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貴州保溫材料分析丨岩棉保溫材料的優勢與應用

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貴州保溫材料分析丨岩棉保溫材料的優勢與應用

發布日期:2018-08-22 00:00 來源:https://www.sgcondenser.cn 點擊:

貴州保溫材料分析丨岩棉保溫材料的優勢與應用


貴州保溫材料按照材質組成來劃分,大致可以分為兩大類:一是有機聚合物絕熱材料,如發泡聚苯乙烯泡沫板、硬質聚氨酯泡沫板等;二是無機保溫材料,如岩棉、玻璃棉、泡沫玻璃板等。其中,以岩棉、玻璃棉為代表的礦物棉因具有其他保溫材料所不具有的優點,在保溫材料行業內備受推崇,產量一直呈現逐年上升的態勢。其中岩棉以其更高的耐火極限和熔點溫度,在建築保防火保溫方麵更受青睞,近幾年來,產量呈一路增長態勢。

岩棉是目前使用量最大、增長最快的無機保溫材料。那麽究竟什麽是岩棉?岩棉是不是一種綠色的保溫材料?本文將從岩棉的特點、應用和生產等方麵進行闡述。

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。當把這種纖維製作成板狀、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。

在上世紀初,西方國家就已經實現了岩棉的工業化生產。其大致步驟是,將一定粒徑的原材料和焦炭按照設計的配合比送入熔製爐(衝天爐)中熔化成液體,液流經過導液槽流入離心成纖設備上被拉長成短纖維。在成纖過程中將粘結劑、憎(親)水劑等噴灑在纖維表麵。這樣,岩棉的每根纖維表麵均有粘結劑和憎(親)水劑,成板後製品無論如何切割,其表麵均具有憎(親)水性。纖維經過集棉裝置後被輸送到擺錘機上進行疊棉,成為一定厚度的疊加棉層。當對岩礦棉的力學強度有要求的時候,棉層進入打摺機中進一步擠壓堆疊,或者再經過縱向壓摺,進一步加大棉層的空間交叉絞合。然後進入固化爐中固化,固化作用是將粘結劑在一定溫度下固化,使材料定型成為具有一定抗壓強度的製品。連續固化得到的製品經過切割裁剪,成為一定規格的板材,最後檢驗包裝,得到最終的岩棉產品。

岩棉VS其他材料

石棉(asbestos)也是一種廣為人知的纖維材料。對普通人來說,“岩”和“石”聽起來非常接近,把這兩種材料混為一談的大有人在,這種認知偏差可能導致了對岩棉產業的負麵影響,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。但由於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為致癌物,在建材領域被明令禁止使用。

說到這裏,有些讀者可能會想,既然石棉對人體有害,那麽岩棉也是礦物纖維,它對人體有沒有害處呢?其實對這一點倒不用擔心。現在岩棉的單纖維直徑普遍在3微米以上,這種尺寸的纖維很難被人體吸入。世界衛生組織已經就岩棉纖維是否致癌進行了大量研究,結果清楚表明:岩棉纖維不是致癌物。另外,歐洲權威機構已經在這個問題上有幾十年的研究經曆,也沒有任何證據說明岩棉具有致癌性。國際癌症研究署的專題項目(Monographs Programme)專家組得出的結論是,常用的隔熱玻璃棉、隔熱岩棉與隔熱礦渣棉的玻璃纖維棉,不被歸類為人類致癌物質。在國內的學術界,也已經有專家在岩棉與人體健康的問題上做出了研究,指出在生產車間工作的工人和辦公區工作的員工,他們的肺部情況沒有顯著的區別。正是出於以上強有力的理論基礎和客觀事實,岩棉在西方發達國家得到大力推廣和應用。

岩棉在綠色環保節能領域起到了重要的作用,因為岩棉具有極好的隔熱性能。貴州保溫材料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,岩棉製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,岩棉的絕熱性能並不是最出色的。比如,岩棉的隔熱性能可能要稍遜於聚氨酯發泡材料等。但是為什麽岩棉在綠色節能領域如此備受推崇呢?

目前建築領域采用的有機保溫材料主要有模塑聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)、擠塑聚苯乙烯泡沫材料(XPS)、聚氨酯(PU)和酚醛泡沫(PF)等。它們都是泡沫形態的有機材料,在很多方麵都擁有極為優秀的性能,如質量輕、隔熱性好、隔聲性能優,具有一定的彈性、低吸水性、耐低溫性,易加工等。這些材料技術成熟、施工方便、性價比高,是保溫節能建築設計和建築施工單位常用的隔熱體係。但是這類材料有個致命的缺點,那就是防火性能。眾所周知,有機材料都非常易燃。在樓房遭遇火災的時候,它們不僅不能起到防火作用,其本身反而會成為一種燃燒物,加速火勢的蔓延,而且在燃燒時會釋放大量的熱並產生大量有毒煙氣,造成被困人員及救援人員傷亡。雖然有研究表明可以通過改性手段對這類有機材料進行處理,提高它們的防火等級,但是由此帶來添加阻燃劑的毒性問題仍然不容忽視,因此在高層建築及防火要求高的公共建築中,它們都不是很好的選擇。

相比這些有機的保溫材料,岩棉作為A級不燃防火材料,其防火性能就顯得尤其難能可貴。對一幢建築來說,其防火性能的重要性不言而喻。近年來幾次重大火災安全事故,引起了建材行業的反思,也促使政府對建材行業做出了強製規定。在這種大環境下,岩棉所具有的極為優秀的防火性能就成為了和其他保溫材料進行競爭的最大優勢。無論是中國還是在歐美國家,岩棉都被視作一種良好的建築防火安全解決方案,是高層建築和公共建築的首選材料,這些都充分反映在歐美國家EN13500與ETAG004標準的規定中。以民族精神最為嚴謹的德國為例,對22米以上的高層建築,岩棉在德國外牆外保溫係統中的市場份額為100%,可見岩棉對高層建築防火的重要性。同時,由於岩棉接近中性,且具有極好的化學惰性,不會對與之接觸的管道和牆體造成腐蝕。另外,岩棉內部結構疏鬆多孔,存在大量貫通的微型通道,使其成為一種“會呼吸的材料”。這種獨特的性質在維持建築內外濕度平衡、提高人居舒適度方麵也發揮了重要的作用。

岩棉產品的質量情況

我國自上世紀80年代初從瑞典引入岩棉全套生產技術,岩棉開始在我國大規模產業化生產。當時主要是生產酸度係數在1.1~1.4的礦渣棉,主要用於工業設備和管道的保溫,產品質量水平普遍不高,與國外先進水平存在較大差距。進入本世紀,隨著人民生活水平的提高,對居住舒適度的追求和國家對建築節能的要求,岩棉開始在建築上得到應用,主要用於辦公及公共建築的屋麵保溫、內牆保溫及防火門和彩鋼夾芯板等。但由於岩棉價格相對較高,建築商更願意使用有機泡沫類的保溫材料,岩棉沒有得到大規模的推廣和應用,產品質量也是參差不齊。但隨之而來的幾場大火,使人們認識到不燃保溫材料的重要性,國家也相繼發布了一係列建築防火安全的法規和文件,規定用於高層建築和公共建築的保溫材料必須使用A級不燃材料。在這個背景下,南京玻璃纖維研究設計院等單位牽頭製定了GB/T 25975-2010《建築外牆外保溫用岩棉製品》國家標準,該標準以國際最先進的歐洲建築外牆外保溫用岩棉標準為依據,對我國的建築外牆外保溫用岩棉產品提出了全新的技術要求,要生產出滿足該標準要求的產品,必須在原料、生產技術裝備、工藝參數控製等方麵投入很大的改造。例如:為達到酸度係數大於1.6的要求,必須改變原有配方,增加玄武岩的配比;為滿足岩棉板拉伸強度的要求,必須在集棉設備上增加擺錘,以改善岩棉板的平麵鋪層,形成纖維層之間相互勾連交錯的三維結構板狀製品,也使製品的密度均勻性大大提高;為降低吸水率和吸濕率、提高憎水率,必須采用具有較強憎水效果的粘結劑;為滿足標準中對纖維直徑和渣球含量的要求,必須對熔化、成纖設備進行改造升級;為滿足對岩棉板尺寸精度的要求,必須采用高精度無塵切割技術。該標準的實施,不僅促進了我國建築外牆外保溫岩棉製品從無到有的發展,為岩棉在建築外牆外保溫係統中的應用提供了依據,同時促進了我國岩棉產業製造技術裝備水平的提升,貴州保溫材料使我國岩棉產品的質量邁上了一個新的台階,也促進了岩棉產業的發展和岩棉產品的應用。

2013到2017年間,南玻院質檢中心對礦物棉產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,產品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,為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。為引導岩棉產業健康發展,遏製低水平重複建設和產能盲目擴張,保護生態環境,推進節能減排,提高資源能源利用水平,更好地服務於建築安全和建築節能,2012年國家工業和信息化部發布了《岩棉行業準入條件》,條件中明確了岩棉產品的質量要求,岩棉生產企業的工藝和裝備水平以及岩棉生產的能耗、環保和綜合利用的要求,從國家法規的層麵對岩棉產品的品質要求和岩棉產業的健康綠色發展提供了保障。

岩棉的綠色應用

岩棉作為A級防火的綠色建築材料,在國外,尤其是歐洲建築市場得到了大量使用,已形成了成熟的產品標準和係統認證指南。北歐人均消耗量在20千克以上,美國人均消耗量為5~10千克。由於防火問題,在美國岩棉、礦渣棉占70%,在德國超過22米的建築外保溫幾乎全部采用岩棉。在我國,岩棉作為建築保溫材料的使用率這兩年提升得也非常快,特別是在對防火要求很高的公共建築和高層建築領域,其在民用建築領域的使用率也在穩步提高。而根據測算,外牆建築中每使用一噸岩棉保溫產品,一年可節約1.5噸左右的標煤,按岩棉產品25年的生命周期算,共計可節約40噸左右標煤。以每噸岩棉生產能耗約400千克標煤算(3000~4000千瓦時),能耗之比大約是100倍。這種節能效果是相當可觀的。

岩棉在建築上的應用主要有外牆外保溫、防火隔離帶、屋麵保溫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、不會產生熱膨脹或收縮、耐老化等優點,能與外牆係統兼容,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產生腐蝕,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。

岩棉帶可以作為防火隔離帶,與燃燒性能達不到A級的保溫材料配套使用,以提高建築物外牆的消防防火功能。外保溫係統中采用岩棉作為防火隔離帶能有效地阻止火焰在係統內部的傳播。在火災條件下,防火隔離帶既要阻止或減緩火源對直接受火區域內外保溫係統的攻擊,又要阻止火焰通過外保溫係統向外傳播。同時,還要能夠維持自身阻火構造體的穩定存在及維持係統保護麵層的基本穩定。

高強度的防火岩棉板可以作為保溫層和承載層,與柔性防水卷材、隔汽層、係統緊固件組合形成的屋麵係統,一般應用於工業廠房、機場、商場、體育場館及倉儲設施等鋼結構或混凝土平頂屋麵。這種係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麵體係,目前在歐美等國家已經得到廣泛應用。

當然,岩棉作為一種保溫材料,首先是出現在工業領域中。在一些廠房車間中,隻要有傳熱情況的發生,基本上都能看到岩棉的身影,比如在鍋爐上使用岩棉,構建成輕質爐牆,在保溫的同時,也可以減輕大型火力發電鍋爐或快裝鍋爐整體重量;此外,由於岩棉板可以作彎曲,同時具有半硬質和軟質的雙重特點,可用作大直徑的設備管道保溫,非常便於施工。

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。船隻是一類特殊的交通工具,尤其對遠洋船隻,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,為防患於未然,此類行業對材料的選擇尤為重視。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。由於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,對化學施肥不產生任何影響,並且作物根部氣相比例高,疏水性強,是水培係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睞。

岩棉的綠色生產

目前,國內現有成熟的礦物棉製品生產線單線產能在2萬~3萬噸,然而現有技術已滿足不了更大產能、更低能耗、更加自動化的綠色生產要求。為改善這種局麵,我國岩棉產業已經為此做出了很多努力,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產5萬噸級礦物棉生產線的設計。這類生產線實現了礦物棉規模化生產,同時大大降低了生產能耗;在生產過程中,采用自動化智能化物流係統,提高了生產線自動化程度。正是通過這種變革,改變了傳統岩棉產業粗放式的生產模式,進而轉向集約化生產管理模式。

節能減排是實現綠色生產不可忽視的環節。然而,依據我國礦物棉發展現狀,節能減排的任務依然非常沉重。在國家節能減排的大趨勢下,礦物棉生產中產生的廢氣、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。

大體上,現代化岩棉生產線若要實現綠色生產目標,往往要著眼於以下幾點。一是回收利用一氧化碳。眾所周知,一氧化碳有毒,且會造成溫室效應。但同時一氧化碳本身又是一種燃料,它是煤氣的主要成分。現代化生產線往往設立了廢氣焚燒裝置,充分燃燒廢氣中的一氧化碳。同時,為了節能,對餘熱也要加以回收利用,比如可以使用換熱係統首先供暖,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產線都要考慮的問題。廢水回收係統或廢水淨化係統是現代化生產線所必須的。對岩棉產業,汙水經過過濾裝置處理後,回用至粘結劑配製站,可實現生產廢水零排放。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。現代化生產線應配備完善的粉塵過濾體係,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。現代化生產線應配備脫硫係統,去除廢氣中的二氧化硫,實現清潔化生產的目標。五是固體廢物的回收。貴州保溫材料生產線產生的廢渣、廢棉應該通過回用係統重新用於礦物棉生產,從而實現礦物棉生產線固廢的循環使用,降低生產成本。

目前,以南京玻纖院設計出的生產線為代表的一係列現代化生產線,正是通過以上一係列的先進環保處理技術,真正實現了工廠的潔淨生產,環境友好。

同時,對企業本身來說,實現綠色生產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。生產廢料的亂排放行為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,也是一種短視行為。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)是在工業生產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產技術,利用工業固廢代替天然礦石作為礦物棉生產原料,這種技術可以把90%以上的固廢變廢為寶。該技術的運用一方麵減少了天然礦石的消耗,另一方麵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。然而國內礦物棉生產使用的原料仍然以天然礦石為主,添加少量的工業礦渣。而工業固廢為原料大規模用於礦物棉生產技術在國內仍處於起步階段,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。如果采用礦物棉生產新技術,就2014年我國礦物棉總產能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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