ZL无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料系统研究

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，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。

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。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。

2. 技术体系简介

ZL无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料复合ZL胶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，以北京地区为例聚氨酯保温层厚度达到2.5～3cm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1000mm×1000mm×1000mm的土堆，则有1.3万km，大约有两个长城长。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。

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。

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

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3－4mm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。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300mm×400mm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10mm±2mm，抗裂砂浆面层应平整。

2.7.2.2 贴面砖

（1）弹线

抗裂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，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45º。

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。

1．1 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

1．2 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，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。

1．2．1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）	2∶1	3∶1	4∶1	5∶1
粘度（mPa·s）	＞2000	2000	1500	1100

 

为得到官能度、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（mPa·s）
醇解产物	＜2.0	600-700	2－3	＜2000

 

1．2．2 催化剂

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，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	80
0.10	6	210	94
0.20	6	220	94
0.30	6	220	94

 

1．2．3 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。

1．3 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
指标	透明、澄清、无杂质	300－1000 （mPa·s）	500－1300 mKOH/g	＜3mgKOH/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
全文见附件
    ZL无溶剂硬质聚氨酯泡沫塑料系统研究.doc