1.5 我国建筑保温材料的发展
1.5.1 基本发展历程
我国实施建筑节能设计标准以来的保温材料发展历程基本如下。
第一阶段：1985～2009年9月25日。
1985年我国制定第一部建筑节能规范《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》JGJ 26-85，标志着建筑节能的起步和节能30%标准的实施。该标准是非强制的，保温的主要形式是外墙内保温，这时的保温材料主要是模塑膨胀聚苯乙烯泡沫塑料和水泥珍珠岩浆料。屋面主要采用炉渣等轻骨料进行保温。1995年对JGJ 26设计标准进行了修订，标志节能50%的目标的实施。节能标准的提高，外墙内保温已经不能满足保温效果的需要，外墙外保温技术开始推广应用（实际在2000年前后）。该阶段的特点是有机保温材料占据统治地位，主要品种是EPS，XPS、喷涂硬泡聚氨酯和硬泡聚氨酯板材开始使用。
第二阶段：2009年9月25日～2011年3月14日。
2008年10月9日哈尔滨经纬360度双子星大厦、10月9日济南奥体中心、2009年2月9日北京央视新址附属文化中心、4月19日南京中环国际广场等先后发生有机保温材料诱发的特大和重大火灾。2009年9月25日公安部和住建部颁发了《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》（公通字〔2009〕46号）。该规定首次明确了对建筑保温材料燃烧性能等级的要求，以及防火隔离带在保温工程中的使用。该规定推进了有机保温材料阻燃性能的提高，同时极大地推动了A级不燃无机保温材料的发展。
第三阶段：2011年3月14日～2012年12月3日。
2010年11月15日上海胶州路718号28层的教师公寓发生保温工程特大火灾。火灾造成58人死亡，71人受伤，过火面积12000m2，直接经济损失1.58亿元。鉴于保温工程接连发生火灾事故，2011年3月14日公安部下发了《关于进一步明确民用建筑外保温材料消防监督管理有关要求的通知》（公消〔2011〕65号）。通知要求“在新标准发布前，从严执行《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》（公通字〔2009〕46号）第二条规定，民用建筑外保温材料采用燃烧性能为A级的材料”。由于有机保温材料不能达到A级，这就意味着不得使用有机保温材料，而促进了无机保温材料的发展。岩棉、发泡水泥、泡沫玻璃、发泡陶瓷、珍珠岩类保温材料等得到高速发展。
致力于有机保温材料开发的科研人员，仍不断寻求提高保温材料燃烧性能的措施和方法。含石墨膨胀聚苯乙烯泡沫塑料（SEPS）开始在我国生产和推广；具有更高防火性能的聚异氰脲酸酸酯泡沫塑料（简称PIR）开发速度加快；酚醛泡沫塑料的性能得到改进。在有机保温材料表面覆盖无机材料的复合材料也同时兴起，这些复合材料在燃烧等级上可以达到《建筑材料及制品燃烧性能分级》GB 8624的1997版标准的要求（该标准已被2012版标准取代）。
第四阶段：2012年12月3日至今。
2012年12月3日，公安部发布了《关于民用建筑外保温材料消防监督管理有关事项的通知》（公消〔2012〕350号），通知要求不再执行公消〔2011〕65号文件。保温材料重新回到公通字〔2009〕46号确定的有机、无机保温材料共存的格局。2014年8月27日发布、2015年5月10日实施的新的《建筑设计防火规范》GB 50016—2014将行政规定以标准形式固定下来，成为现阶段保温材料燃烧等级要求、防火工程的技术文件。
1.5.2 提高保温效能的发展思考
降低传热系数，提高保温性能是保温材料发展的永恒主题。随着建筑节能水平和节能标准的提高，寻求高效节能材料具备了强劲的市场动力。热导、辐射和对流是热传递三种基本途径，提高保温性能，也就是阻隔三种热传递途径。保温材料组合式地控制两种或者三种传热途径将是未来保温材料发展的方向。
（1）热辐射
常温下物体通过中远红外对外辐射热能，低辐射物体可以阻止或者减少这种热辐射，这就是低辐射效应。我们将50mm厚的聚苯乙烯泡沫（EPS）从中间剖开成两层和三层，然后夹入铝箔，测试得到如表1-11所示的导热系数。低辐射效应在保温材料中获得的效果是明显的，可以设想，当层状材料或者泡沫状材料中增加无数（或者一定数量）低辐射界面时，可以获得很低的导热系数，这种材料的模型示于图1-13中。事实上，低辐射玻璃也是利用这一原理来降低玻璃的传热系数。
表1-11 聚苯乙烯泡沫塑料低辐射作用效果
图1-13 低辐射保温材料的形成模型
形成低辐射效应需要两个基本条件［13］。一是材料具有低辐射率ε。根据哈根和鲁本斯辐射率ε与电导率σ的关系，材料的电导率越高，辐射率越低。金属材料一般具有很高的电导率，是低辐射的首选材料。但金属一般具有很高的导热系数，因此，低辐射材料的布置应与热流方向垂直，且不得在热流方向形成连续的导热通道。二是界面具有相应的光洁度，以保障形成低辐射效应。
石墨聚苯乙烯泡沫塑料是当前热门的保温材料技术，采用改性石墨在聚苯乙烯上接枝聚合，将普通聚苯乙烯泡沫塑料（白板EPS）的导热系数由0.039W/（m·K）降低至0.033W/（m·K）。制造者认为是由于结构中的石墨具有的热反射使得热辐射得到限制，见图1-14。
图1-14 石墨聚苯乙烯泡沫塑料的孔结构及其热反射原理［14］
（2）导热
导热源自物质内部质点的热运动，高低温度相接触的物体由于热导而最终达到相同温度。导热需要介质，真空不可导热，利用其制出了真空绝热板和真空玻璃。在不考虑边界条件时，真空是导热的最小极限。这种边界条件就是形成真空的封装部分，降低边界条件的导热系数将是这类材料的重点。真空绝热板在我国已经规模化生产，并在建筑工程中应用。
鉴于真空绝热板被刺破后性能会下降，有人提出了真空绝热材料。设想将真空包裹在一个个小的囊泡中，刺穿时只是被刺破的囊泡失效，而不至于影响其它材料性能。图1-15反映了这种作用的原理，如果这种材料得到突破，影响将是深远的。
图1-15 真空绝热板与真空绝热材料的区别
一些惰性气体的导热系数远低于空气［例如氩气 0.0163W/（m·K）］。利用其填充制品和材料也可降低传热系数。目前，中空玻璃中已广泛使用氩气填充。而填充的必要条件是密封，在获得密封前提下，密封板材（充气保温板）均是可行的方案。
（3）对流
对流也需要介质，真空状态没有对流。如果将玻璃棉的导热系数与密度的关系绘制出来（见图1-16），会发现密度越大，导热系数越低。这似乎有悖于“越轻质越保温”的观点。玻璃棉属于层状纤维，在纤维间存在空气。这些层状纤维密度过低，则空气在层间易于迁移，形成对流导热。密度越高，纤维间的空气阻隔作用越大，对流作用越小，导热系数越小。当密度过大时，纤维间空气相对量减少，导热系数又会升高。
图1-16 玻璃棉导热系数与密度的关系
对于闭孔的材料（如图1-17所示的发泡水泥保温板），材料的密度越小，空气含量越大，导热系数越低。因此，导热系数除了与密度有关，还与保温材料的微结构相关。
图1-17 发泡水泥保温板导热系数与密度关系
将气体密闭在一个极小的孔隙中（比如纳米孔），可以获得更低的导热系数。二氧化硅气凝胶就是这类材料（见图1-18），它可以做到98%的含气量，密度仅为3.55kg/m3，导热系数小于0.02W/（m·K）。除此之外，二氧化硅气凝胶还具有热反射作用。更为重要的是，其导热系数随温度变化较小（远小于常规材料），具有不燃烧和防水特性。突破成本问题将是能将其用于建筑保温的关键。利用其光透过特性，还可探讨其在建筑透明体中的保温应用。
图1-18 二氧化硅气凝胶的结构模型和实际结构［15］
1.5.3 无机、有机保温材料发展重点的思考
以硅酸盐材料为基础的无机保温材料，其燃烧等级一般为A级，包括纤维制品（岩棉、玻璃棉）、泡沫制品（泡沫玻璃、泡沫水泥、泡沫陶瓷）及珍珠岩基保温材料等。无机材料的密度一般比有机材料大几倍，其导热系数很难达到有机材料的水平。以离子-共价键为主的硅酸盐材料不具有憎水性，而具有一定亲水性，因此降低导热系数和提高防水能力将是无机材料性能改进的方向。
硅酸盐材料的制造特点在硅酸盐学会的会标中得到了很好的诠释。如图1-19所示，地球表面（地壳）的物质形态主要是硅酸盐，取自于地而归于地时，硅酸盐材料寿命终结时一般对环境污染较小。图中金字塔代表硅氧四面体，以矿物为主的硅酸盐反应需要在一定温度进行，因此决定了硅酸盐行业的生产方式的突出特点是“用火”。尽管人类采用了诸如化学沉积、溶胶凝结等低温方式合成硅酸盐材料，但是，绝大多数硅酸盐材料，如大宗的水泥、玻璃、陶瓷等，仍旧以燃烧方式进行生产。硅酸盐“用火”制造材料所用的装备，称为窑炉，所以，日本用“窑业”一词来表示硅酸盐行业。“窑业”是指制造硅酸盐材料的行业，而不是专指制造窑炉的行业。日本的窑业协会对应于我国的硅酸盐学会。
图1-19 中国硅酸盐学会会标［16］
无机保温材料的“用火”特点决定其需要消耗大量的能源。降低生产能耗，减少排放将是无机保温材料的发展重点。2013年，国家颁布了《岩棉、矿渣棉及其制品单位产品能源消耗限额》GB 30183—2013标准，规定了岩棉、矿渣棉及其制品单位产品能源消耗的限定值、准入值和先进值，见表1-12。现有生产企业要通过技改等措施达到单位产品能耗限定值的要求；新上马的企业不得低于单位产品能耗准入值的要求；鼓励企业通过技术创新和改进达到单位产品能耗先进值的水平。各地对岩棉、矿渣棉的生产污染治理已经取得了不少成绩，强制关停了一批“小岩棉”。
表1-12 岩棉、矿渣棉及其制品单位产品能源消耗限额［17］
北京金隅集团引进了我国第一条全电熔岩棉生产线，为岩棉的未来发展做出了示范。全电熔岩棉生产不必像传统的冲天炉生产那样需要一定粒径的块体原材料，而是采用粉体材料进行熔化，这样就为固体废弃物消纳提供了条件，而且岩棉对原材料的成分又有较大的允许范围。利用钢铁生产的熔渣直接生产纤维类保温材料正在积极的探索中。如果能够实现钢铁生产一边出钢材，一边出建材，那将是巨大的技术进步。
泡沫玻璃玻璃生产也持续进行技术革新。燃油变更为燃气和电力，单模盒生产发展为双模盒和三模盒方式，间隙式粉磨改为连续式粉磨，几乎每三年就要“折腾”出一次技术进步。这些技术进步使得泡沫玻璃的成本得到了大幅降低，增强了生产竞争力。当国外还在论文层面探讨利用显像管玻璃（CRT玻璃）生产泡沫玻璃的可行性时，我国已经实现了产业化利用，成为消纳显像管玻璃的主要渠道。各种瓶罐玻璃也用于泡沫玻璃的制造，大大消耗了堆积如山的空瓶子。
总之，无机保温材料降低了能耗、减少了排放，尽可能多地利用固体废弃物是其未来的发展重点和方向。
有机保温材料的燃烧性能将始终是未来研究和发展的重点。协同阻燃是获得高阻燃性能的重要技术途径。石墨聚苯乙烯中添加磷系阻燃剂，可以起到结焦作用。硬泡聚氨酯是一类高效保温材料，一般需要添加10%～20%（质量分数）的反应型或添加型阻燃剂来达到阻燃性能的要求。
反应型阻燃剂以阻燃聚醚和阻燃聚酯为代表，一般是利用聚醚多元醇或聚酯多元醇的羟基引入含卤含磷的基团，对其进行改性，此类阻燃剂耐迁移性能好，阻燃效率高，但向聚醚多元醇或异氰酸酯中引入阻燃元素的反应消耗羟基，降低了聚醚或聚酯多元醇的羟值，使聚氨酯泡沫材料的交联度降低，材料服役过程中会收缩变形。添加型阻燃剂以含卤含磷的液体阻燃剂为代表，虽然添加此类液体阻燃剂可以提高材料的阻燃性能，但阻燃性能的提高过度依赖阻燃剂的添加量，而且大量液体阻燃剂在基体中会起到增塑剂的作用，使材料在服役过程中发生收缩变形。
总之，有机保温材料可提高燃烧性能等级，用非卤素类阻燃剂替代卤素类阻燃剂，用对环境无影响的发泡剂取代含氟发泡剂，是其未来的发展重点和方向。
1.5.4 保温材料产业结构调整的发展思考
薄抹灰外墙外保温系统在我国的广泛推行有近二十年的历史。薄抹灰系统构造简单、施工方便、技术成熟，是目前应用最为广泛的外墙外保温系统。这种基于现场施工的工程做法正在发生变化。其中发展最快的是保温装饰一体化外保温系统。保温装饰一体化外保温系统将保温材料与饰面层在工厂合成，无需现场施工抹面层和饰面层，这可以提高饰面层的质量，增加饰面层的品种（如石材、仿石材、仿铝塑板、金属板饰面等）。尽管油性涂料具有比水性涂料更好的耐久性和饰面效果，但现场施工将带来极大的VOC的污染，这是清洁空气行动计划和整治雾霾行动中所不允许的。工厂化生产可以将废气回收，然后焚烧。
保温装饰一体化可以采用粘贴法施工。也可采用锚固法施工。前者属于湿作业，后者属于干作业。基于干作业的施工思想已经向“产业化建筑”迈出了一大步，在此基础上形成了工业化生产装配式外墙外保温系统。
面向建筑产业化的保温与结构一体化正在兴起，其目标是推行节能型住宅建筑新体系与产业化。根据国务院对新兴产业发展要求，许多地区对新兴建筑保温与结构一体化技术采取市场主导、政府调控的推进模式开展工作。其中，山东已经以立法的形式将该类技术列入《山东省民用建筑节能条例》。河南、河北等省以政府文件形式，对一体化技术进行了专门规定。
面向产业化建筑的保温方法，技术上的要求是确保设计合理，经济上的要求是控制成本，而控制成本不能单从材料、制品、施工单方面因素考虑，而要从总造价来考虑，因为这是一个产业链的变化，是一种结构性的调整。