化学建材的应用与制造技术

主办：上海市科委发展计划处

　　　上海市科学学研究所

　　本 期 内 容 导 读

　　化学建材是以有机合成高分子材料为主要原料的新型建筑材料，是新型建材的主导品种，现在其已经成为除水泥、玻璃、陶瓷之外的第4大类建材，其主要包括塑料管道、门窗、新型防水材料、建筑涂料，以及其它新型功能性的化学建筑材料。化学建材生产应用能耗低、自重轻施工方便、保护环境，并且能提高建筑的功能与质量，改善居住的条件，因此，世界各工业发达的国家对化学建材优先进行发展。“化学建材的应用”介绍了化学建材的应用的部分内容。

　　熔融插层和相变储能等技术是在化学建材制造中所应用到的化学建材制造技术。开展对化学建材制造技术进行研究的工作，以促进化学建材制造技术发展，进而促进化学建材制造发展。“化学建材制造技术”介绍了化学建材制造技术的部分内容。

　　化学建材的应用

　　化学建材是以有机合成高分子材料为主要原料的新型建筑材料，是新型建材的主导品种，现在其已经成为除水泥、玻璃、陶瓷之外的第4大类建材，其主要包括塑料管道、门窗、新型防水材料、建筑涂料，以及其它新型功能性的化学建筑材料。

　　一、建筑涂料

　　建筑涂料世界目前发展总的趋势是：

 外墙，主要是提高其耐候性（耐老化性或使用周期）、耐污性、防水性、隔热性、隔音性、空气净化的功能等；¡　　

 内墙，主要是改善其抗菌性、防霉、抗静电、空气净化的功能等；¡　　

 环保性，主要是水性化和降低有毒助剂的使用量。¡　　

　　在外墙建筑涂料方面，2000年，德国在全球的范围内率先推出了具有荷叶功能的自清洁外墙建筑涂料，对附着在墙面上的灰尘可以通过雨水达到自清洁效果；2001年，日本则推出了光催化自清洁外墙建筑涂料，通过对附着在墙面上的油污起分解作用达到发挥自清洁的功能。

　　在内墙建筑涂料方面，2000年，瑞士在国际上率先推出了可以产生负离子的舒适型的内墙建筑涂料，并且获得大面积的推广使用。

　　在铝塑板和彩钢板的功能涂料方面，国外铝塑板于20世纪80年代开始逐步得到发展。室外用的铝塑板、彩钢板等金属聚合物涂层材料目前正朝着高耐候性、高抗沾污性、低价位方向发展，而室内用金属涂层材料则朝着环保性、多功能性（例如，抗菌、抗静电等）、高装饰性等方向发展。

　　在超薄型钢结构防火涂料方面，德国Herberts公司研究开发出了3832型水性钢结构防火涂料，涂层厚度2.63mm，耐火极限63min；38091型溶剂性钢结构防火涂料，涂层厚度2.42mm，耐火极限124min。

　　二、功能性塑钢门窗

　　功能性塑钢门窗用PVC塑料开发的关键在于抗菌、抗紫外和抗静电等无机功能性粉体的合成，以及无机功能性粉体复合PVC塑料的制备和塑钢门窗的加工。欧美市场目前儿童玩具是PVC抗菌塑料的主要用途。日本抗菌PVC制品主要用于食品包装、家用电器、建材等方面。JP6-287324介绍了抗菌保鲜PVC食品包装材料，其将PVC、增塑剂、稳定剂和锆银抗菌粉混合后在220℃至230℃下进行熔融吹制，制成一定厚度的PVC样片，此样片对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率在3hr后均达到99%以上。JP6-237870报道了以合成橡胶和硬质聚氯乙烯为主要材料，与无机抗菌剂复配制抗菌菜板。自塑料门窗制造出以来，专家们对塑料型材长期暴露于室外的老化问题进行了各种研究。型材的降解整个形成在其表面，全球目前采取两种方法来解决型材的老化变色问题：一是添加耐侯性的TiO2，以减缓PVC的老化现象，同时应用紫外线吸收剂和抗氧剂来降低PVC的降解；二是添加非耐侯性的TiO2，以调整颜色。TiO2的加入量和自身的表面改性，以及在PVC中分布均匀程度对PVC的表面降解过程有极大的影响。德国所采用的钛白粉专用于型材，人工快速老化4000小时才开始有老化，可以保证在8年内不会有什么老化。因此，加快开发高质量的钛白粉对于解决塑料门窗的老化问题及推广型材行业发展有重要意义。无机功能颗粒填充PVC塑料制品，不但可以赋予PVC塑料以新功能，而且可以提高PVC塑料制品的力学性能。日本的Masao等人发现超细颗粒对PVC有明显的增强作用。无机/高分子复合材料制备的关键问题，在于使无机颗粒均匀分散于高分子聚合物的基体中，并且使无机颗粒与高分子基体之间保持良好的界面结构。世界各国目前对无机/有机复合材料的制备与加工都十分重视，在努力寻求制备聚合物基复合材料制备与加工的有效方法，包括：溶胶凝胶法（Sol-Gel法）、原位聚合法、共混法和插层法。在以往的众多的研究中，大多数考虑将高聚物与无机颗粒材料进行熔融共混。熔融共混法是最有工业化前景的方法，其在普通的加工设备上就能推行。

　　三、太阳光学新材料

　　20世纪70年代的中后期，欧洲、美国、日本及澳大利亚等发达的国家就开始进行具有透明隔热保温特性的太阳光学新材料的研究，相继研究和开发出了各种透明隔热保温薄膜材料，其目前已经在全球的范围内得到广泛应用。这些材料具有非常优异的节能效果，其已经成为城市建筑节能、装饰不可缺少的材料。

　　电致变色材料是主动式功能材料，其光学特性（例如，透射率、颜色）可以根据周围环境的变化，通过电场作用，发生离子与电子的共注入与共抽出，使材料的光学特性发生连续、可逆、任意地变化，实现光密度连续可逆的智能化调控。因此，其最具有实际应用前景，美国和日本，以及欧洲等发达的国家正在进行商业应用研究。近年来，致色性材料在国际上的最新研究表明，与电致变色具有相似变色机理的变色材料——气致变色薄膜正引起人们的极大兴趣。

　　化学建材生产应用能耗低、自重轻施工方便、保护环境，并且能提高建筑的功能与质量，改善居住的条件，因此，世界各工业发达的国家对化学建材优先进行发展。

　　化学建材制造技术

　　熔融插层和相变储能等技术是在化学建材制造中所应用到的化学建材制造技术。

　　一、化学材料制备技术

　　熔融插层技术是高性能聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)最为有效的制备方法之一。自1987年日本的丰田公司中央研究所提出“插层聚合法”及应用于制备PA6/粘土杂化材料以来，美国的Akron大学、Cornell大学、Pennsylvania大学等分别针对不同的聚合物体系进行了研究。

　　应用无机层状硅酸盐材料，借助有机无机纳米杂化技术改性塑料，可以大大改善现有通用塑料与工程塑料的强度、刚性、韧性、耐热性、耐磨性，成为通用塑料与工程塑料高性能化、低成本化的重要方法和途径。有机-无机杂化材料的研究目前就其聚合物基材的种类来讲，已经分别研究了PA、PS、PP、PEO、UP、EP、PI、PC、硅橡胶等聚合物基材。研究的内容主要有有机-无机杂化材料的实验室制备和性能的表征，针对不同的聚合物基材而制备有机蒙脱土，研究此复合体系的热力学、动力学问题及其复合机理。

　　用层状蒙脱土改性PVC、PP。这样既可以提高PVC、PP耐热的温度，又可改善其加工的流动性。这样并且也使PVC、PP具有良好的阻燃性能和自熄性。PVC、PP都是五大通用塑料之一。传统的弹性体增韧PVC，由于加入低模量的橡胶相，常常使材料在韧性提高的同时，其刚性、拉伸强度、耐热性和加工性能都有不同的程度的损失。

　　二、相变储能技术

　　相变储能技术20世纪80年代发起。有关相变储能技术目前在国际上的研究大多数集中在欧、美、日等发达的国家。国际能源机构(InternationalEnergyAgency,IEA)下属的ECES工作部(EnergyConservationthroughEnergyStorage)1998年启动的为期3年主题是相变和化学反应储能的研究计划－Annex10，参加计划的其中有加拿大、日本、瑞典、瑞士、英国、波兰、芬兰、德国等国家。此计划的重点就是展开相变储能建筑材料的研究和产业化，因此，参与者既有大学，也有大公司（例如，德国的Bayer公司和BASF公司等）和中小规模的技术公司。2001年，在Annex10的基础上又启动了Annex17计划－先进相变储能和化学储能技术和材料，增加了西班牙、印度和保加利亚等国家。有机高分子相变物质是相变储能的功能体。美国Dow化学公司曾对20000多种物质进行技术经济分析，认为其中200余种为有应用价值的相变物质，相变温度涵盖了0°C以下到1000°C。有机高分子相变物质具有相变过程稳定可逆、相变温度可以任意调节、相变潜热大、原材料来源广泛、价格低廉等优点，是相变储能材料的重要组成部分。

　　相变储能技术的关键难点有：一是有机高分子相变物质的长期储藏问题，二是相变过程的换热效率问题。在解决这些难题方面，比较成功的例子有法国Cristopia能源系统公司(CristopiaEnergySystems)发明的相变球(Nodules)，相变球由高密度聚乙稀(HDPE)作为球的壳材料，相变温度在-33°C至27°C之间，球体直径有77、78和98毫米3种。与传统的相变储能技术相比，相变球体积大大缩小，明显改善了相变过程的换热效率和长期可靠性，在相变潜热蓄冷技术中，获得了广泛应用，例如，日本三菱公司在Cristopia能源系统公司的专利授权下将相变球技术引入其储能技术中。根据Ismail的研究结果，物体的相变过程完成的时间与其等效半径的平方成正比()，相变物质体积越小，其相变过程的换热效率就越高，完成的时间就越短。由Ismail的公式可以看出，减小相变物质的体积是改善相变过程换热效率的有效方法，相变储能技术还有非常大的改进空间。

　　相变储能技术的热点之一目前是在生态建筑中的应用。包括采用先进的材料复合制备技术将相变物质与封装或骨架材料复合起来，制成复合材料，例如，德国BASF公司和Fraunhofer太阳能系统研究所合作采用微胶囊技术将相变物质封装在高分子聚合物中，制备成相变储能泥灰，便于在建筑领域中使用。此方法的优点是相变物质储藏可靠性高，储能耐久性好，但是其成本非常高。还有的将相变物质与建筑制品直接复合，使建筑结构同时具有承重和相变储能的双重功能，例如，加拿大Concordia大学Feldman教授等人将有机高分子相变物质渗入建筑制品（例如，石膏板或多孔混凝土砌块等），制成具有相变潜热储能功能的建筑墙板和砌块等。

　　开展对化学建材制造技术进行研究的工作，以促进化学建材制造技术发展，进而促进化学建材制造发展。

　　◇以上内容仅供参考