保温隔热材料

第二节　保温隔热材料

保温隔热材料是用于减少结构物与环境热交换的一种功能材料，是保温材料和隔热材料的总称。在建筑工程中，对于采暖房屋，为了能保持室内热量、减少热量散失以及保持室温稳定，其墙体和屋顶等围护结构需要采用保温材料。而处于炎热气候环境下的空调房屋和冷库等，则要求围护结构具有良好的隔热性能。保温和隔热良好的建筑物，还可以大大降低采暖和空调的能耗，这对于“建筑节能”具有重要意义。

一、材料绝热的原理及绝热性能影响因素

热在本质上是组成物质的分子、原子和电子等在物质内部的移动、转动和振动所产生的能量。在任何介质中，当存在着温度差时，就会产生热的传递现象，热能将由温度较高的部分传递至温度较低的部分。传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。一般来说，三种传热方式总是共存的。因空气的导热系数仅为0.029 W／（m·K），所以绝热性能良好的材料常是多孔材料。虽然在多孔材料的孔隙内有着空气，起着辐射和对流作用，但与热传导相比，热辐射和对流所占的比例很小，故在建筑热工计算时主要考虑材料的热传导性能，热辐射和对流则不予考虑。

材料的热传导性能是由材料导热系数的大小决定的。导热系数越小，保温隔热性能越好。材料的导热系数与其自身的成分、表观密度、内部结构以及传热时的平均温度和材料的含水量有关。影响导热系数的因素如下：

（1）材料的性质。不同的材料其导热系数是不同的，一般说来，导热系数值以金属最大，非金属次之，液体较小，而气体更小。对于同一种材料，内部结构不同，导热系数也差别很大。一般结晶结构的为最大，微晶体结构的次之，玻璃体结构的最小。但对于多孔的保温隔热来说，由于孔隙率高，气体（空气）对导热系数的影响起着主要作用，而固体部分的结构无论是晶态或玻璃态对其影响都不大。

（2）表观密度与孔隙特征。由于材料中固体物质的导热能力比空气要大得多，故表观密度小的材料，因其孔隙率大，导热系数就小。在孔隙率相同的条件下，孔隙尺寸愈大，导热系数就愈大；互相连通孔隙比封闭孔隙导热性要高。对于表观密度很小的材料，特别是纤维状材料（如超细玻璃纤维），当其表观密度低于某一极限值时，导热系数反而会增大，这是由于孔隙增大且互相连通的孔隙大大增多，而使对流作用加强的结果。因此这类材料存在一最佳表观密度，即在这个表观密度时导热系数最小。

（3）湿度。材料吸湿受潮后，其导热系数增大，这在多孔材料中最为明显。这是由于当材料的孔隙中有了水分（包括水蒸气）后，则孔隙中蒸汽的扩散和水分子的热传导将起主要传热作用，而水的导热系数是0.58 W／（m·K），比空气的导热系数0.029 W／（m·K）大20倍左右。如果孔隙中的水结成了冰，由于冰的导热系数是2.33 W／（m·K），则材料导热系数更高。故保温隔热材料在应用时必须注意防水避潮。

蒸汽渗透是值得注意的问题。水蒸气能从温度较高的一边渗透入材料，当水蒸气在材料孔隙中达最大饱和度时就凝结成水，从而使温度较低的一边表面上出现冷凝水滴，这不仅大大提高了导热性，而且还会降低材料的强度和耐久性。防止的方法是在可能出现冷凝水的界面上，用沥青卷材或铝箔、塑料薄膜等加做隔蒸汽层。

（4）温度。材料的导热系数随温度的升高而增大，因为温度升高时，材料固体分子的热运动增强，同时材料孔隙中空气的导热和孔壁间的辐射作用也有所增加。但这种影响，当温度在0～50℃范围内时并不显著，只有对处于高温或负温下的材料，才要考虑温度的影响。

（5）热流方向。对于各向异性的材料，如木材等纤维质的材料，当热流平行于纤维方向时，热流受到阻力小，而热流垂直于纤维方向时，受到的阻力就大。以松木为例，当热流垂直于木纹时，导热系数是0.17 W／（m·K），而当热流平行于木纹时，导热系数则是0.35 W／（m·K）。

绝大多数建筑材料的导热系数介于0.023～3.49 W／（m·K）之间，通常把导热系数不大于0.23 W／（m·K）的材料称为绝热材料，而将其中导热系数小于0.14 W／（m·K）的绝热材料称为保温材料。

二、常用保温隔热材料

保温隔热材料按化学成分可分为有机和无机两大类，按材料的构造可分为纤维状、松散粒状和多孔组织材料三种，通常可制成板、片、卷材或管壳等多种形式的制品。一般来说，无机保温隔热材料的表观密度较大，但不易腐朽，不会燃烧，有的能耐高温。有机保温隔热材料质轻，保温隔热性能好，但耐热性较差。下面将简单介绍一些建筑上常用的保温隔热材料。

（一）无机纤维状保温隔热材料

无机纤维状保温隔热材料主要是指岩棉、矿棉、玻璃棉等人造无机纤维状材料。该类材料在外观上具有相同的纤维状形态和结构，具有密度小、绝热效果好、不燃烧、耐腐蚀、化学稳定性强、吸声性能好以及无毒、无污染、防蛀、价廉等优点，广泛用于住宅建筑和热工设备、管道等的保温、隔热、隔冷和吸声材料。

1.矿棉及其制品。矿棉一般包括矿渣棉和岩石棉。矿渣棉所用原料有高炉硬矿渣、铜矿渣等，并加一些调节原料（钙质和硅质原料）；岩棉的主要原料为天然岩石（白云石、花岗石、玄武岩等）。上述原料经熔融后，用喷吹法或离心法制成细纤维。矿棉具有轻质、不燃、绝热和电绝缘等性能，且原料来源广，成本较低，可制成矿棉板、矿棉毡及管壳等。矿棉可用作建筑物的墙壁、屋顶、天花板等处的绝热和吸声材料，以及热力管道的保温隔热材料。

2.玻璃棉及其制品。玻璃棉是用玻璃原料或碎玻璃经熔融后制成纤维状材料，包括短棉和超细棉两种。短棉的表观密度为100～150 kg／m³，导热系数是0.035～0.058 W／（m·K），价格与矿棉相近。可制成沥青玻璃棉毡、板及酚醛玻璃棉毡、板等制品，广泛用在温度较低的热力设备和房屋建筑中的保温，同时它还是良好的吸声材料。超细棉直径在4μm左右，表观密度可小至18 kg／m³，导热系数为0.028～0.037 W／（m·K），保温性能更为优良。

3.硅酸铝纤维及其制品。硅酸铝纤维又名陶瓷纤维，也称耐火纤维，是一种新型优质保温隔热材料。我国生产硅酸铝纤维所用原料主要为焦宝石，经2　100℃高温熔化，用高速离心或喷吹工艺制成。硅酸铝纤维耐高温性能好，按最高使用温度可分为低温型（900℃以下）、标准型（1200℃以下）和高温型（1400～1600℃）；高温区导热系数小，在1000℃时，其导热系数仅为耐火粘土砖的15%，为轻质黏土砖的38%左右；表观密度一般在90～220 kg／m³；耐化学稳定性好，除强碱、氢氟酸、磷酸外，几乎不受其他化学药品腐蚀。

（二）多孔状保温隔热材料

1.膨胀蛭石及其制品。蛭石是一种层状的含水镁铝硅酸盐矿物，经850～1000℃煅烧，体积急剧膨胀（可膨胀5～20倍）而成为金黄色或灰白色的松散颗粒，其堆积密度为80～200 kg／m³，导热系数为0.046～0.07 W／（m·K），可在1000～1　100℃下使用，用于填充墙壁、楼板及平屋顶，保温效果佳。但因其吸水性大，使用时应注意防潮。

膨胀蛭石也可与水泥、水玻璃等胶凝材料配合，制成砖、板、管壳等用于围护结构及管道保温。水泥膨胀蛭石堆积密度为300～500 kg／m³，导热系数为0.08～0.10 W／（m·K），耐热温度为600℃。水玻璃膨胀蛭石制品由膨胀蛭石、水玻璃和适量氟硅酸钠配制而成，其表观密度300～400 kg／m³，导热系数为0.079～0.084 W／（m·K），耐热温度可达900℃。

2.膨胀珍珠岩及其制品。膨胀珍珠岩是由天然珍珠岩、黑曜岩或松脂岩为原料，经煅烧，体积急剧膨胀（约20倍）而得蜂窝状白色或灰白色松散颗粒。堆积密度为40～300 kg／m³，导热系数为0.025～0.048 W／（m·K），耐热温度为800℃，为高效能保温保冷填充材料。

膨胀珍珠岩制品是以膨胀珍珠岩为骨料，配以适量胶凝材料，经拌和、成型、养护（或干燥、或焙烧）后而制成的板、砖、管等产品。目前国内主要产品有水泥膨胀珍珠岩制品，水玻璃膨胀珍珠岩制品，磷酸盐膨胀珍珠岩制品及沥青膨胀珍珠岩制品等。

3.微孔硅酸钙制品。微孔硅酸钙制品是用粉状二氧化硅材料（硅藻土）、石灰、纤维增强材料及水等经搅拌、成型、蒸压养护和干燥等工序而制成。用于围护结构及管道保温，效果较水泥膨胀珍珠岩和水泥膨胀蛭石为好。

4.发泡硅酸盐制品。发泡硅酸盐制品是以生石灰、硅砂、水泥为原料，以铝粉为发泡剂，经一系列工艺流程后在高温、高压蒸汽养护下获得的多孔材料，具有轻质、高强、耐火、隔热、隔音、无放射性，以及耐久性好、有呼吸功能、产品精度高、施工安装方便等优点。其表观密度约500 kg／m³，导热系数为0.13 W／（m·K），是优良的围护结构材料。

5.泡沫玻璃。泡沫玻璃是采用碎玻璃加入1%～2%发泡剂（石灰石或碳化钙），经粉磨、混合、装模，在800℃下烧成后形成含有大量封闭气泡（直径0.1～5 mm）的制品。它具有导热系数小、抗压强度和抗冻性高、耐久性好等特点，且易于进行锯切、钻孔等机械加工，为高级保温材料，也常用于冷藏库隔热。

6.泡沫塑料。泡沫塑料是以合成树脂为基料，加入一定剂量的发泡剂、催化剂、稳定剂等辅助材料经加热发泡而制成的轻质保温、防震材料。目前我国生产的有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯及脲醛树脂等泡沫塑料。通过选择不同的发泡剂和加入量，可以制得气孔率不同的发泡材料，以适应不同场合的应用。用作建筑保温时，常填充在围护结构中或夹在两层其他材料中间做成夹芯板（复合板）。由于这类材料造价高，且具有可燃性，因此应用上受到一定限制。今后随着这类材料性能的改善，将向着高效、多功能方向发展。

7.泡沫陶瓷。泡沫陶瓷是一种具有热传导率低、抗热震（使用温度：常温～1600℃）性能优良的多孔陶瓷材料。其气孔率在20%～95%之间，重量仅为普通陶瓷砖的1／5～，可长期漂浮于水面上，是一种理想的轻质、保温、隔热材料，且具有防火、防水、耐酸碱、抗风化等性能。它很好地弥补了现有外墙保温材料现场作业量大、施工复杂、造价高，以及防水防火性能差、不耐老化、抗紫外线照射和耐冻融性差、易降解、变形系数大、稳定性差、易燃烧等不足，显著提高了建筑保温节能的实质性效果和建筑物的寿命。可广泛应用于大型建筑、公寓、别墅等内外墙、顶层的隔热及居家装饰，达到一种自然和谐的艺术效果。

8.水泥发泡板。水泥发泡保温板是一种由水泥和矿物掺合料（如粒化高炉矿渣、粉煤灰等），通过物理引气或化学发泡的方法，经过配料、搅拌、浇筑、静停、切割等过程而制成的轻质多孔水泥基保温材料。其具有良好的防火性能（防火达A级）、保温隔热性能（导热系数在0.055～0.08 W／m·K）、质量轻（密度在200～350 kg／m³之间）、隔音性能好（是普通水泥板的5～8倍），以及与建筑同寿命等优点，目前广泛应用于建筑外保温体系。

（三）反射型保温隔热材料

目前，我国对建筑工程的保温隔热，普遍利用多孔保温材料和在维护结构中设置空气层的做法，这对改善维护结构的性能有较好的作用。但对于较薄的围护结构，要设置保温层和空气层则较困难，而采用反射型保温隔热材料往往会有较理想的保温隔热效果。反射型保温隔热材料目前主要有铝箔波形纸保温隔热板、玻璃棉制品铝箔复合材料、反射型保温隔热卷材、热发射玻璃等。

（四）其他保温隔热材料

1.软木板。软木也叫栓木。软木板是用栓皮栎树皮或黄菠萝树皮为原料，经破碎后与皮胶溶液拌和，再加压成型，在80℃的干燥室中干燥一昼夜而制成。软木板具有表观密度小、导热性低、抗渗和防腐性能高等特点。常用热沥青错缝黏贴，用于冷藏库隔热。

2.蜂窝板。蜂窝板是由两块较薄的面板，牢固地黏结在一层较厚的蜂窝状芯材两面而制成的板材，亦称蜂窝夹层结构。蜂窝状芯材是用浸渍过合成树脂（酚醛、聚酯等）的牛皮纸、玻璃布和铝片等，经加工粘合成六角形空腹（蜂窝状）的整块芯材。芯材的厚度可根据使用要求而定，孔腔的尺寸在10 mm以上。常用的面板为浸渍过树脂的牛皮纸、玻璃布或不经树脂浸渍的胶合板、纤维板、石膏板等。面板必须采用合适的胶黏剂与芯材牢固地黏合在一起，才能显示出蜂窝板的优异特性，即具有比强度大、导热性低和抗震性好等多种功能。

3.纤维板。采用木质纤维或稻草等草质纤维经物理化学处理后，加入水泥、石膏等胶结剂，再经过压制等工艺而成。其表观密度为210～1　150 kg／m³，导热系数为0.058～0.307 W／（m·K）。可用于建筑物的墙壁、地板、顶棚等，也可用于包装箱、冷藏库等。