保温材料的研究毕业设计.docx

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保温材料的研究毕业设计

保温材料的研究

摘要:

随着经济的发展，人们的生活水平也逐渐提升，人们在住房时候，特别注意保温材质，近年来，我国保温隔热行业的产品结构发生了明显的变化，泡沫塑料类保温隔热材料所占比例逐年增长，硬质类保温隔热产品的比例逐年下降。

其中轻质化材料、憎水性材料、绿色环保材料和超效绝热材料将成为保温隔热材料的发展趋势。

本文主要介绍了保温材料的概况、物化性能、主要性能指标、发展前景及选型依据，并对几种常用保温材料作了阐述，综合对比其各种性能指标，得出工程推荐的保温材料。

关键词：

保温材料，导热系数，性能

Studyofinsulationmaterial

Abstract:

Withthedevelopmentofeconomy,people'slivingstandardhasgraduallyincreased,peopleinthehousing,withparticularattentiontoinsulationmaterial,inrecentyears,China'sinsulationproductsindustrystructureproducedapparentchange,foamthermalinsulationthermalinsulationmaterialproportionhasincreasedyearbyyear,rigidclassinsulationproductratiodecreasedyearbyyear.Thelightweightmaterials,hydrophobicmaterials,greenmaterialsandeffectivethermalinsulationmaterialsinsulationmaterialswillbecomethedevelopmenttrend.Thispapermainlyintroducesthegeneralsituationofinsulationmaterials,physicalandchemicalproperties,themainperformanceindicators,thedevelopmentprospectandthebasisforselection,andsomecommonlyusedinsulationmaterialsisexpounded,comprehensivecomparisonofitsvariousperformanceindexes,theengineeringrecommendedinsulationmaterials.

Keywords：

Insulationmaterials,thermalconductivity,performance

引言

保温材料是指对热流具有显著阻抗性的材料和材料复合体。

材料保温性能的好坏是由材料导热系数的大小所决定。

导热系数越小，保温性能越好。

用于建筑节能建筑的各种保温材料被称为建筑保温材料。

主要有屋面、墙面保温材料及节能门窗。

保温材料的品种很多，按材质可分为无机保温材料、有机保温材料和金属保温材料三大类。

按形态又可分为纤维状、多孔状（微孔、气泡）状、层状等数种。

目前在我国建筑市场上应用比较广泛的纤维状保温材料如矿岩棉、玻璃棉、硅酸铝棉及其制品，以木纤维、各种植物纤维、废纸等有机纤维为原料制成的纤维板材；多孔状保温材料如无机保温隔热板、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、微孔硅酸钙、泡沫石棉、泡沫玻璃以及加气混凝土，泡沫塑料类如聚苯乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯以及酚醛、醛泡沫塑料等；层状保温材料如铝箔、各种类型的金属或非金属镀膜玻璃以及以各种织物等为基材制成的镀膜制品。

上世纪90年代，美国国家航空航天局（NASA）的科研人员为解决航天飞行器传热控制问题而研发采用的一种新型太空绝热反射瓷层（Therma-Cover），该材料是由一些悬浮于惰性乳胶中的微小陶瓷颗粒构成的，它具有高反射率、高辐射率、低导热系数、低蓄热系数等热工性能，具有卓越的隔热反射功能。

这种高科技材料在国外由航天领域推广应用到民，用于建筑和工业设施中，并已出口到我国，用于一些大型工业设施中。

但美中不足的是，该材料20美元/kg的昂贵售价实在令国内许多行业望物兴叹，难以承受。

由此，国内悄然掀起一股研发隔热保温新材料的热潮，且北京志盛威华科技发展有限公司已率先在国内同行中研制成功具有高效、薄层、隔热节能、装饰防水于一体的新型太空反射绝热涂料。

该涂料选用了具有优异耐热、耐候性、耐腐蚀和防水性能的硅丙乳液和水性氟碳乳液为成膜物质，采用被誉为空间时代材料的极细中空陶瓷颗粒为填料，由中空陶粒多组合排列制得的涂膜构成的，它对400-1800nm范围的可见光和近红外区的太阳热进行高反射，同时在涂膜中引入导热系数极低的空气微孔层来隔绝热能的传递。

这样通过强化反射太阳热和对流传递的显著阻抗性，能有效地降低辐射传热和对流传热，从而降低物体表面的热平衡温度，可使屋面温度最高降低20℃，室内温度降低5-10℃。

产品绝热等级达到R-33.3,热反射率为89%，导热系数为0.030W/m.K。

随着能源价格的上涨和能源的紧张，人们更加关注能源消耗的降低，为此在“―五”规划中，建筑节能目标为全国各类新建建筑实现节能50℅，重点城市达到节能65℅的目标，25℅的现有建筑要进行建筑节能改造。

作为途筑保温材料在节能方面占有重要地位，不论房屋建筑、冷藏设备的保温，还是工业锅炉、窑炉、管道、设备的保温，力求大幅度减少能源的消耗量。

这就要求大力发展高效能的保温材料。

近年来，随着保温材料工业的迅速发展，保温材料品种不断增多，可选范围也不断增大。

材料品种的多样化，导致产品性能指标的多样化。

如何选用节能、经济、实用的保温材料，就必须对常用保温材料的性能指标、优缺点、用途等进行综合对比，以便做出相对合理的选择。

第一章文献综述

1.1保温材料的概述

保温材料是一种减缓由传到、对流、辐射产生的热流速率的材料或复合材料。

通常所指的保温材料是导热系数小于0.14W/（m•K）材料。

保温材料一般具有质轻、疏松、多孔、导热系数小等特点。

同时由于保温材料的多孔或纤维状结构具有良好的吸声功能，而被广泛应用于建筑行业。

建筑行业中使用的保温材料品种繁多，无机材料主要有膨胀珍珠岩、加气混凝土砌块、岩棉、玻璃棉等；有机材料有聚苯乙烯泡沫塑料（聚苯板）、泡沫玻璃、聚氨酯泡沫塑料等。

这些材料保温隔热性能的优劣，主要由材料的热传导性能的高低（导热系数）所决定。

材料的导热系数愈小，其保温隔热性能便愈好。

其中无机材料有不燃、使用温度宽、耐化学腐蚀性较好的特点，有机材料有强度髙、吸水率较低、不透水性较佳等特点。

目前，国内在建筑上大量采用节能新型保温材料，主要有岩棉、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫塑料、水泥聚苯板、硅酸盐复合绝热砂浆、泡沫玻璃等。

1.2保温材料的主要性能

保温材料的性能指标主要有：

导热系数（W/（m•K）〉、容重（kg/m³）、最高使用温度（℃），抗压强度（MPa）、抗折强度（MPa）、含水量（%）等。

1.2.1导热系数

导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K,°C）,在1小时内，通过1平方米面积传递的热量。

导热系数是反映材料的导热能力，也是保温材料的主要热物理特性，它与材料的温度、密度、含水率、内部结构、保温层尺寸等物理性能密切相关。

一般保温材料的导热系数随温度、含水率、容重的增大而上升，保温效果下降。

导热系数的单位：

瓦/米·度（W/m·K,此处的K可用℃代替）

导热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。

非晶体结构、密度较低的材料，导热系数较小。

材料的含水率、温度较低时，导热系数较小。

通常把导热系数较低的材料称为保温材料，而把导热系数在0.05W/m·K以下的材料称为高效保温材料

1.2.2容量

容重是在溫度为110℃时经过烘干且呈松散状态的保温材料，其单位体积的重量。

它具有一个最佳容重值，即在最佳容重下，它才具有较小的导热系数和较好的保温效果。

在工程上为了节约能源和减少保温管道支吊架结构荷重，应尽量采用容重小的保温材料。

一般软质和半硬质材料的容重不得大于150kg/m³，硬质材料的容璽不得大于220kg/m³。

1.2.3最高使用温度

保温保湿材料长期安全可靠工作所承受的极限温度。

一般无机材料的耐热温度比较高。

1.2.4抗压强度

抗压强度是材料受到压缩力作用而破坏时，每单位原始横截面上承受的最大压力负荷。

1.2.5抗折强度

抗折强度是材料受到弯曲负荷作用下破坏时，单位面积上所受的力偶矩。

1.2.6含水率

含水率是保温材料吸收水的性质。

其值升髙，材料导热系数随之升髙，严重破坏保温效果。

一般有机材料的含水率较低。

最后，保温材料除了要考虑以上的物理性能指标，还有一个重要的经济指标，即市场参考价格，工程上即要节约能源，又要降低成本，所以市场价袼是选材必须考虑的。

综上所述，保温材料的性能指标相互影响，所以选用保温材料时，应本着“理化性能良好，综合价格适中”的原则，无论是有机还是无机保温材料，它们都各自有它的特点，选择材料时，应本着扬长避短，综合利用的原则，这样才能充分发挥各种材料的优势。

1.3保温材料的选型依据

要合理选择保温材料必须综合考虑以下几个方面：

a.选材要经济，包括材料的市场价格、容重、保温厚度、使用年限等要综合比较。

b.在经济的同时，保温材料的导热系敉应尽量小，因为材料的导热系数愈小，其保温隔热性能便愈好。

c.保温材料的原材料储设丰富，来源方便，这样不但可以充分利用资源，而且可以降低成本。

真正达到节能降耗的目的。

第二章几种常见的保温材料

2.1岩棉

岩棉、矿渣棉及其制品是矿物棉的一种。

岩棉是以精选的玄武岩或辉绿岩为主要原料，经高温熔融后，由高速离心设备制成人造无机纤维，同时加入特制的粘结剂和防尘油，再经加温固化，制作成各种规格、不同要求的岩棉保湿制品。

其主要品种有岩棉板、岩棉玻璃布缝毡、岩棉保温条等。

岩棉制品具有不燃、无毒、容重小、导热系数小，使用温度高，经久耐用，不易风化，对金属不腐蚀。

还有一个重要优点是原材料丰富，成本低等特点，因此它是目前国内外在建筑外埔上应用最多的一种保温材料。

但缺点是施工时对施工人员的皮肤有刺痒反应，安装条件差。

2.2泡沫玻璃

泡沫玻璃是由定量的碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和促进剂等，经过细粉碎混合均匀形成配合料、放入到特定的磨具中，再经过预热、熔融、发泡、退火等工艺制成的多孔玻璃。

泡沫玻璃作为保温隔热材料主要应用于石油化工热力管线的保温和冷库保冷材料、外墙外保温材料、热电厂的烟仓内壁保温以及建筑屋顶的保温隔热等，甚至还具有用于家庭淸洁保健的功能。

其生产原料是利用回收废旧玻璃，投资较少，但是科技含量商、产品附加值大的一种保温材枓。

目前国内生产的泡沫玻璃由于受废玻璃原有特性的局限及加工工艺和设备等多种因素的限制，只能生产普通档次的产品，在导热系数和抗压强度等技术性能上与国外同类产品存在明显的差距。

2.3聚氨脂泡沫塑料

2.3.1定义：

聚氨酯泡沫塑料是异氰酸酯和羟基化合物经聚合发泡制成，按其硬度可分为软质和硬质两类，其中软质为主要品种。

一般来说，它具有极佳的弹性、柔软性、伸长率和压缩强度；化学稳定性好，耐许多溶剂和油类；耐磨性优良，较天然海绵大20倍；还有优良的加工性、绝热性、粘合性等性能，是一种性能优良的缓冲材料，但价格较高。

2.3.2用途：

聚氨酯泡沫塑料一般只用于高档精密仪器、贵重器械、高档工艺品等的缓冲包装或衬垫缓冲材料，也可制成精致的、保护性极好的包装容器；还可采用现场发泡对物品进行缓冲包装。

2.3.3阻燃原理：

聚氨酯泡沫塑料一般通过添加阻燃剂提高泡沫塑料的阻燃性，以延缓燃烧、阻烟甚至使着火部位自熄。

也可采用含阻燃元素的多元醇（即反应型阻燃剂）为泡沫原料。

阻燃剂必须具有以下一种或数种功能：

能在着火温度或接近着火温度下吸热分解成不可燃物质；能与泡沫燃烧产物反应生成不易燃物质；可分解出能终止泡沫自由基氧化反应的物质。

在聚氨酯泡沫塑料中，含磷阻燃剂主要在凝聚相发挥作用，磷化物可以消耗泡沫塑料燃烧时分解出的可燃气体，使其转化成不易燃烧的炭化物，泡沫体中磷（P）含量达1.5%左右时即可获得较佳的阻燃效果。

含卤素阻燃剂主要在气相中发挥作用，卤素是泡沫塑料燃烧反应的链终止剂，在塑料燃烧时生成卤化氢而抑制燃烧反应。

据有关资料，为使泡沫获得较满意的阻燃性能，茂密体中溴（Br）质量分数应达12%-14%，或氯（cl）质量分数达18%～20%。

当磷-卤联用时，由于存在一定的协同效应，故0.5%P+（4%-5%）Br或1%P+（8%-12%）CI即可使聚氨酯泡沫具有自熄性。

典型的磷-氮阻燃体系可有聚磷酸铵和三聚氰胺等组成，在泡沫受热初期，阻燃剂分解产生磷酸等，它与多羟基化合物形成具有阻燃作用的磷酸酯并释放水蒸气：

在高温下泡沫中的阻燃剂气化产生不燃性气体，使熔融的泡沫炭化形成疏松的多孔性阻燃层。

氢氧化铝中含有大量的结晶水（质量分数可高达34%），结晶水在泡沫塑料生产过程中很稳定，但在泡沫塑料燃烧温度时将快速分解，吸收燃烧热，并在火源和泡沫间形成不燃性的屏障，从而起到阻燃作用。

同时，它也是一种烟气抑制剂。

2.4聚苯乙烯泡沫塑料

2.4.1发展史

1839年，德国人EduardSimon第一次从天然树脂中提取出聚苯乙烯。

1930年，BASF开始在德国商业化生产聚苯乙烯。

1934年，Dow开始在美国生产聚苯乙烯。

1954年，Dow开始生产聚苯乙烯泡沫塑料

2.4.2定义

聚苯乙烯泡沫塑料是以聚苯乙烯树脂为主体，加入发泡剂等添加剂制成，它是目前使用最多的一种缓冲材料。

它具有闭孔结构，吸水性小，有优良的抗水性；密度小，一般为0.015～0.03；机械强度好，缓冲性能优异;加工性好，易于模塑成型；着色性好，温度适应性强，抗放射性优异等优点，而且尺寸精度高,结构均匀。

因此在外墙保温中其占有率很高。

但燃烧时会放出污染环境的苯乙烯气体

2.4.3性能

聚苯乙烯的化学稳定性比较差，温度超过75到95°C会释放出苯乙烯；不易被强酸强碱腐蚀，但可以被多种有机溶剂溶解，如：

丙酮、乙酸乙酯，不抗油脂，在受到紫外光照射后易变色。

聚苯乙烯质地硬而脆，无色透明，可以和多种染料混合产生不同的颜色。

发泡聚苯乙烯（俗称保丽龙），于建筑材料使用上，具吸音、隔音、隔热等效果，近来被大举使用于中空楼板（新工法）聚苯乙烯的经常被用来制作泡沫塑料制品。

聚苯乙烯还可以和其它橡胶类型高分子材料共聚生成各种不同力学性能的产品。

日常生活中常见的应用有各种一次性塑料餐具，透明CD盒等等。

发泡聚苯乙烯（保丽龙）于建筑材料使用上，自2003年广泛使用于中空楼板隔音隔热材。

2.4.4用途

聚苯乙烯泡沫塑料广泛用于各种精密仪器、仪表、家用电器等的缓冲包装，也可用其直接制成杯、盘、盒等包装容器来包装物品,机械强度好，缓冲性能优异;加工性好，易于模塑成型；着色性好，温度适应性强，抗放射性优异等优点。

第三章保温材料的应用及发展前景

3.1应用

保温材料有很多种类，应用范围也很广。

比较常用的有：

玻璃棉制品、维耐隔热毯、绝热泡沫玻璃、聚氨酯等。

玻璃棉制品的用途：

空调保温、风管保温、钢结构保温、锅炉保温、除尘器、蒸汽管道保温等。

维耐隔热毯的用途：

石油、化工、热电、钢铁、有色金属、工业炉等行业热工设备的隔热保温与保护。

船舶、火车、汽车、飞机等交通设备的高温隔热。

家电产品的保温隔热，如烧烤炉、烤箱、电烤箱、微波炉等。

浸入树脂加工成板状，是地产建筑及冷气机优良的衬垫隔热、消音材料。

绝热泡沫玻璃的用途：

建筑墙体保温、楼宇屋顶等节能防水应用。

各种烟道内衬和工业窑炉的保温应用。

各种民用冷库、库房和地铁、隧道等基础绝热应用。

高速公路、机场和建筑等基础隔离层应用。

游泳池、渠坝等防漏防蛀工程。

中低温制药绝热系统。

船舶业舱板保温应用。

聚氨酯的用途：

冷库、冷藏车或保鲜箱。

彩钢夹芯板隔热层等。

石化罐体。

石化、冶金等各种管道的保温保冷。

地埋式各种复合直埋管的外层等。

屋面保温材料应选用孔隙多、表观密度小、导热系数（小）的材料。

3.2前景

3.2.1无机保温材料：

无机保温材料主要集中在玻璃棉、岩棉、膨胀珍珠岩具有一定保温效果的材料，能够达到A级防火。

但是都有一定程度的缺点。

玻璃棉的价格昂贵.

岩棉的生产对人体有害，工人还会不愿施工的情况出现，而且岩棉建厂的周期长，从建厂到可生产大约需要2年的时间。

现在国内市场岩棉的供应量也达不到使用的要求。

膨胀珍珠岩的重量大，吸水率高

无机保温材料容重稍大、保温隔热效率稍差，但防火阻燃、变形系数小、抗老化、性能稳定、与墙基层和抹面层结合较好、安全稳固性好、保温层强度及耐久性比有机保温材料高、使用寿命长、施工难度小、工程成本较低，生态环保性好，可以循环再利用。

岩棉保温材料的价格贵，施工费用高，生产周期长，工人施工也不愿意施工，相信会慢慢限制其生产和使用。

2011年3月公安部规定使用A级不燃材料作为保温系统，未来的趋势最多可以放宽到B1级防火材料，无机保温材料的发展前景还是很大。

膨胀珍珠岩由于原料来源广泛，生产设施简单，对人体无害，相信在以后可以作为主要的材料使用。

3.2.2有机保温材料：

有机类保温材料主要有聚氨酯泡沫、聚苯板、酚醛泡沫等。

有机保温材料具有重量轻、可加工性好、致密性高、保温隔热效果好，但缺点是：

不耐老化、变形系数大、稳定性差、安全性差、易燃烧、生态环保性很差、施工难度大、工程成本较高，其资源有限，且难以循环再利用。

传统的聚苯板、无机保温板具有的优异保温效果，在中国目前的墙体保温材料市场中广泛使用，但是不具备安全的防火性能，尤其是燃烧时产生毒气，其实此类材料的使用在发达国家早已经被限制在极小的应用领域。

近年来中国建筑物因大面积使用聚苯板保温材料所引发的火灾事故频发，造成了巨大的经济损失和人身伤亡。

近几年新出现的酚醛泡沫具有良好的防火性能，在达到300℃的情况下能够碳化，不会产生聚苯板融化流淌的现象，也不会燃烧产生毒气，效果较好。

酚醛保温防火板具有如下特性：

a、优异的防火性能：

聚氨酯和聚苯等有机保温材料，燃烧后，会产生浓烟和剧毒，容易造成人员死亡，同时也增加灭火难度。

而酚醛泡沫保温板遇火不燃，燃烧性能最高达A级，最高使用温度为180℃（允许瞬时250℃），100mm厚的抗火焰能力可达1小时以上而不被穿透。

在火焰的直接作用下具有结碳、无滴落物、无卷曲、无熔化现象，火焰燃烧后表面形成一层阻燃层，有效保护层内的泡沫结构。

b、优良的绝热性能：

导热系数低，为保温、隔热的优良材料。

有机保温材料导热系数低，但是由于安全系数差，已经在各国被叫停，在没有新材料出现的情况下前景堪忧。

国内的有机保温材料，可以达到B1级防火，但是价格比较贵，能有作为的空间不大。

在新的防火文件下发之前，有机保温材料的市场还是很低迷。

3.3.3有机无机复合保温材料：

复合保温材料采用无机胶凝材料复合有机物，和使用有机材料复合无机矿物两类。

现在所使用和生产的材料主要是泡沫混凝土，使用水泥作为胶凝材料，使用聚苯颗粒填充，密度降低，但是导热系数却居高不下。

而使用镁水泥发泡之后的效果显著，镁水泥发泡之后本身的导热系数可以降低到0.17左右，发泡之后吸水率有所上升，需要在表面闭孔。

复合保温材料现在市面上使用较少，由于复合保温材料保温系数不高，密度大，只要降低密度，增加保温系数可以取得很好的效果。

3.3.4镁水泥保温材料发展：

镁水泥作为胶凝材料使用，复合膨胀珍珠岩、聚苯可以作为保温材料使用。

在我国菱镁矿产资源丰富，截止到2002年，我国已探明的菱镁矿床27处，探明储量3.118×109t约占世界储量的31%居世界的首位。

我国氯化镁资源也十分丰富，除各大盐床生产的海产氯化镁外，仅青海盐湖的氯化镁储量就达到19×108t,这为我国的菱镁事业奠定了坚实的物质基础。

氯氧镁水泥凝结硬化快,碱度较低（pH值=9-10）,对纤维腐蚀性小,它与无机纤维或有机植物纤维能很好地粘接,强度高,成型加工方便,不燃烧,是一种很有前途的胶凝材料。

镁水泥制品在社会中发挥着代木、节能、代黏土等功能，符合当今社会倡导的节能减排、可持续发展的战略性材料。

在镁水泥制品中能综合利用工业固体废物，如矿渣、硅灰、粉煤灰、建筑垃圾以及农业加工剩余物，如麦秸、稻草、棉杆和木材加工剩余物锯末、木刨花等，对缓解公害污染、保护生态环境具有一定的意义。

镁水泥只要解决配比问题，改善返卤和吸水强度可作为优良的无机胶凝材料使用，可以在很多方面有所建树。

3.3.5发泡镁水泥：

现在市面上使用的发泡镁水泥主要为镁水泥防火板，没有作为保温材料使用的发泡镁水泥。

发泡之后的镁水泥密度大大降低，导热系数变小，有利于保温和降低密度。

参考文献

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（1）

致谢

大学三年学习时光已经接近尾声，在此我想对我的母校，我的父母、亲人们，我的老师和同学们表达我由衷的谢意。

感谢我的家人对我大学三年学习的默默支持；感谢我的母校内蒙古化工职业学院给了我在大学三年深造的机会，让我能继续学习和提高；感谢白剑臣老师、姚志光老师和同学们三年来的关心和鼓励。

老师们课堂上的激情洋溢，课堂下的谆谆教诲；同学们在学习中的认真热情，生活上的热心主动，所有这些都让我的三年充满了感动。

这次毕业论文设计我得到了很多老师和同学的帮助，其中我的论文指导老师白剑臣老师和姚志光老师对我的关心和支持尤为重要。

白老师和姚老师平日里工作繁多，但我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。

这一个月以来，老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀，在此向白老师、姚老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

同时，本篇毕业论文的写作也得到了同学的热情帮助。

感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在此，我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢！

刘彩霞

2012年12月13号