不同因素對擠塑板導熱性能的影響分析
1 引言
建筑節能對減少能源消耗的意義不言而喻,在建筑節能中約 30%的能耗來自于圍護結構保溫系統,其中保溫材料的性能是決定因素,而導熱系數又是評價隔熱性能最重要的指標。導熱系數作為材料的一個重要的熱傳遞性質,其定義是在穩定傳熱條件下,在單位溫度梯度作用下物體內所產生的熱流密度。保溫材料的導熱系數越小,保溫隔熱性能越好。在眾多節能材料中,擠塑板因其輕質、抗壓、耐潮、低導熱等優點而被廣泛應用于各類建筑工程的保溫構造中。本文通過實驗數據分析不同因素對擠塑板導熱性能的影響,總結其中的規律,以掌握擠塑板的性能,從而更好地指導實踐應用。
2 影響因素分析
2.1 原料和生產工藝因素
2.1.1 原料因素
擠塑板是以聚苯乙烯樹脂或其共聚物為主要成分,添加少量添加劑,通過加熱擠塑成型而制得的具有閉孔結構的硬質泡沫塑料[1]。在生產過程中,發泡劑氣化,膨脹充盈,形成氣泡孔,與聚苯乙烯膜泡包裹在一起,儲存在氣泡內部,被吸收和溶解。當這種溶解達到飽和之后, 多余的發泡劑會擴散到外部,與此同時,向擠塑板內部擴散的空氣與發泡劑一起形成混合氣體,導致泡孔內部氣壓上升,由于空氣的導熱系數高于發泡孔的導熱系數,因此混合氣體的導熱系數也隨之增大??諝庀騼葦U散的速度大于發泡劑向外擴散的速度,所以這個階段導熱系數急劇增大。當空氣的擴散結束后,空氣充滿泡孔內,擠塑板內部的發泡劑將持續以非常緩慢的速度向外擴散(陳化過程),表現為導熱系數緩慢增長。由于孔隙中的氣體傳導了大部分熱量,氣泡內氣體的導熱系數又貢獻了約 60%的影響,因此選用一種低導熱,同時可以
在氣泡內儲存較長時間的發泡劑顯得尤為關鍵。
表 1 為各類發泡劑的氣相導熱系數。
從以上表格中的數據可以看出,氟利昂的導熱系數最小,約為空氣導熱系數的 1/3,目前國內生產擠塑板采用的發泡劑也多為氟利昂,但由于氟利昂會破壞大氣 臭氧層,造成臭氧層空洞,形成溫室效應,理應被限制使用并最終淘汰,而逐步過渡到其他類別的發泡劑。
2.1.2 生產工藝因素
生產工藝因素的影響主要是溫度和壓力,體現在密度、閉孔率和泡孔尺寸方面。擠塑板生產過程中,在特定的溫度和壓力控制下,熔融原料被擠出機器???,因為壓力的突然改變,熔于混合原料中的發泡劑被氣化,膨脹成為微小氣泡,被原料的膜泡包裹著,與模板摩擦、冷
卻后形成均勻表皮,內部通過自然冷卻最終形成閉孔蜂窩狀的板材。當絕熱材料在穩態時,周圍溫度及壓力不變,材料內部空氣溫度、密度穩定,在這種情況下,孔隙內的空氣導熱系數僅與氣體分子碰撞相關,孔隙小且封閉時,氣體分子碰撞的自由程就小,空隙間的空氣導熱系數就小,孔隙尺寸越小,閉孔越多,導熱系數越低。
當工作溫度升高時,材料固體分子熱運動加強,孔隙中空氣的導熱以及孔壁間輻射效應也有所增加,表現為溫度上升,導熱系數增加。一般而言固相的導熱系數大于氣相的導熱系數,因此保溫隔熱材料往往具有很高的氣孔率,密度則直接反映了材料的氣孔率,故而保溫材料的密度通常較小。擠塑板的密度多在 25~45kg/m3 之間, 雖然國標 《絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料》(GB/T10801.2-2002)中對密度沒有要求,但在實際工程驗收中常常涉及該項指標,因此密度也是常規檢測項目。
大量的實驗測試表明,擠塑板密度與導熱系數之間的關系并非絕對的線性相關,當密度小于某個臨界值后,孔隙率變大,空隙中原本靜止的空氣開始對流換熱,氣體的熱輻射效應升高,使得導熱系數反而增大,因此存在一個在對流換熱系數、導熱系數、輻射換熱系數三者之和 最小才具有最低絕熱性能所對應的最佳密度,它們之間的關系如圖 1 所示。
在對 100 組實驗樣本測試后的數據進行分析后,繪制分布曲線,得到密度與導熱之間的關系如圖 2、圖 3 所示。
從圖 2、圖 3 可見,擠塑板密度集中分布在 33kg/m3 附近。相同密度的擠塑板導熱系數不盡相同,且導熱系數并一定不隨密度增大而增大。
2.2 使用過程中的環境因素
擠塑板在實際使用過程中受到環境因素的影響,導熱性能因此而產生變化。國標《絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料》(GB/T 10801.2-2002)中規定:“導熱系數和熱阻試驗應將樣品自生產之日起在環境條件下放置 90 天進行”,目的是通過一定的陳化時間,使導熱系數趨于穩定。
2.2.1 時間因素
實驗數據表明,擠塑板隨著陳化過程的進行,導熱系數逐步升高。通過兩個樣品在 150 天內不同時間節點測得的數據對比分析,樣品 1 和樣品 2 的導熱系數在90 天內分別從初始的 0.0264、0.0229 增至 0.0364、0.0349,增幅 38%、52%,可知導熱系數隨陳化時間逐漸
增長,在最初的一個月,空氣快速擴散進入擠塑板內部使得導熱系數快速上升。60 天后增速減緩,90 天后基本趨于穩定。如圖 4 所示。
2.2.2 濕度因素
擠塑板內部呈緊密封閉蜂窩狀結構,閉孔率達到99%,是一種典型的非吸濕性材料,濕度對其導熱系數的影響需要很長時間。圖 5 為實驗測得在同一溫度 (25℃),不同濕度下擠塑板的導熱系數變化趨勢。
由圖可見,擠塑板在短期內相對濕度逐漸增大的情況下,其導熱系數波動很小,最大相對偏差僅為 1.0%。而在陳化過程中改變濕度條件,導熱系數則有明顯變化。實驗選取常溫下 50%和 90%兩個相對濕度作為養護條件,分別測定樣品在 7d、14d、30d、60d、90d、120d、
150d 的導熱系數進行比較,如圖 6 所示。
由圖可知,樣品在濕度 50%的導熱系數均比濕度90%的導熱系數要高,說明高濕環境可以減緩陳化的進行,降低導熱系數變化速率。
2.2.3 溫度因素
溫度對導熱系數有直接影響,呈正相關。當溫度上升時,擠塑板內部固體分子熱運動加速,導熱系數增大。在選取 60℃和 80℃兩種干燥溫度環境對擠塑板進行狀態調節后測試,并與標準狀態下調節后測試的樣品進行數據對比,見表 2。
樣品在 60℃的溫度下放置 3 天與常溫放置 90 天的導熱系數相當,80℃的溫度又縮短了陳化的時間,2天即能達到常溫 90 天的導熱系數。
3 結束語
通過大量實驗數據并結合理論分析可知,擠塑板的導熱性能主要受內部(生產過程)和外部(使用環境)因素影響,呈現出不同的表現形式,具有一定規律性。而在實際生產和工程應用中,擠塑板原料來源多樣,出于成本考慮多為回收料,導致即便配方相同,不同批次不同 廠家的產品性能之間存在差異,同時在利益和效率驅使下,擠塑板從生產到施工周轉時間不會超過 1 個月,難以保證陳化時間達到 90 天后再使用。
國標中對產品放置時間的規定與現實存在矛盾之處。在現有的規范下,根據擠塑板的內部分子結構和外部環境影響規律,從溫度和濕度的狀態調節上加速陳化,縮短放置時間,提前了解趨于穩定時的產品性能不失為一種便捷有效的檢測方法。