时间要90s 以内，距离在 50mm 以内的泡沫；对非阻燃型硬泡，则无
36、燃烧时间与距离方面的要求。2.4.4 ZL 无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能无溶剂聚氨酯硬泡通过采用添加复合型阻燃剂方法，使其成型的泡沫塑料阻燃性达到表6 指标要求。ZL 聚氨酯硬泡材料的阻燃性能 表 6项目 指标要求 检测结果氧指数 % 26 27.0垂直燃烧法平均燃烧时间， s平均燃烧高度， mm302504.7170经国家化学建筑材料测试中心检测（测试报告编号：2003（S）048） ，ZL 无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能达到难燃性要求，满足建筑行业防火规范的要求。2.5 吸水率试验硬质聚氨酯泡沫塑料的吸水率，主要与泡孔结构有关，同时也受采样方法影响。一般情况下，泡沫塑料闭孔率越高
37、，泡孔尺寸越小，吸水率越低，去除硬泡表面结皮与否对吸水率试验的影响更大。去掉表面结皮后，硬质聚氨酯泡沫塑料密度越小、泡孔越大，闭孔率相对较小，因而吸水率较高；而不去结皮的硬质聚氨酯泡沫塑料吸水率随密度的高低变化不大。这主要是因为去掉结皮的试样表面基本上是开孔结构，因而吸水率略高；而不去结皮的试样，由于结皮致密，表层泡孔未破坏，保持完整的密孔结构，因而吸水率较低。现场喷涂外墙外保温施工，硬质聚氨酯泡沫塑料表面结皮绝大部分保持完整，对降低保温层的吸水率是大有好处的。2.6 粘结强度试验硬质聚氨酯泡沫塑料作为聚氨酯材料中的一种，与聚氨酯胶粘剂一样，由于其结构中含有极性基团NCO-，提高了其对各种材料
38、的粘结性，特别硬质聚氨酯泡沫塑料采用现场喷涂或浇注成型工艺，在混凝土或粘土砖等多孔状极性表面上反应成型，在物理、化学粘结力双重作用下，具有极佳的粘结效果。表 7 反映了不同基层墙体/材料15与聚氨酯的粘结强度检验实验结果。不同基层墙体与聚氨酯粘结强度实验值 表 7墙体 粘结强度 MPa 破坏面混凝土 0.32 聚氨酯断裂水泥砂浆 0.35 聚氨酯断裂实心粘土砖 0.30 聚氨酯断裂石棉板 0.28 聚氨酯断裂钢铁 0.33 聚氨酯断裂铝塑 0.32 聚氨酯断裂由表 7 可见，聚氨酯对各种基层附着力极强。不过，实验结果并未表明硬质聚氨酯泡沫塑料对基层的实际粘结强度，由于受本身硬泡强度的制约，实际
39、测得值是硬泡本身的抗拉强度。因此，在外保温喷涂硬质聚氨酯泡沫塑料时，硬泡与基层的粘结强度是由其本身的抗拉强度决定的，其实际粘结强度远大于本身的抗拉强度。这种特性在众多保温材料的粘结体系中是无法比拟的。2.7 抗压、抗拉强度试验硬质聚氨酯泡沫塑料与其它泡沫塑料如聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等相比，比强度高是其显著特点之一。一般情况下，硬质聚氨酯泡沫塑料的抗压强度250kPa，抗拉强度150kPa，较高的强度值使得硬质聚氨酯泡沫塑料用来构成建筑外墙外保温复合墙体时，保持复合墙体稳定性大有好处。硬质聚氨酯泡沫塑料的强度指标有抗压强度，抗拉强度等。其强度由其原料、配方、泡沫塑料结构等因素决定。同一配方条
40、件下，抗压强度和抗拉强度与密度关系密切，随着密度增加显著提高。同时试验表明：硬泡的抗压强度和抗拉强度还与方向有关，表现出明显各向异性，对于泡沫形成时上升方向与垂直于上升方向的强度值是明显不同的。硬质聚氨酯泡沫塑料的强度还与温度、陈化时间有明显关系，温度升高，强度下降；陈化时间越长，养护温度越高，强度越高。2.8 密度对聚氨酯性能的影响密度是硬质聚氨酯泡沫塑料的一项重要指标，它对硬泡的其他性能有明显影响。作为外墙外保温的硬质聚氨酯泡沫塑料，特别是现场喷涂型硬泡，考虑到其具有一定的承重性，在不作任何加强措施的情况下，载重量60kg/m 2，其密度应不少于35kg/m3，兼顾到保温性能，成本方面的因
41、素，其密度上限不应超过 60kg/m3。ZL 无溶16剂硬质聚氨酯泡沫塑料不同密度下的硬泡性能如表 8。密度对聚氨酯性能影响的实验值 表 8密 度（kg/m 3）抗压强度（KPa）抗拉强度（KPa）导热系数W/（mk）尺寸稳定性48h 后，%35 325 265 0.0202 -0.545 432 310 0.0193 -0.355 460 362 0.0192 -0.365 510 412 0.0205 -0.22.9 热膨胀系数分析硬质聚氨酯泡沫塑料的热膨胀系数受泡沫塑料密度的影响。在较宽的温度范围内，硬质聚氨酯泡沫塑料的线膨胀系数值变化不大；硬质聚氨酯泡沫塑料的密度增大时，其线膨胀系数略
42、有增加。一般情况下，硬质聚氨酯泡沫塑料密度在 192kg/m3 以下者，线膨胀系数为 4.510-57.210 -5/K 范围；当密度大于70kg/m 3，其线膨胀系数为5.010-5/K；密度为 30 kg/m3左右,则其线膨胀系数为 10.010-5/K。2.10 使用寿命分析硬质聚氨酯泡沫塑料的使用寿命问题，在硬泡工业化初期刚开始用作保温绝热材料时,尤其受到关注。经过几十年的实践证明，硬泡的耐老化性是经受得住时间考验的。冰箱、冰柜等冷冻冷藏设备上所用的硬泡，正常运行下自始自终都能满足保温绝热的需要。在保温领域，几十年来也积累了宝贵的科学数据。为了预测硬泡的寿命，PottsCG 等人进行了
43、研究，通过对几种类型硬质聚氨酯泡沫塑料的研究，发现泡沫塑料使用寿命的对数和温度的倒数大致上呈直线关系，利用实验结果并外推之，即可预测硬泡的使用寿命，如图，硬泡（1）在 130下，可使用 30年左右。至于在使用寿命期限内硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数会增加到何种程度，BallGW 研究后认为，室温下 25年后，HCFC-141b 发泡的硬泡导热系数增加值分别小于6.710 -3 W/（mk） ，可见在使用寿命 25 年范围内硬质聚氨酯泡沫塑料自始至终能保持良好的保温隔热性能。3、配套材料研究与分析3.1 基层处理材料的研究与分析现场喷涂或浇注硬质聚氨酯泡沫塑料，虽然本身对基层墙面就具有极佳的附着力
44、，但当基层墙面湿度过大的时候，会对聚氨酯发泡效果产生不良的影响，严重的时候甚至会出现起泡、脆化、粉化、分层起鼓等质量问题。这不仅会影响到聚氨酯硬泡保温17层的保温效果，而且会对保温层的持久性、稳定性带来危害。因而对基层墙面如混凝土、砖、水泥砂浆等进行处理是必要的。针对上述情况，我们研制开发了 ZL 聚氨酯防潮底漆，一方面，该底漆具有防潮、封闭水及水汽的作用，特别是在潮湿的雨季、基层新墙体完工后风干不彻底、以及基层墙体有流水残痕等情况下，更具效果；另一方面，这种底漆渗透性极佳，附着力牢固，能有效防止基层墙面上残留的浮灰对硬质聚氨酯泡沫塑料附着力的影响。其作用机理如下：通过聚氨酯树脂链段上含有的N
45、CO 基团，与墙面或空气中的水发生反应，交联固化成致密的防水保护膜，从而有效地阻止墙体所含水对硬质聚氨酯泡沫塑料发泡过程的影响。其技术指标如表 9 所示。ZL 聚氨酯防潮底漆的性能指标 表 9项目 单位 技术指标原漆外观 - 淡黄至棕黄色液体、无机械杂质施工性 - 刷涂无困难干燥时间表干实干hh424附着力干燥基层潮湿基层级级11耐碱性 - 48h 不起泡、不起皱、不脱落 3.2 聚氨酯表面处理材料研究与分析3.2.1 聚氨酯界面砂浆的作用与性能现场喷涂聚氨酯硬泡成型之后，表面会形成一薄层致密坚硬的结皮，对提高聚氨酯强度，抗冲击性，降低吸水率，维持导热系数稳定等均大有好处。但另一方面，这样的表
46、面作为下一步工序的基层表面，特别是浇注成型的部分，表面还残留大量的脱膜剂，对于以无机胶凝材料作为主要粘结剂的胶粉聚苯颗粒进行找平，如何保证其与硬质聚氨酯泡沫塑料表面的粘结效果是不利的。因此，对硬质聚氨酯泡沫塑料表面进行界面处理是必不可少的，否则，找平材料直接抹在硬质聚氨酯泡沫塑料表面，易出现分层起鼓、脱落、开裂等不良现象。基于上述问题，我们研制开发了 ZL 聚氨酯界面砂浆。该界面砂浆采用具有特殊粘结功效的高分子乳液为主要粘结剂，同时复配适量的无机胶凝材料，作为辅助粘结剂，使得界面砂浆同时对硬质聚氨酯泡沫塑料表面以及无机材料均具有良好的粘结效果，18从而可以将聚氨酯保温层与胶粉聚苯颗粒找平层牢固
47、地复合在一起，同时也对硬质聚氨酯泡沫塑料表面起到一定的保护作用，防止硬质聚氨酯泡沫塑料喷涂后表面暴露在阳光照射中发生黄变、粉化等不良现象。表 10 为聚氨酯表面未处理和经界面处理后的粘结强度的实验值。聚氨酯表面未处理和经界面处理后的粘结强度的实验值 表 10未界面处理PU 表面 界面处理 PU 表面项目浇注 PU 表面 喷涂 PU 表面 浇注 PU 表面 喷涂 PU 表面粘结强度 MPa 0.05 0.08 0.22 0.23破坏面 界面处破坏 界面处破坏 找平层破坏 找平层破坏注：找平材料采用 ZL 胶粉聚苯颗粒保温浆料。ZL 聚氨酯界面砂浆可采用滚涂、扫涂、刷涂等多种方式施工，施工容易。其
48、技术指标如表 11 所示。ZL 聚氨酯界面砂浆的主要性能指标 表 11项目 单位 技术指标容器中状态 - 搅拌后无结块，呈均匀状态施工性 - 刷涂无困难低温贮存稳定性 - 3 次试验后，无结块、凝聚及组成物的变化常温常态 0.70耐水 0.50拉伸粘结强度， （与水泥砂浆）MPa耐冻融 0.50常温常态 0.20 且聚氨酯破坏耐水 0.20 且聚氨酯破坏拉伸粘结强度， （与聚氨酯）MPa耐冻融 0.20 且聚氨酯破坏3.2.2 影响聚氨酯界面砂浆粘结效果的因素分析聚合物乳液的粘结性能以及聚灰比对聚氨酯界面剂的粘结性能有很大影响。表12、图 6 分别显示了不同聚合物乳液组合及聚灰比对粘结性能的影响。不同聚合物乳液组合对粘结性能的影响实验值 表 12粘接强度（与聚氨酯硬泡）乳液编号常 态（Mpa）浸 水（Mpa）冻 融（Mpa）施工性A 0.42 0.41 0.42 良好B 0.39 0.40 0.40 良好C 0.15 0.13 0.13 良好19D 0.10 0.09 0.08 偏稠由表 12 可见，当选择乳液时 A 与乳液B 组合时，聚氨酯界面砂浆的粘结性能良好，同时施工优良。常态下随着聚灰比的增大，界面砂浆对聚氨酯硬泡表面的粘结强度随之不断增大；但浸水后的粘结强度变化情况并非如此，当聚灰比增至一定值时，浸水后的粘结强度反而下降。当维持聚灰比在 0.4 左右时，常
