用塑料打造冬日温暖的家居生活

近年来频繁出现的暖冬是全球气候变化导致的后果之一，只有中欧地区才时不时地有积雪大规模覆盖的景象，但我们不能因此而掉以轻心，毕竟在北半球,冬季仍然是一年之中最为寒冷的时间段，在寒冷的冬季人们更倾向于呆在温暖舒适的室内。家居建材选择合适的塑料有助于在冬季保持更舒适的室内温度，同时降低室内加热产生的费用。

室内加热系统所产生的热量，有高达三分之二的热量会通过外墙、地下室以及未经隔离的独立式住宅的屋顶损耗掉，也就是说每年会有大约2000升的取暖燃油被浪费。为了避免热量的损耗，降低能量消耗，我们可以为房屋增加一层坚固的现代保温防护材料。

这种现代材料能够达到的保温效果远远超过了最厚的房屋墙壁所能达到的效果，一米厚的混凝土墙壁可以实现很好的保温效果，但这只相当于两厘米厚的标准保温材料的作用。众所周知的“被动房”采用四十厘米厚的保温层建造，几乎从来不需要加热，因为其舒适的室内温度主要来自于住户自身产生的热量。

目前使用比较多的保温材料包括以下几类：

● 天然有机材料：例如木纤维、纤维素、大麻、亚麻、椰子纤维、芦苇;

● 合成无机材料：例如矿棉(石棉和玻璃棉)，和矿物泡沫(蒸压加气混凝土、浮石、硅酸钙、泡沫玻璃、膨胀珍珠岩);

● 合成有机材料：特别是由聚苯乙烯或聚氨酯制成的硬质泡沫塑料。

可再生天然材料适用于屋内的隔热保温，但却不能作为室外的保温材料，原因是可再生天然材料极度易燃，且极易吸收大量水分。决定保温材料适用性的另一个标准是尽可能低的热导率水平，一种好的保温材料对热能应具有高度的耐受性，也就是说好的保温材料必须是不良的导热体。热导率的单位是瓦特/米开尔文，简写W/(m.K)，建筑业术语中用希腊字母λ表示。

所以，材料的导热系数越低，其隔热保温的能力越高。以下是各种材料的热导率系数。

● 木棉: 0.09

● 硅酸钙: 0.065

● 膨胀珍珠岩: 0.05

● 椰子纤维: 0.045

● 矿棉: 0.04

● 聚苯乙烯(PS): 0.035

● 聚氨酯(PU): 0.025

● 聚异氰脲酸酯(PIR): 0.023

在隔热保温领域最为重要的全合成塑料是聚苯乙烯泡沫材料，该材料以苯乙烯(C8H8)为主体，可在炼油厂通过苯(C6H6)和乙烯(C2H4)制备而得。在催化剂或者高温的作用下，单体会转变为大分子链结构，苯乙烯聚合成为聚苯乙烯，这种合成材料不易腐蚀，且吸水能力降低。

刚性膨胀聚苯乙烯泡沫(EPS)是目前应用最广的材料，它由添加了戊烷(C5H12) 发泡剂的聚苯乙烯颗粒制成，当这两种混合材料升温超过90°C，戊烷会蒸发并将聚苯乙烯颗粒的体积膨胀至原来的20-50倍，然后通过热空气的进一步处理，EPS泡沫就可以被制成各种形状，比如块状、板状、或者特定的部件形状。

刚性挤出型聚苯乙烯泡沫(XPS)由连续挤出法制备而成。在挤出机中先将聚苯乙烯熔融，加入二氧化碳作为发泡剂，然后利用不同形状的模具挤出成型。通过调节挤出机开口的宽度，可以相应地改变泡沫的厚度。

EPS和XPS都是耐老化和耐潮湿的材料，且导热性差，因此满足了最严格的绝热要求。然而这两种泡沫塑料都需要对紫外线辐射进行屏蔽，因为太阳光会使这些材料变脆并且发黄。通过对材料生命周期的研究分析发现，发泡剂的使用存在着负面影响。例如，使用戊烷发泡剂会加剧夏季的烟雾污染，虽然其还未到达大气的平流层;过去在生产XPS塑料时使用部分卤化氯氟烃(HCFC)，由于其负面影响，德国已经不再使用该材料。

聚苯乙烯早在20世纪60年代就已经成为主流的绝热材料，Styropor作为其商品名后来被全世界广泛了解。聚苯乙烯的重量极轻，因为其材料结构的泡孔中含有高达98%的空气。该材料是在1949年由Fritz Stastny (1908 – 1985)所发明的，当时他是巴斯夫在德国路德维希港的一名化学家。巴斯夫公司最近成功优化了EPS材料(商品名为Neopor)的性能，通过向未加工的聚苯乙烯颗粒中加入石墨颗粒，巴斯夫公司成功地将EPS热导率水平降低至0.032 W/(m.K)，由此制得的泡沫塑料板外观呈现出一种闪亮的银灰色，同时也可以吸收红外辐射了，这一点进一步降低了热能的传导。因此，要实现同样的绝热效果，Neopor板可以比常规的聚苯乙烯板减少高达30%的厚度，整个绝热结构的厚度也可以明显减薄。

由聚氨酯(C3H8N2O)制成的泡沫塑料也是建筑行业中非常流行的一种隔热材料，这种泡沫塑料通过二醇或多元醇或者是两者混合，加入多异氰酸酯发泡剂进行加聚反应制成。将反应混合物倒入模具中，在压力与温度的影响下进行泡沫塑料最终的发泡与硬化过程，然后将泡沫块切割成想要的板状或片状。无论是平坦还是倾斜的屋顶，都可以用刚性聚氨酯泡沫来做绝热材料，与聚苯乙烯一样，聚氨酯泡沫也需要进行紫外线防护。

在1937年，Otto Bayer (1902 – 1982)拿到了生产聚氨酯的专利，他当时是在德国勒沃库森的法本公司工作的一名化学家。自20世纪50年代以来，聚氨酯已经被作为绝热材料广泛应用在建筑、货物集装箱和冰箱中。2007年，聚氨酯材料全球的消费总量超过了1200万吨，而且还在持续增加。

聚异氰脲酸酯塑料与聚氨酯类似，但是化学稳定性与热稳定性更好，其二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)的含量高于聚氨酯。除此之外，生产聚异氰脲酸酯过程中使用的反应配偶剂是聚酯多元醇，而不是生产聚氨酯时使用的聚醚多元醇。聚异氰脲酸酯的结构单元由异构体1,3,5-三嗪和2,4,6-三酮组成。聚异氰脲酸酯塑料通常被制成硬质泡沫板，并作为隔热材料用于建筑行业，其热导率为0.023 W/(m.K)，属于最低的热导率水平，因此算得上是最好的经典隔热材料之一。

Netzwerk Innovative Dämmtechniken正联合位于德国基尔的ARGE-SH研究所共同开展一项研究，该合作项目是通过研究真空绝热板(VIPs)等一些材料，来寻找更加高效的绝热材料。真空绝热板的热导水平范围在0.003W/(m.K)到0.008 W/(m.K)之间，这就意味着一块仅仅20毫米厚的真空绝热板就能达到其十倍厚度的聚苯乙烯泡沫板的隔热效果。真空绝热板的结构类似于一个保温瓶，表面是一个气密外壳，包裹着一个刚性内核，其中的空气被抽空。举个例子，λ值为0.008 W/(m.K)的开孔泡沫塑料就很合适作为内核，表面通过蒸发镀铝的塑料薄膜则是一种标准的外壳材料。改善材料的保温性能主要取决于真空的程度，如果外壳损坏导致非真空状态，那么热导率水平会急剧增加，真空绝热板也就完全失去了其保温的功效。

塑料不仅可以作为室内保温的建筑材料，还可以应用在其他方面。它为人们在冬季的户外活动御寒保暖，比如用合成纺织纤维尤其是聚酯材料制成的保暖内衣，这种材料不会结冰，既防风又防水，能够通过传导人体的汗水和冷凝的水分并使其蒸发，不仅可以保温，还能保持身体的干燥。除了聚酯材料，聚丙烯酸和聚酰胺(尼龙)也可用于制造保暖内衣。

雨衣、手套或靴子的表层涂覆物普遍都会选择聚氯乙烯(PVC)，这种材料的耐久性和抗环境影响的能力都是首屈一指的，无论是酸性物质还是零下50°C的极寒温度都不会损坏该材料。马上PVC材料就要迎来它100岁的生日，在1912年的时候，一位叫Fritz Klatte (1880 – 1934)的化学家成功地聚合了氯乙烯(C2H3Cl)，这位化学家当时就职于Griesheim Elektron公司，后来又去了Hoechst AG工作。然而，Klatte当时的成功并没有因此开发出一种可用于销售的产品，所以Griesheim Elektron在1926年放弃了Klatte的专利。到了发明者Klatte去世的那一年，巴斯夫公司成功地生产出了不再分解的PVC材料。1945年之后，PVC成为了世界上最热销、产量最大的塑料，它可以广泛应用在许多方面，比如窗框、地膜还有留声机唱片。

顺便提一下，防寒不仅仅是在冬季需要考虑的问题，对于在冷藏仓库或是冷冻实验室工作的人来说，需要在工作时常年穿着符合DIN EN 342标准(针对防寒抗冻的服装标准)的特殊工作服。在人们平时的休闲活动中也会偶尔采用类似的衡量标准，比如潜水员和冲浪者等水上运动爱好者为了防止体温过低而穿戴的全身套装，其材质为聚氯丁烯。聚氯丁烯比较为大家所熟知的是它的两个商品名，分别是杜邦公司的Neoprene以及朗盛公司的Baypren。通过聚合氯丁二烯(2-氯-1, 3-丁二烯, C4H5Cl)可以制备聚氯丁烯，硫化过程使其具有耐化学性和耐候性。与大多数其它的不饱和人造橡胶不同，聚氯丁二烯不能使用硫来进行硫化，而是用金属氧化物(氧化锌、氧化镁)来代替。如果硫化橡胶随后在化学发泡剂的帮助下发泡，则会具有理想的绝热性能。

早在1839年，一种坚韧且防水的硫化橡胶就已经被用于制作干式潜水服，该橡胶的发明者名叫Charles Goodyear (1800 – 1860)，这种材料的保温能力在当时并不重要，因为潜水员可以在这种潜水服里面再穿羊毛保暖内衣来御寒。1930年氯丁橡胶的湿式潜水服被发明出来，并在1954年投入市场，潜水员穿着氯丁橡胶潜水服下水，身体不能保持干燥，所以最好是在潜水服里面不要再穿任何其它的衣物。现如今的潜水服也是这样的，水会浸透潜水服，这其实不是偶然，而是设计想要达到的目的，通过人体四肢的运动而产生其与周围环境热交换的不断循环，来保持身体的温度。但这并不是说只有在诸如红海或印度洋那种水温比较高的地方才会有温暖的潜水体验，专业的潜水员会穿着一种特殊的潜水服，当他们在较冷的水域潜水时，较高温度的水会被引入到潜水服，帮助潜水员保持身体温度。更为实用的是一种半干式潜水服，这种潜水服甚至适用于冰冷水域的潜水活动，在冰冷水域半干式潜水服是水密封的，防止冰冷的海水透过潜水服，但在暖水水域则变成湿式潜水服。