隔热建筑复合材料开发中可再生资源和废弃物的运用

　　摘要：建筑供暖系统和制冷系统是能源消耗的主要来源之一，其中建筑保温性能决定着建筑温控能耗的高低。聚苯乙烯、聚氨酯泡沫塑料等聚合物基保温材料，此类材料存在着如成本高、热控和机械性能差、健康环保问题突出等诸多应用瓶颈，给建筑施工带来了困难和挑战，同时材料生产过程产生的“三废”对生态环境有潜在的污染风险。因此，有必要开发性能优异、环境影响较小、价格便宜的绝缘材料。本文综述了国内外可再生资源和废弃物在保温材料中应用所开展的相关研究工作，以期为高隔热性能建筑复合材料的研发工作提供参考。

　　关键词：可再生; 高分子材料; 保温材料; 建筑隔热;

　　Review on the Application of Polymer Environmental Protection Composite Materials in Building Thermal Insulation

　　JIN Hua YUAN Guangying WANG Long

　　Shaanxi Railway Institute

　　Abstract：Building heating system and r efrigeration system is one of the main sources of energy consumption, in which the building thermal insulation performance determines the level of building temperature control energy consumption. Polymer based thermal insulation materials including polystyrene and polyurethane foam exist many bottlenecks, such as high cost, poor thermal control and mechanical properties, outstanding health and environmental protection problems, which bring difficulties and challenges to building construction. At the same time, the "three wastes" produced in the material production process have potential pollution risks to the ecological environment. Therefore,it is necessary to develop insulating materials with excellent performance, less environmental impact and low price. In this paper, the related research work on the application of renewable resources and wastes in thermal insulation materials at home and abroad was summarized in order to provide reference for the research and development of high thermal insulation building composite materials.

　　由于供暖系统和空调的普及使用，住宅和商业区的能源消耗大幅度地增加，使得建筑节能已成为当今最重要的环保主题之一。尽管全球学者们在发展可再生能源方面做出了许多研究成果，但是发电的主要原料仍为化石燃料。目前世界上大约70%的电力依赖使用煤炭、天然气和石油产品[1,2]。而其中，2016年全球39.5%的能源用于建筑物供暖和制冷，用于控制住宅和商业建筑温度的能源分别为16843和15082万亿BTU[3]。为应对自然资源的大幅度消耗和气候变暖的现象，联合国各成员签订了“联合国气候变化框架公约”(简称“气候公约”，其中要求到2030年国内温室气体排放量比1990年削减至少40%，并且到2020年与1990年能源消耗相比减少能源消耗的20%，到2050年减少50%[4,5])。联合国各成员也顺应这项条约的要求采取了一系列措施，诸如增加可再生能源的使用，提高建筑、工业和家用电器的能效等等[6]。

　　住宅及商业建筑中使用保温建筑材料也可以归为减少能耗的方法。这种保温建筑材料通过最大限度地提高制冷和供暖系统的效率来减少系统能量损失[7,8]。此外，在施工中采用保温材料，不仅可以降低制冷供暖用电的运行成本，还会降低设备冷热件的初始安装固定成本。大多数保温建筑材料由保温材料、填料和其他添加剂制成[9]。一般可分类为无机材料(例如，玻璃、岩石、矿渣、羊毛和陶瓷产品)和有机材料(例如，纤维素、棉花、木材、纸浆、甘蔗、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氨酯和其他有机高分子材料)。有机高分子材料由于其稳定的物理和化学性质而被公认为是良好的绝缘材料[10]。除了传统的保温材料外，还有正在研发的先进的保温材料，如真空绝缘板(VIP)、充气板和气凝胶等等[11]。然而，传统的隔热材料和较新的隔热材料都存在力学性能低、成本高、毒性大等缺点，造成在实际应用中存在不同程度困难和局限性[12,13]。因此，另一个研究趋势是在保持建筑材料大部分机械强度的同时，开发导热系数较低的结构材料。利用天然材料或废弃物作为主基质的一部分，可以降低保温材料的成本，这也将有助于减少CO2的排放[14,15]。本文对近几十年来国内外在各种保温材料开发方面所开展的研究工作进行了整理，重点分析了可再生资源和废弃物在保温材料开发中的利用，以期为保温材料的研究方向作出指引提供参考。

　　1 椰子壳与甘蔗皮

　　正确使用工业、农业和生活废弃物来作为原材料制成保温材料可以有效地起到“以废制宝”的效果。因此研究人员对以下几种废弃物制成保温材料的应用进行了探索。椰子壳是制作椰汁饮料的生产废弃物，这在热带国家的沿海地区很容易获得。椰子外壳由30%的纤维和70%的木髓组成，其中纤维和木髓中都具有非常高含量的木质素和酚类物质，并且研究表明以椰子作为原材料制成的糠皮木质素可作为板材生产中的天然树脂。甘蔗渣是制糖的副产品，其中含有十分丰富的纤维素酶，可在制作纸板时起到黏结作用，两种废弃物实物图如图1所示。因此基于这两种废弃物的特性，Goncalves和Bergmann[16]利用了稻壳灰来生产保温材料。并对所生产的材料进行化学和物理表征，表征结果表明其保温性能主要与其微观结构有关。随后对保温性能进行试验，试验结果表明，虽然稻壳灰热导率较低，但仍然高于市面上常用的由硅藻土制成的商业保温材料。随后Panyakaew和Fotios[17]使用热压法将椰子壳和甘蔗渣制成了一种低密度并且无黏结剂的保温板，并探究了其密度和热压条件对保温板物理性能的影响情况。结果表明，保温板的机械性能随着板密度、压制时间和温度的增加而增加，并且保温板的导热率值与传统的隔热材料（如纤维素纤维和矿棉）相近。由于这种保温板是由废料制成的，不含任何化学黏结剂，因此它对环境友好，并且具有良好的保温性能，能够应用于商业生产中。

　

　　图1 椰子壳废弃物和甘蔗皮废弃物图（上为椰子壳废弃物，下为甘蔗皮废弃物）   

　　2 棉与纺织废弃物

　　棉与纺织废弃物是工业生产中常见的废弃物，本身就具有一定的保温性能，研究人员对棉与纺织废弃物的回用研究做出了大量的工作。Binici[18]等人使用一种棉花废料和纺织灰渣制成了一种新型绝缘材料，并研究了所生产材料的性能。结果表明，棉绒和纺织灰渣可用于制造具有良好隔热性能的砖块、墙板及天花板，并且在调节室内温度方面优于混凝土砖房。且Binici等[19]在另一项研究中，使用棉屑、粉煤灰和环氧树脂生产具有不同导热率的保温板。研究发现，使用棉花废料和粉煤灰合成保温板具有更好的隔音效果和隔热效果。此外Briga-Sa等[20]探究了机织织物废料（WFW）作为隔热建筑材料的潜在适用性，机织织物废料图可见图2。实验结果表明，WFW在应用于普通建筑材料中可以使其保温性能提高56%，并且其热导率值类似于膨胀聚苯乙烯（EPS），且高于聚苯乙烯（XPS）和矿棉（MW）的值。说明了棉与纺织相关废弃物能够良好地与填充材料结合形成保温材料，具有一定的实用价值。

　

　　图2 机织废弃物图   

　　3 皮革及其生产废物

　　近年来，一些研究人员发现，在建筑材料中添加高分子材料或者天然材料可能可以提高其物理或者化学特性，而皮革废料就是其中一种具有良好应用前景的材料，皮革生产废弃物图可见图3。Lakrafli等[21]研究了添加皮革废料对水泥和石膏复合材料试样的机械和热性能的影响。实验结果表明，随着制革厂皮革废料含量的增加，材料试样的密度、机械强度和导热系数显着降低。随后再将皮革废料用于填充中空样本，明显地减低了对试样材料机械强度的影响，与此同时也降低了材料的导热系数。在Lakrafli等人[22]的另一项研究中比较了两种皮革废料（湿蓝色铬屑（CS）和皮革抛光粉尘（BD））和两种木工废料（木屑（WS）和锯末（SD））作为替代建筑保温材料的潜在应用价值。实验结果表明两种皮革废料的热导值远低于两种木工废料。所以皮革废料由于其低导热值和低成本的特点，是有可能替代现有的保温材料。Ledhem等[23]研究了不同生产废物（如黏土、皮革屑、水泥、木屑）的掺入对水泥和石膏复合材料性能的影响。研究结果表明，随着皮革屑含量的增加，热导率降低程度明显，当皮革屑的重量比例达30%时，热导率的降低约为85%。

　

　　图3 皮革废弃物图   

　　4 橡胶及塑胶废物

　　废弃的旧轮胎已成为世界上难以处理的污染源之一，其废弃物如图4所示。废轮胎不仅会危害环境，而且还存在着对人体产生健康影响的问题。由于天然矿产资源的短缺和废物处理成本的增加，在建筑中使用废橡胶正成为一种有益地回收废旧橡胶的公认方法。近年来，许多研究人员也对废橡胶的废物利用进行了许多研究工作，比如将废旧汽车轮胎中的橡胶用于建筑、混凝土和水泥复合材料中。

　　Van de Lindt等[24]研究通过在木质建筑材料中添加由粉煤灰与碎屑轮胎制成的纤维复合材料到传统的玻璃纤维隔热材料中来降低其导热效率的可能性。Sulcis等[25]也通过乙烯催化聚合法从废弃轮胎中制备了具有HDPE基体和橡胶粉的杂化复合材料，并通过表征验证其架构对导热效率的影响。另一方面，Piszczyk等[26]研究了磨碎的轮胎橡胶对软质聚氨酯泡沫的结构、机械和热性能的影响。实验结果均表明轮胎橡胶材料对复合材料的热稳定性有积极的影响。此外，橡胶材料也是一种良好的填料。最近，Abu-Jdayil等人[27]研究使用以废橡胶颗粒作为填料的聚酯-填料复合材料作为绝缘材料。通过使用不同的橡胶质量占比来制备复合材料，并对其物理和化学性能改变作出研究。研究结果表明，橡胶颗粒作为一种填充剂，可与不饱和聚酯一起用于生产保温材料。并且将橡胶颗粒填充到复合材料中会显着降低其导热性和密度。所以橡胶材料由于其成本低，且具有良好的可塑性和可加工性，具有一定的商业应用价值。

　　

　　图4 橡胶废弃物图  

　　5 其他自然废弃物

　　一些研究人员利用天然纤维高孔隙率的特点来制作保温材料。纤维素作为天然纤维中的常见材料被广泛应用于绝缘材料的开发中。Asdrubali等[28]研究了用废纸制成的耐腐蚀门板并对其隔音和隔热性能作出了验证。实验结果表明，由于门板内部具有较高的孔隙率，使得其允许空气进入其凹槽，这提高了门板的保温性能，并且门板具有自支撑结构，无须额外的胶黏剂，可以随时回收利用。Belkharchouche[29]使用蔬菜纤维与建筑材料混合以期在提高保温性能的同时降低建筑材料的重量。研究结果表明，在混凝土中添加蔬菜纤维可以使复合材料的密度和热导率显着降低。但是随着蔬菜纤维的含水率增加，其热导率会逐渐升高，说明使用时需要控制蔬菜纤维的含水率。Aksogan等人使用废弃的报纸为基础材料混合珍珠岩和灰泥等无机材料制成保温材料。并对所生产的样品进行导热率测试，实验结果表明该材料导热率在0.063～0.15 W/(m·K)的范围内，说明保温性较好。

　　此外根据Pedreno-Rojas[30]的研究报告表明，使用工业石膏板生产中的石膏废料可以100%代替建筑用石膏，并且无须额外进行任何热处理，即可以保持良好的性能。并且通过这种废物利用，石膏的密度、机械性能和导热性得到了轻微的改善，其最佳导热系数为0.187W/(m·K)。

　　6 结束语

　　现阶段使用工业或生活废弃物制作保温材料是一种主流的研究趋势，在保证原保温材料的机械强度的情况下，大幅度降低其导热系数是研究的关键所在。研究人员从农业和工业废弃物为切入点，引入“以废制废”的理念，通过废物再利用来解决废物管理问题。不同的废弃物如农业残留物、纺织废料、废橡胶和废纸等可以与其他无机或者有机材料结合制成保温材料。且由于这些由废弃物制成的保温材料具有较大的成本优势和良好的保温能力，具有取代现阶段常用商用保温材料的潜力。

　　综上所述，可以得出结论，目前使用废弃物制作保温材料的工艺已经较为成熟，但是其中或多或少仍然存在如导热性、机械/建筑能力、环境和人类健康安全以及成本等问题。所以需要针对性开发来解决其缺陷，以期能够满足商用保温材料的使用需求。

　　参考文献

　　[1]P.Fragkos,N.Tasios,L.Paroussos,et al.Energy system impacts and policy implications of the European Intended Nationally Determined Contribution and low-carbon pathway to 2050[J].Energy Policy,2017(100):216-226.

　　[2]Q.Liu,Y.Zhang,H.Xu.Properties of vulcanized rubber nanocomposites fifilled with nanokaolin and precipitated silica[J].Appl.Clay Sci,2008(42):232-237.

　　[3]B.P.Jelle.Traditional,state-of-the-art and future thermal building insulation materials and solutions-properties,requirements and possibilities[J].Energy Build,2011 (43):2549-2563.

　　[4]L.Aditya,T.Mahlia,B.Rismanchi,et al.A review on insulation materials for energy conservation in buildings[J].Renew.Sustain.Energy Rev,2017(73):1352-1365.

　　[5]D.M.S.Al-Homoud.Performance characteristics and practical applications of common building thermal insulation materials[J].Build.Environ,2005(40):353-366.

　　[6]J.Zach,J.Hroudová,J.Brozˇovsky′,et al.Development of thermal insulating materials on natural base for thermal insulation systems[J].Procedia Eng,2013(57):1288-1294.

　　[7]J.Khedari,N.Nankongnab,J.Hirunlabh,et al.New low-cost insulation particleboards from mixture of durian peel and coconut coir[J].Build.Environ,2004(39):59-65.

　　[8]J.Xu,R.Sugawara,R.Widyorini,et al.Manufacture and properties of low-density binderless particleboard from kenaf core[J].Wood Sci,2004(05):62-67.

　　[9]席继宁.探讨建筑工程中节能新材料新技术应用[J].砖瓦,2020(09):96-97.

　　[10]江威,刘倩,曲军辉,等.保温材料自然气候模拟条件下导热系数的研究[J].绿色环保建材,2020(09):1-2.

　　[11]杨自春,费志方,赵爽,等.有机-无机杂化气凝胶隔热材料的研究进展[J].海军工程大学学报,2018,30(06):42-49.

　　[12]陈建,李佳宁,陈建军,等.浅析外墙保温技术及保温材料研究进展[J].能源与节能,2015(11):94-96.

　　[13]张红林,王翠翠,杨辉,等.非金属矿物材料在无机保温材料中的应用及进展[J].中国非金属矿工业导刊,2019(04):7-9+19.

　　[14]刘然.新型外墙保温防火材料应用与发展研究[J].工程技术研究,2018(12):73-74.

　　[15]绝缘/保温/吸隔声材料现状及工程应用[A].中国硅酸盐学会绝热材料分会.中硅会绝热材料分会第二届学术年会会刊[C].中国硅酸盐学会绝热材料分会:中国硅酸盐学会,2017:20.

　　[16]M.R.F.Goncalves,C.P.Bergmann.Thermal insulators made with rice husk ashes:production and correlation between properties and microstructure,Constr[J].Build.Mater,2007(21):2059-2065.

　　[17]S.Panyakaew,S.Fotios.New thermal insulation boards made from coconut husk and bagasse[J].Energy Build,2011 (43):1732-1739.

　　[18]H.Binici,R.Gemci,O.Aksogan,et al.Insulation properties of bricks made with cotton and textile ash wastes[J].Int.J.Mater.Res,2010(101):894-899.

　　[19]H.Binici,R.Gemci,A.Kucukonder,et al.Investigating sound insulation,thermal conductivity and radioactivity of chipboards produced with cotton waste,flfly ash and barite[J].Constr.Build.Maters,2012(30):826-832.

　　[20]A.Briga-Sá,D.Nascimento,N.Teixeira,et al.Textile waste as an alternative thermal insulation build material solution[J].Constr.Build.Mater,2013(38):155-160.

　　[21]H.Lakraflfli,S.Tahiri,A.Albizane,et al.Effect of wet blue chrome shaving and buffifing dust of leather industry on the thermal conductivity of cement and plaster based materials[J].Constr.Build.Mater,2012(30):590-596.

　　[22]H.Lakraflfli,S.Tahiri,A.Albizane,et al.Experimental study of thermal conductivity of leather and carpentry wastes[J].Constr.Build.Mater,2013(48):566-574.

　　[23]A.Ledhem,R.M.Dheilly,M.L.Benmalek,et al Properties of wood based composites formulated with aggregate industry waste[J].Constr.Build.Mater,2000(14):341-350.

　　[24]J.W.Van De Lindt,J.A.H.Carraro,P.R.Heyliger,et al.Application and feasibility of coal flfly ash and scrap tire fifiber as wood wall insulation supplements in residential buildings[J].Resour.Conserv.Recycl.,2008(52):1235-1240.

　　[25]R.Sulcis,L.Lotti,S.Coiai,et al.Novel HDPE/ground tyre rubber composite materials obtained through in-situ polymerization and polymerization fifilling technique[J].J.Appl.Polymer Sci,2014(13):1-13.

　　[26]L.Piszczyk,A.Hejna,K.Formela,et al.Effect of ground tire rubber on structural,mechanical and thermal properties of flflexible polyurethane foams[J].Iran.Polym.J,2015(24):75-84.

　　[27]B.Abu-Jdayil,A.-H.Mourad,A.Hussain,et al.Thermal and physical characteristics of polyester-scrap tire composites[J].Constr.Build.Mater,2016(105):472-479

　　[28]F.Asdrubali,A.L.Pisello,F.D.Alessandro,et al.Innovative cardboard based panels with recycled materials from the packaging industry:thermal and acoustic performance analysis[J].Energy Procedia,2015(78):321-326.

　　[29]D.Belkharchouche.Effects of moisture on thermal conductivity of the lightened construction material[J].Int.J.Hydrogen Energy,2016(41):7119-7125.

　　[30]M.A.Pedreno-Roja.Inflfluence of the heating process on the use of gypsum wastes in plasters:mechanical[J].thermal and environmental analysis,J.Cleaner Prod,2019 (15):444-457.