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贵州保溫材料分析丨岩棉保溫材料的優勢與應用

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贵州保溫材料分析丨岩棉保溫材料的優勢與應用

發布日期:2018-09-13 00:00 來源: 點擊:

贵州保溫材料分析丨岩棉保溫材料的優勢與應用


保溫材料按照材质组成来划分,大致可以分为两大类:一是有机聚合物绝热材料,如发泡聚苯乙烯泡沫板、硬质聚氨酯泡沫板等;二是无机保溫材料,如岩棉、玻璃棉、泡沫玻璃板等。其中,以岩棉、玻璃棉为代表的矿物棉因具有其他保溫材料所不具有的优点,在保溫材料行业内备受推崇,产量一直呈现逐年上升的态势。其中岩棉以其更高的耐火极限和熔点温度,在建筑保防火保温方面更受青睐,近几年来,贵州保溫材料産量呈一路增長態勢。

岩棉是目前使用量最大、增长最快的无机保溫材料。那么究竟什么是岩棉?岩棉是不是一种绿色的保溫材料?本文将从岩棉的特点、应用和生产等方面进行阐述。

岩棉的定義

岩棉的發現是在夏威夷島第一次火山噴發之後,島上的居民在地上發現了一縷一縷融化後質地柔軟的岩石,這就是最初人類認知的岩棉纖維。當把這種纖維制作成板狀、氈狀或者管狀材料後,它就被賦予了很好的保溫隔熱、吸音降噪的性能。

在上世纪初,西方国家就已经实现了岩棉的工业化生产。其大致步骤是,将一定粒径的原材料和焦炭按照设计的配合比送入熔制炉(冲天炉)中熔化成液体,液流经过导液槽流入离心成纤设备上被拉长成短纤维。在成纤过程中将粘结剂、憎(亲)水剂等喷洒在纤维表面。这样,岩棉的每根纤维表面均有粘结剂和憎(亲)水剂,成板后制品无论如何切割,其表面均具有憎(亲)水性。纤维经过集棉装置后被输送到摆锤机上进行叠棉,成为一定厚度的叠加棉层。当对岩矿棉的力学强度有要求的时候,棉层进入打摺机中进一步挤压堆叠,或者再经过纵向压摺,进一步加大棉层的空间交叉绞合。然后进入固化炉中固化,固化作用是将粘结剂在一定温度下固化,使材料定型成为具有一定抗压强度的制品。贵州保溫材料連續固化得到的制品經過切割裁剪,成爲一定規格的板材,最後檢驗包裝,得到最終的岩棉産品。

岩棉VS其他材料

石棉(asbestos)也是一種廣爲人知的纖維材料。對普通人來說,“岩”和“石”聽起來非常接近,把這兩種材料混爲一談的大有人在,這種認知偏差可能導致了對岩棉産業的負面影響,甚至會引發一些社會矛盾。南京萬科“毒牆門”事件就是一個縮影。

那麽,岩棉和石棉有什麽區別呢?它們之間最本質的不同是,岩棉一種非晶態的人造纖維,石棉是晶態的天然礦物纖維。石棉具有一些比較好的性能,如耐磨擦、耐高溫、絕緣性等,在有些領域還不可替代。但由于石棉的纖維是晶態的,它的纖維尺寸極小,其直徑僅有頭發絲的百分之一,且穩定性好,能在空氣和水中懸浮數周。石棉已經被確認對人體健康是有害的,被國際癌症研究中心肯定爲致癌物,在建材領域被明令禁止使用。

说到这里,有些读者可能会想,既然石棉对人体有害,那么岩棉也是矿物纤维,它对人体有没有害处呢?其实对这一点倒不用担心。现在岩棉的单纤维直径普遍在3微米以上,这种尺寸的纤维很难被人体吸入。世界卫生组织已经就岩棉纤维是否致癌进行了大量研究,结果清楚表明:岩棉纤维不是致癌物。另外,欧洲权威机构已经在这个问题上有几十年的研究经历,也没有任何证据说明岩棉具有致癌性。国际癌症研究署的专题项目(Monographs Programme)专家组得出的结论是,常用的隔热玻璃棉、隔热岩棉与隔热矿渣棉的玻璃纤维棉,不被归类为人类致癌物质。在国内的学术界,也已经有专家在岩棉与人体健康的问题上做出了研究,指出在生产车间工作的工人和办公区工作的员工,他们的肺部情况没有显著的区别。正是出于以上强有力的理论基础和客观事实,岩棉在西方发达国家得到大力推广和应用。

岩棉在綠色環保節能領域起到了重要的作用,因爲岩棉具有極好的隔熱性能。熱導率是衡量材料絕熱性能的一項重要參數,熱導率越小,其隔熱保溫性能就越好。從這個角度上來說,岩棉制品的隔熱性能是鋼筋混凝土的40倍,是磚土結構的20多倍,是水泥砂漿的30倍,是木材的3~5倍。用一種形象比喻就是,如果建築用了岩棉板做保溫,就像大樓穿上了棉衣。

但在所有的保溫材料中,岩棉的绝热性能并不是最出色的。比如,岩棉的隔热性能可能要稍逊于聚氨酯发泡材料等。但是为什么岩棉在绿色节能领域如此备受推崇呢?

目前建筑领域采用的有机保溫材料主要有模塑聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)、挤塑聚苯乙烯泡沫材料(XPS)、聚氨酯(PU)和酚醛泡沫(PF)等。它们都是泡沫形态的有机材料,在很多方面都拥有极为优秀的性能,如质量轻、隔热性好、隔声性能优,具有一定的弹性、低吸水性、耐低温性,易加工等。这些材料技术成熟、施工方便、性价比高,是保温节能建筑设计和建筑施工单位常用的隔热体系。但是这类材料有个致命的缺点,那就是防火性能。众所周知,有机材料都非常易燃。在楼房遭遇火灾的时候,它们不仅不能起到防火作用,其本身反而会成为一种燃烧物,加速火势的蔓延,而且在燃烧时会释放大量的热并产生大量有毒烟气,造成被困人员及救援人员伤亡。虽然有研究表明可以通过改性手段对这类有机材料进行处理,提高它们的防火等级,但是由此带来添加阻燃剂的毒性问题仍然不容忽视,因此在高层建筑及防火要求高的公共建筑中,它们都不是很好的选择。

相比这些有机的保溫材料,岩棉作为A级不燃防火材料,其防火性能就显得尤其难能可贵。对一幢建筑来说,其防火性能的重要性不言而喻。近年来几次重大火灾安全事故,引起了建材行业的反思,也促使政府对建材行业做出了强制规定。在这种大环境下,岩棉所具有的极为优秀的防火性能就成为了和其他保溫材料进行竞争的最大优势。无论是中国还是在欧美国家,岩棉都被视作一种良好的建筑防火安全解决方案,是高层建筑和公共建筑的首选材料,这些都充分反映在欧美国家EN13500与ETAG004标准的规定中。以民族精神最为严谨的德国为例,对22米以上的高层建筑,岩棉在德国外墙外保温系统中的市场份额为100%,可见岩棉对高层建筑防火的重要性。同时,由于岩棉接近中性,且具有极好的化学惰性,不会对与之接触的管道和墙体造成腐蚀。另外,岩棉内部结构疏松多孔,存在大量贯通的微型通道,使其成为一种“会呼吸的材料”。这种独特的性质在维持建筑内外湿度平衡、提高人居舒适度方面也发挥了重要的作用。

岩棉産品的質量情況

我国自上世纪80年代初从瑞典引入岩棉全套生产技术,岩棉开始在我国大规模产业化生产。当时主要是生产酸度系数在1.1~1.4的矿渣棉,主要用于工业设备和管道的保温,产品质量水平普遍不高,与国外先进水平存在较大差距。进入本世纪,随着人民生活水平的提高,对居住舒适度的追求和国家对建筑节能的要求,岩棉开始在建筑上得到应用,主要用于办公及公共建筑的屋面保温、内墙保温及防火门和彩钢夹芯板等。但由于岩棉价格相对较高,建筑商更愿意使用有机泡沫类的保溫材料,岩棉没有得到大规模的推广和应用,产品质量也是参差不齐。但随之而来的几场大火,使人们认识到不燃保溫材料的重要性,国家也相继发布了一系列建筑防火安全的法规和文件,规定用于高层建筑和公共建筑的保溫材料必须使用A级不燃材料。在这个背景下,南京玻璃纤维研究设计院等单位牵头制定了GB/T 25975-2010《建筑外墙外保温用岩棉制品》国家标准,该标准以国际最先进的欧洲建筑外墙外保温用岩棉标准为依据,对我国的建筑外墙外保温用岩棉产品提出了全新的技术要求,要生产出满足该标准要求的产品,必须在原料、生产技术装备、工艺参数控制等方面投入很大的改造。例如:为达到酸度系数大于1.6的要求,必须改变原有配方,增加玄武岩的配比;为满足岩棉板拉伸强度的要求,必须在集棉设备上增加摆锤,以改善岩棉板的平面铺层,形成纤维层之间相互勾连交错的三维结构板状制品,也使制品的密度均匀性大大提高;为降低吸水率和吸湿率、提高憎水率,必须采用具有较强憎水效果的粘结剂;为满足标准中对纤维直径和渣球含量的要求,必须对熔化、成纤设备进行改造升级;为满足对岩棉板尺寸精度的要求,必须采用高精度无尘切割技术。该标准的实施,不仅促进了我国建筑外墙外保温岩棉制品从无到有的发展,为岩棉在建筑外墙外保温系统中的应用提供了依据,同时促进了我国岩棉产业制造技术装备水平的提升,贵州保溫材料使我國岩棉産品的質量邁上了一個新的台階,也促進了岩棉産業的發展和岩棉産品的應用。

2013到2017年間,南玻院質檢中心對礦物棉産品進行了全國範圍內共5次抽樣型式檢驗,2017年第5次抽樣型式檢驗中,岩棉企業27家,産品98批次,合格91批次。

岩棉品質的提升,使得岩棉在更多的建築保溫領域得到推廣,爲改善老百姓的居住環境、提升居住的舒適度,貢獻了一份力量。爲引導岩棉産業健康發展,遏制低水平重複建設和産能盲目擴張,保護生態環境,推進節能減排,提高資源能源利用水平,更好地服務于建築安全和建築節能,2012年國家工業和信息化部發布了《岩棉行業准入條件》,條件中明確了岩棉産品的質量要求,岩棉生産企業的工藝和裝備水平以及岩棉生産的能耗、環保和綜合利用的要求,從國家法規的層面對岩棉産品的品質要求和岩棉産業的健康綠色發展提供了保障。

岩棉的綠色應用

岩棉作为A级防火的绿色建筑材料,在国外,尤其是欧洲建筑市场得到了大量使用,已形成了成熟的产品标准和系统认证指南。北欧人均消耗量在20千克以上,美国人均消耗量为5~10千克。由于防火问题,在美国岩棉、矿渣棉占70%,在德国超过22米的建筑外保温几乎全部采用岩棉。在我国,岩棉作为建筑保溫材料的使用率这两年提升得也非常快,特别是在对防火要求很高的公共建筑和高层建筑领域,其在民用建筑领域的使用率也在稳步提高。而根据测算,外墙建筑中每使用一吨岩棉保温产品,一年可节约1.5吨左右的标煤,按岩棉产品25年的生命周期算,共计可节约40吨左右标煤。以每吨岩棉生产能耗约400千克标煤算(3000~4000千瓦时),能耗之比大约是100倍。这种节能效果是相当可观的。

岩棉在建築上的應用主要有外牆外保溫、防火隔離帶、屋面保溫3種應用形式。

外牆保溫岩棉板具有較高的抗壓和抗拉伸強度、較低的吸水和吸濕性、尺寸穩定性良好、不會産生熱膨脹或收縮、耐老化等優點,能與外牆系統兼容,對建築物提供有效的保溫節能、防火及極端氣候保護等多種性能。岩棉不燃燒,不釋放熱量和有毒煙氣,火災發生時還可以有效隔斷火焰蔓延,防火性能卓越。另外,岩棉對碳鋼、鋁(合金)、銅等金屬材料及建築物中各種構件均不産生腐蝕,具有高效的吸音降噪和彈性消振的物理特性,不吸濕、耐老化,性能長期穩定。

岩棉带可以作为防火隔离带,与燃烧性能达不到A级的保溫材料配套使用,以提高建筑物外墙的消防防火功能。外保温系统中采用岩棉作为防火隔离带能有效地阻止火焰在系统内部的传播。在火灾条件下,防火隔离带既要阻止或减缓火源对直接受火区域内外保温系统的攻击,又要阻止火焰通过外保温系统向外传播。同时,还要能够维持自身阻火构造体的稳定存在及维持系统保护面层的基本稳定。

高強度的防火岩棉板可以作爲保溫層和承載層,與柔性防水卷材、隔汽層、系統緊固件組合形成的屋面系統,一般應用于工業廠房、機場、商場、體育場館及倉儲設施等鋼結構或混凝土平頂屋面。這種系統是一種具有安全防火、高效節能和吸音隔音功能的新型屋面體系,目前在歐美等國家已經得到廣泛應用。

当然,岩棉作为一种保溫材料,首先是出现在工业领域中。在一些厂房车间中,只要有传热情况的发生,基本上都能看到岩棉的身影,比如在锅炉上使用岩棉,构建成轻质炉墙,在保温的同时,也可以减轻大型火力发电锅炉或快装锅炉整体重量;此外,由于岩棉板可以作弯曲,同时具有半硬质和软质的双重特点,可用作大直径的设备管道保温,非常便于施工。

除此之外,岩棉的優異性能也吸引了其他特殊領域的注意,比如造船行業和農業。船只是一類特殊的交通工具,尤其對遠洋船只,一旦發生災難,會出現救援困難、補給困難、人員逃生幾率低等困境,爲防患于未然,此類行業對材料的選擇尤爲重視。在國內的造船行業中,到上世紀末,各大造船廠基本完成了複合岩棉板取代矽酸鈣板的過程。

在農業領域,無土栽培技術逐漸受到重視。由于岩棉不含化學添加物,本身也體現出極好的化學惰性,質輕、多孔,對化學施肥不産生任何影響,並且作物根部氣相比例高,疏水性強,是水培系統中比較理想的基質。我國上世紀90年代引進使用效果良好,受到園藝種植者的青睐。

岩棉的綠色生産

目前,國內現有成熟的礦物棉制品生産線單線産能在2萬~3萬噸,然而現有技術已滿足不了更大産能、更低能耗、更加自動化的綠色生産要求。爲改善這種局面,我國岩棉産業已經爲此做出了很多努力,如南京玻纖院通過自主研發和部分關鍵部件的引進實現了對年産5萬噸級礦物棉生産線的設計。這類生産線實現了礦物棉規模化生産,同時大大降低了生産能耗;在生産過程中,采用自動化智能化物流系統,提高了生産線自動化程度。正是通過這種變革,改變了傳統岩棉産業粗放式的生産模式,進而轉向集約化生産管理模式。

節能減排是實現綠色生産不可忽視的環節。然而,依據我國礦物棉發展現狀,節能減排的任務依然非常沈重。在國家節能減排的大趨勢下,礦物棉生産中産生的廢氣、廢水及廢渣(簡稱“三廢”)需要進行綜合治理及管理,符合環境管理部門檢測,符合國家相關政策要求。

大体上,现代化岩棉生产线若要实现绿色生产目标,往往要着眼于以下几点。一是回收利用一氧化碳。众所周知,一氧化碳有毒,且会造成温室效应。但同时一氧化碳本身又是一种燃料,它是煤气的主要成分。现代化生产线往往设立了废气焚烧装置,充分燃烧废气中的一氧化碳。同时,为了节能,贵州保溫材料對余熱也要加以回收利用,比如可以使用換熱系統首先供暖,或加熱自來水,實現工廠生活區的日常熱水供應,更徹底地實現節能目標。二是廢水的回收利用。廢水幾乎是所有工業生産線都要考慮的問題。廢水回收系統或廢水淨化系統是現代化生産線所必須的。對岩棉産業,汙水經過過濾裝置處理後,回用至粘結劑配制站,可實現生産廢水零排放。三是過濾粉塵。粉塵是懸浮在空氣中的細小顆粒,長期吸入會對工人和附近居民的健康造成很大危害。現代化生産線應配備完善的粉塵過濾體系,過濾廢氣中攜帶的粉塵,實現廢氣的達標排放,同時,過濾下來的粉塵應設法回收利用。四是避免二氧化硫的排放。二氧化硫是造成酸雨的主要元凶,同時也危害人類的生命健康。現代化生産線應配備脫硫系統,去除廢氣中的二氧化硫,實現清潔化生産的目標。五是固體廢物的回收。生産線産生的廢渣、廢棉應該通過回用系統重新用于礦物棉生産,從而實現礦物棉生産線固廢的循環使用,降低生産成本。

目前,以南京玻纖院設計出的生産線爲代表的一系列現代化生産線,正是通過以上一系列的先進環保處理技術,真正實現了工廠的潔淨生産,環境友好。

同時,對企業本身來說,實現綠色生産不僅符合國家政策和人們的願望,同時對企業本身的盈利,往往也有所裨益。生産廢料的亂排放行爲不僅損害了環境和人們的利益,即便從企業自身的利益來說,也是一種短視行爲。以上文所提到的固廢回收來說,工業固體廢棄物(簡稱工業固廢)是在工業生産過程中排出的采礦廢石、選礦尾礦、燃料廢渣、冶煉及化工過程廢渣等固體廢物。根據《大宗工業固體廢物綜合利用“十二五”規劃》中的相關數據統計,大宗工業固廢總堆存量達到270億噸,堆存將新增占用40萬畝。工業固廢直接排入環境會造成嚴重環境汙染,而填埋處理需占用大量的土地資源,同時造成資源的浪費。

就礦物棉行業而言,國際上已經有少數發達國家研發出新的礦物棉生産技術,利用工業固廢代替天然礦石作爲礦物棉生産原料,這種技術可以把90%以上的固廢變廢爲寶。該技術的運用一方面減少了天然礦石的消耗,另一方面能夠有效處理工業固廢,實現能源優化利用,是一種值得大力提倡的技術。然而國內礦物棉生産使用的原料仍然以天然礦石爲主,添加少量的工業礦渣。而工業固廢爲原料大規模用于礦物棉生産技術在國內仍處于起步階段,急需通過自主研發實現工業固廢回收的綜合利用及天然礦石資源的保護。如果采用礦物棉生産新技術,就2014年我國礦物棉總産能215萬噸估算,可增加礦物棉行業收入約8.6億元,經濟價值非常可觀。


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