聚氨酯材料（PU）在节能门窗领域中的应用

1 引言

聚氨酯材料应用范围十分广泛，遍及国民经济及工业生产各部门，亦在日常生活中随处可见。聚氨酯材料是目前国际上性价比最高的保温材料之一，广泛运用于家具、家电、建筑、交通、体育、制鞋制革业等。聚氨酯硬泡主要用于建筑行业，如外墙保温板材、冷藏冷冻设备及冷库保温材料、管道保温材料、密封胶、防水涂料等。在欧美发达国家，建筑用聚氨酯硬泡占硬泡总消耗量的70%左右。在中国，硬泡在建筑业中的应用还不像西方发达国家那样普遍，所以发展的潜力非常大。近年来，聚氨酯硬泡逐渐在门窗型材中应用，并取得了优秀的保温隔热表现，使其在门窗节能领域开始发挥重要作用。

2 国内外建筑节能及门窗节能要求

我国建筑节能以1986年原建设部颁布《北方地区居住建筑节能设计标准》为标志而启动，当年出版的《民用建筑节能设计标准》中要求新建居住建筑在1980年当地通用设计能耗水平基础上节能30%。

1995年《民用建筑节能设计标准》修订版要求将第二阶段的建筑节能指标提高到50%。

1997年全国人大常委会颁布的《中华人民共和国节约能源法》赋予了节能法律地位，明确了“节能是国家发展经济的一项长远战略方针”。

2001年原建设部颁布了《夏热冬冷地区居住建筑节能标准》，标志着我国的建筑节能已经由北方向中部地区推进。

2005年原建设部发布《关于发展节能省地型住宅和公共建筑的指导意见》要求强制执行节能50%的标准，设立北京、天津、大连、青岛、上海、深圳六市率先试点节能65%的标准。

2011年国务院办公厅发布的《“十二五”节能减排综合性工作方案》中指出：推动建筑节能，制定并实施绿色建筑行动方案，从规划、法规、技术、标准、设计等方面全面推进建筑节能。随即印发的《国务院关于印发“十二五”节能减排综合性工作方案的通知》明确提出单位GDP能耗在2010年基础上下降16%的节能目标，北方采暖地区既有居住建筑供热计量和节能改造4亿平方米以上，夏热冬冷地区既有居住建筑节能改造5千万平方米，公共建筑节能改造6千万平方米的要求。

2016年国务院印发了《“十三五”节能减排综合工作方案》作为指导“十三五”全国节能减排工作的纲领性文件，其中要求：到2020年城镇绿色建筑面积占新建建筑面积比重提高到50%，强化既有居住建筑节能改造，实施5亿平方米以上改造面积，2020年前基本完成北方采暖地区有改造价值城镇居住建筑节能改造。

经过近二十年的努力，我国建筑节能有了一定发展。截止目前，建筑节能已成为国家能源战略的主要议题，纳入国家中长期发展规划。

近年来，随着被动式建筑概念传入我国，在国家节能减排的大环境下，一些省市也出台了地方性节能建筑标准，如2015年9月24日由住房城乡建设部科技发展促进中心和河北省建筑科学研究院会同有关单位编制的《被动式低能耗居住建筑节能设计标准》，经组织审查，批准为河北省工程建设标准，DB13(J)/T177—2015，自2015年5月1日起实施。2016年山东省政府出台了DB37∕T5074-2016被动式超低能耗居住建筑节能设。

作为建筑的部件，对门窗的节能要求和也在上述法规及标准中得到体现。

寒冷地区（以河北为例）河北省2009年颁布的《公共建筑节能设计标准》DB13(J)81-2009要求外窗传热系数K≤2.7W/(m2·K)，局部城市外窗传热系数K≤2.5W/(m2·K)；2016年颁布的《公共建筑节能设计标准》DB13(J)81-2016要求外窗传热系数K≤2.3W/(m2·K)。

夏热冬冷地区（以江苏为例）江苏省2010年颁布的《江苏省公共建筑节能设计标准》DGJ32J_96—2010要求外窗传热系数2.3W/(m2·K)≤K≤3.5W/(m2·K)。

欧洲对门窗的节能要求则要高得多。以德国为例，其1977年的外窗传热系数U≤3.5W/(m2·K)，1995年就降到了U≤1.8W/(m2·K)，2009年哥本哈根气候变化大会后其外窗传热系数要求降为U≤1.3W/(m2·K)，2015年起，U≤0.8W/(m2·K)。在丹麦，现行外窗传热系数与德国一致，也是U≤0.8W/(m2·K)。

外窗传热系数不高于0.8W/(m2·K)正是现行德国被动式建筑材料对窗户的节能要求。

从图1可以看出，我国门窗性能要求总体与德国相比相差太多。这使得我国在门窗节能设计和制造的路上任重道远。提高门窗节能性能的方法，普通做法是在原来结构基础上采用叠加的原理增加门窗材料的厚度，以铝合金（包含断桥铝）门窗设计为例，从55系列、60系列、70系列、90系列直到120系列等等，都是在框材深度上做加法，同时会在框材结构上稍作改进。但是，框材厚度的增加，也增加了材料成本和相关的制造成本。这为门窗节能的改进、在材料领域开放思维、开发和使用新型材节能材料提供了舞台

图1 中德门窗性能要求对比

3、聚氨酯材料

3.1 聚氨酯综合特性

“聚氨酯”是聚氨基甲酸酯的简称，英文名称是polyurethane，英文缩写PU或PUR。它是一种有机高分子材料，被誉为“第五大塑料”。聚氨酯最早于1937年在德国发明，由异氰酸酯（单体）与羟基化合物（聚醚型或聚酯型）在一定比例下反应聚合而成。

PU具有诸多优良特性，包括：

（1）性能可调范围宽、适应性强；

（2）耐磨性能好；

（3）机械强度大；

（4）粘接性能好；

（5）弹性好，具有优良的复原性，可用于动态接缝；

（6）低温柔性好；

（7）耐候性好，使用寿命长；

（8）耐油性好；

（9）憎水率高。

聚氨酯是以异氰酸酯和聚醚、聚酯多元醇为主要原料，在发泡剂、催化剂、阻燃剂等多种助剂的作用下，通过专用设备混合，经高压发泡而成高分子聚合物，主要分为软泡（Flexile PU）、硬泡(Rigid PU)、弹性体（PU Elastomers）等几种类型。

3.2 聚氨酯发泡材料

聚氨酯发泡材料是以异氰酸酯和聚醚、聚酯多元醇为主要原料，在发泡剂、催化剂、阻燃剂等多种助剂的作用下，通过专用设备混合，经高压发泡而成的高分子聚合物。

聚氨酯软泡为开孔结构，具有密度低、弹性回复好、吸音、透气、保温等性能，发挥的主要功能是缓冲，非常适合作为垫材材料，垫材也是软泡用量最大的应用领域如床垫、沙发、座椅、枕头等；同时聚氨酯软泡也是理想的吸音材料，可以用来制成吸音棉。

聚氨酯硬泡是一种热固型塑料，为闭孔结构，具有保温与防水功能；导热系数低为0.022~0.1W/(m·Κ)相当于挤塑板的一半，是目前所有同一层次保温材料中导热系数最低的。聚氨酯硬泡主要用于建筑行业，如外墙保温板材、冷藏冷冻设备及冷库保温材料、管道保温材料等。

表1 不同材料的导热系数对比

3.3 聚氨酯弹性体

聚氨酯弹性体的运用同样十分广泛，从机械零件到轮胎，从防水材、胶带到合成革、聚酯纤维。它主要分为：

3.3.1 浇注型聚氨酯弹性体（CPU）

CPU是聚氨酯弹性体中应用最广、产量最大的一种，占聚氨酯弹性体总量的65%左右。CPU成型方便，将液状反应物注入模具中，经加热即可固化成形状复杂的制品，适合于大型制品的制造。它的应用很广，可用于合成革、防水铺装材料、体育跑道、建筑防水材料等。目前，浇注式断桥铝门窗型材中的断桥填充部分经常使用这种材料。

3.3.2热塑型聚氨酯弹性体（TPU）

TPU又称热塑性聚氨酯橡胶，约占聚氨酯弹性体总量的25%左右。它加热可以塑化，使用溶剂可以溶解，具有高强度、高韧性、耐磨、耐油等优异的综合性能。加工性能好，广泛应用于国防、医疗、服装、食品等行业，可制造成为氨纶纤维、鞋垫、运动器材、电线电缆护套、消防服、玩具、覆膜材料等。

3.3.3 混炼型聚氨酯弹性体（MPU）

MPU又称混炼型聚氨酯橡胶，约占聚氨酯弹性体总量的10%左右。它具有极高的机械强度和优良的耐化学药品性、耐油性。MPU在机械领域使用较多，在湿热环境和油性环境中发挥稳定作用，被制造成为如胶辊、密封圈、油封、轴承、衬套等机械零部件。

4、聚氨酯在节能门窗领域中的应用

4.1 浇注式断桥门窗料

浇注式断桥工艺：铝型材的隔热槽与浇注机浇注头对齐，通过传带或其他传送机构使型材匀速直线经过浇注机浇头下方，将液体隔热材料注到隔热槽内，经过特定时间段的固化后再进行切桥，最终形成断桥结构。

图2 浇注式断桥工艺

浇注式断桥门窗材料中的隔热弹性胶，具有高的拉伸强度，优良的弹性、耐磨性、耐油性和耐寒性，其导热系数达0.12W/(K·m)。与相同级别的普通穿条式（穿条材料PA66）铝断桥料相比，无论是在工艺，材料成本还是隔热效果上都有明显的优势。

图3 浇注式断桥门窗

4.2 聚氨酯与玻璃纤维拉挤成型门窗材料

玻璃纤维与聚氨酯共挤的复合材料是以无纺玻璃纤维为增强相，聚氨酯为基体，通过拉挤工艺（如图4所示）成型的。通过不断改进，使聚氨酯室温胶凝时间延长至30min以上，这种条件下在较高温度下仍可保持很快的固化速度，单向拉挤线速度可达1.8m3/min。

图4 拉挤工艺

材料的导热系数0.22W/(K·m)，门窗料的传热系数1.0~1.5W/(K·m2)，配合三玻两腔中空玻璃整窗传热系数1.0~2.0W/(K·m2)，这种窗框比铝、木和塑料窗框好很多。其具有优良的胀缩性能，可耐受各种气候条件，从北极严寒到海港酷热及海边潮湿。可经涂漆或后加工而形成木质外观（如图5所示）。

图5 木质外观的窗框

4.3 聚氨酯硬泡材料WG75聚氨酯隔热铝合金门窗材料

聚氨酯隔热铝合金是以聚氨酯硬泡（MDI）为核心，以欧洲节能门窗结构为基础设计的新一代聚氨酯铝合金节能门窗材料。

4.3.1 双层结构，更贴近客户要求

WG75聚氨酯隔热铝合金材料采用双层结构设计，如图6所示。

（1）外型材：铝材6063-T5，表面可以采用不同的处理方式：粉末喷涂、氟碳喷涂、木纹转印、阳极氧化等，适应不同客户的需求。

（2）内型材：铝材6063-T5，阳极氧化。

（3）聚氨酯硬泡内核是有机高分子材料，具有重量轻、隔热好、易成形、吸音、阻燃、憎水、耐老化等性能。

图6 双层结构

4.3.2结构合理，充分利用热工及门窗设计原理

（1）三层密封条：形成两密闭腔体，阻断水流与气流，带来更低U值；

（2）更小空气腔：带来更低U值；

（3）玻璃密封胶：阻隔水流及气流；

（4）导水通道：引导雨水流出；

（5）中部密封条：空气腔中的关键，阻隔水流及气流。

图7 设计原理

4.3.3优良的物化性能

温格润聚氨酯铝合金材料是一种硬泡热固性塑料（500Kg/m3），其主要物化性能见表2：

4.3.4 WG75聚氨酯隔热铝合金窗热模拟等温线及热流图像（如图8所示）

4.3.5优良整窗性能（见表3）

表2 聚氨酯铝合金材料物化性能

图8 聚氨酯铝合金材料模拟等温线及热流图像

表3 整窗性能

4.4 不同材质的门窗隔热性能K值对比

以固定窗1200(高H)×800(宽W)为基础，以CALUWIN热工软件理论计算，仅作参考（见表4）。随着国家节能减排政策的深化以及被动式建筑理念的进一步推广，在建筑节能领域对节能环保的要求会进一步提升，也会促使节能门窗领域技术人员对门窗的结构进一步优化。不管是聚氨酯弹性体门窗材料、玻纤与聚氨酯共挤门窗材料，还是温格润聚氨酯铝合金材料，在与相同水平的门窗材料相比中都体现出极大的优势，将会促使聚氨酯发泡材料推陈出新，使用新的技术，推进该材料在节能门窗领域走得更远。

表4 热工计算

5、回收再利用

聚氨酯隔热型材中的聚氨酯硬泡材料，可进行回收再利用。

回收技术可分为两种：

5.1物理回收法

物理回收技术是采用黏结加压成型、作填料、挤出成型等。该方法简单易行，也比较成熟，但回收的材料目前只适合制作低档产品，老化也快。

5.2化学回收法

化学回收就是在一定条件下采用醇解、水解、碱解、热解的方法把软质聚氨酯泡沫中的氨基甲酸酯基和脲基断裂，分解成多元醇及芳香族胺、二氧化碳等，然后通过蒸馏等设备，将分解的物质进行分离，达到回收的目的。化学回收法技术工艺相对复杂，成本相对较高，工业化成熟较晚，仍在不断的推新中，但最终回收的泡沫性能较好。

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