聚氨酯材料在建筑中的应用
作者：鲁文娟
(陕西铁路工程职业技术学院建筑工程系 陕西省渭南市 714000)
来源：建材与装饰 2020年第7期
摘要
本文简要介绍了聚氨酯材料以及在建筑领域的应用，同时就阻燃型聚氨酯材料的研究进展、聚氨酯建筑用材料做了国内外综述，阐述了聚氨酯材料在建筑领域应用的重要意义。
关键词
聚氨酯；阻燃；建筑
引言聚氨酯是一类新型高分子聚合物材料，被誉为“第五大塑料”，因其卓越的性能而被广泛应用于化工、轻工、电子、建筑、建材、航天、航空、国防、汽车等众多国民经济领域。聚氨酯材料具有优良的隔热保温性、无腐蚀性、防震性、密度可调性、耐水、耐温、耐化学腐蚀、耐盐雾霉菌等性能特性，使得在其在各个领域的适用都非常广泛。我国对节能减排要求越来越高，随着硬质聚氨酯泡沫保温制造技术的发展，聚氨酯硬泡越来越备受建筑保温行业的瞩目，聚氨酯在建筑外墙保温方面的应用技术研究也在近几年开始起步。
1 聚氨酯材料 聚氨基甲酸酯，简称聚氨酯（英文缩写为PU），是分子结构链上含有重复氨基甲酸酯基团的大分子化合物的统称，由多异氰酸酯、聚醚多元醇或聚酯多元醇或小分子多元醇、多元胺或水等扩链剂或交联剂等原料反应制成的聚合物。通过改变原料成份及各成份占比比例，能够很大程度上改变物质的形态和性能，制得从松软到强硬，并且具有各种其他特性的材料。聚氨酯的物理形态种类繁多，可以制成软质、半硬质或者硬质的泡沫塑料，因此被广泛应用于建筑业、制造业、农业、交通运输业、医疗等多个领域。
一般硬质聚氨酯泡沫材料由聚醚多元醇、多异氰酸酯等主要原料，以及发泡剂、催化剂、泡沫稳定剂等助剂合成。主要反应过程如下图所示。是一个二级反应，反应速度随着羟基含量二变化，不随异氰酸酯浓度而改变。
反应（1）异氰酸酯与羟基的反应属于“凝胶反应”，多元醇与多异氰酸酯反应生成高相对分子质量聚合物。反应（2）属于“发泡反应”，异氰酸酯与水反应生产取代脲和二氧化碳。在发泡中，控制这两个主反应速度至关重要，一般通过催化剂的用量对反应速度进行控制。在聚氨酯材料的分子结构中主要分为硬段和软段，硬段是由含有苯环结构的高度交联聚合部分组成，影响材料的硬度、尺寸稳定性性等；软段是由长链分子构成，对材料的韧性影响极大。
2 建筑用聚氨酯材料 聚氨酯材料被优选为保温材料主要是由于其特有材料性质十分满足建筑用材要求。一般建筑用聚氨酯硬质泡沫的密度只有30~50kg/m3、抗压强度大于200kPa、拉伸强度也高于150kPa，另外聚氨酯材料90%以上的闭孔率将其导热系数控制在0.02W/（m·k），表现出的保温性能远高于常规玻璃棉、岩棉、发泡水泥等无机保温材料。聚氨酯高聚物做为一种优良的建筑外墙保温材料，不可避免的有易燃的缺点。聚氨酯的氧指数仅有19%左右，而大气中O2百分占比为21%，也就是聚氨酯材料一旦在大气中点燃就能进行燃烧，因此聚氨酯被称为易燃材料。并且其材料结构中碳氢支链比较多，很容易持续燃烧，与此同时还会产生许多有毒烟雾，使我们的生命和财产安全产生非常大危害。
为提高聚氨酯保温材料的防火阻燃性能，国内外进行了大量有关聚氨酯保温材料阻燃安全性的研究。添加阻燃剂阻燃和结构型阻燃这两种方式是聚氨酯泡沫实现阻燃主要途径。添加阻燃剂阻燃包括卤系、磷系、氮系和硼、铝的化合物等。不过大多卤系阻燃剂会降低材料的力学性能、热稳定性差。结构型阻燃是通过改变聚氨酯材料的结构，使其遇火燃烧时聚氨酯结构表面形成紧密的碳化层，从而有效阻止火势的蔓延，与常用的保温材料相比，聚氨酯材料通常是安装在建筑物外墙上，可将冷空气隔绝，从而进行保温。聚氨酯材料厚度较厚，能够将整个房屋建筑有效封闭，而且不管是无机保温砂浆还是保温板材，都含有较多空隙和颗粒，也能起到隔音的作用。
2.1 国外进展
20世纪30年代德国OttoBayer教授最早研究制得聚氨酯，采用的是多异氰酸酯与多元醇化合物进行加聚反应，随后并将其进行了工业化生产。20世纪40年代中叶，美国和英国借鉴德国聚氨酯材料的生产加工技术，开始了工业化生产。20世纪50年代中叶，日本也开始引进聚氨酯工业化生产技术。我国聚氨酯工业于20世纪50年代末开始起步，随后研究和生产发展的速度都比较快。纵观聚氨酯全球生产产量，2010年全球总产量不到2000万t，2016年全球聚氨酯产量增加至2340万t，同比增长3.91%。这七年间，全球聚氨酯产量年复合增长率为4.53%，预计全球聚氨酯产品总产量将达到2420万t。未来几年，全球聚氨酯消费量将持续5%以上的增长速度，保持快速增长原因是有两个：①聚氨酯能够替代木材、金属、橡胶等多种材料；②发展中国家市场消费不断增加。具体来看，家具和内饰领域约占全球聚氨酯需求的29.35%；第二大应用领域是建筑工业，占21.73%；此外，电子产品应用领域占比9.42%。聚氨酯材料在欧美这些发达国家的建筑保温材料中大概占有49%，在全世界建材应用领域中占有15%的市场份额，而我国这一比例尚不足1/10。
2.2 国内进展
我国聚氨酯工业开始发展始于20世纪50年代末。近些年我国的国民经济发展进入“高铁”时代，近十多年发展迅速，聚氨酯行业在原料制备、机械设备和基本制品等方面，已具有较大的规模和世界前列的技术水平。
中国是全球聚氨酯最大生产国，占全球聚氨酯产量的45%左右。而近年来，随着中国等新兴国家经济发展的不断壮大，带动聚氨酯下游行业冰箱、家具和床品等消费品的需求，同时汽车拥有量的不断增长也推动了聚氨酯需求增长。此外，国家政策对保温材料的有效刺激，也进一步推动聚氨酯市场扩大。因此，随着中国经济的进一步发展，中国市场将成为最大的聚氨酯消费市场之一。
2015年5月1日，我国《建筑设计防火规范》（GB50016—2014）发布，其在第六章第七节中明确规定了保温材料的使用范围，其大致的使用原则为禁止使用B3级保温材料，严格控制使用B2级保温材料，推荐使用A级与B1级保温材料，是迄今为止我国最严格的防火规范。与2013年我国开始实施的《建筑材料及制品的燃烧性能分级》（GB8624—2012）结合来看，如果有机保温材料想要继续占领保温材料市场重要份额的话，其氧指数必须保持在30%以上。
在亚洲地区，我国是聚氨酯领域最大的消费市场和生产基地。迄今为止，聚氨酯被认为是保温节能领域性能最为优异的材料。随着我国建筑经济的快速增长和建筑节能的要求越来越高，聚氨酯在建筑方面的发展应用和其阻燃保温性能的研究也会越来越广泛，其发展应用前景非常可观。
3 结语
聚氨酯材料作为建筑材料应用施工成本低、操作简单、性能优越，在保温系统的保温效果更好，但在阻燃性能方面还有待进一步研究，以期尽快实现产业化。随着聚氨酯行业的快速发展，我国聚氨酯行业将会有巨大的发展，因此研究聚氨酯材料在建筑中的发展及应用意义重大。
