范珺

（濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

在現(xiàn)代建筑中，地面輻射供暖系統(tǒng)因符合熱空氣自下而上運(yùn)動(dòng)軌跡，故而實(shí)感溫度高、室內(nèi)溫度梯度小，同時(shí)節(jié)省室內(nèi)空間，成為如今非常普遍的采暖方式。 隨著此種供暖形式的推廣，塑料管材的需求也日益突出。 大量的PB、PP-R、PE-X、PERT等塑料管材作為末端采暖部分應(yīng)用于地面輻射供暖系統(tǒng)中，雖然具有質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、安裝便捷優(yōu)點(diǎn)，但存在著一個(gè)嚴(yán)重的質(zhì)量隱患——滲氧，嚴(yán)重威脅供暖系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及壽命。

1 “滲氧”分析

無論何種塑料，或多或少都具有氣體滲透性。對(duì)于地面輻射供暖系統(tǒng)來說，外界氧氣在空氣中的分壓力作用下，透過地面、混凝土材料和管材進(jìn)入系統(tǒng)的循環(huán)水中，即為“滲氧”。 除此之外，排氣閥、連接法蘭安或循環(huán)水泵安裝不合理或運(yùn)轉(zhuǎn)不正常導(dǎo)致部分管路出現(xiàn)負(fù)壓，也會(huì)發(fā)生氧氣滲入。

這種“滲氧”行為會(huì)對(duì)供暖系統(tǒng)中的金屬配件，如金屬管道、鍋爐、黃銅材質(zhì)的分/集水器、管路連接件產(chǎn)生破壞性極大的氧化腐蝕， 通常表現(xiàn)為潰瘍或小孔形的腐蝕面，上附有黃褐色、磚紅色的腐蝕物，嚴(yán)重縮短管材和金屬零件的使用壽命[1]。 于此同時(shí)，氧氣的存在極易滋生出像藻類的微生物和細(xì)菌，與金屬氧化腐蝕物顆粒共同構(gòu)成生物淤泥，隨水而流，沉淀在流速較低的彎角部位， 日積月累逐漸影響系統(tǒng)正常的水循環(huán)，致使室內(nèi)溫度達(dá)不到采暖要求。

2 阻氧管材對(duì)于“滲氧”的控制效果

針對(duì)“滲氧”問題，一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)強(qiáng)制要求使用熱水的供暖系統(tǒng)采用帶阻氧性的塑料管材。當(dāng)前， 對(duì)現(xiàn)有塑料管材增加阻氧性主要有兩種方式：一是像鋁塑復(fù)合管、塑鋁穩(wěn)態(tài)管等通過包覆金屬層實(shí)現(xiàn)阻氧；二是在塑料管材基礎(chǔ)上復(fù)合一層高分子阻隔材料——一般為EVOH，制成阻氧管材[2]。由于第一種方式工藝復(fù)雜，成本高，相比之下第二種方式更為受到業(yè)界企業(yè)的歡迎。

EVOH,是乙烯-乙烯醇共聚物，是一種高結(jié)晶度聚合物，不利于小分子的穿透。 獨(dú)特的鏈段結(jié)構(gòu)中，其分子中的羥基和分子間的氫鍵彼此強(qiáng)烈地鍵合，強(qiáng)大的內(nèi)聚力使得分子鏈的堆積程度高，限制了氧氣的擴(kuò)散。同時(shí)，羥基表現(xiàn)為極性，而氧氣為非極性，據(jù)相似相溶的原理，氧氣也不易滲透其中[3]。EVOH 的阻隔性取決于兩種共聚單體的摩爾分?jǐn)?shù)，當(dāng)乙烯含量超過50%時(shí)， 材料的氧氣阻隔性會(huì)大幅下降， 通常乙烯與乙烯醇的摩爾分?jǐn)?shù)比例在2:8到4:6 之間。 基于此，EVOH 被業(yè)界認(rèn)定為一種優(yōu)良的氧阻隔材料，逐步應(yīng)用于供暖系統(tǒng)的管材中。

3 阻氧管材的氧氣透過率

隨著以EVOH 為阻隔層的阻氧管材的大范圍應(yīng)用，歐美國家相繼出臺(tái)阻氧管材的氧氣透過率的要求加以規(guī)范。 當(dāng)前，世界范圍內(nèi)認(rèn)可度最高的是德國DIN4726 標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定熱水管40 ℃以下，阻氧管材的氧氣透過率不超過0.1 g/（m3·24 h）。國內(nèi)，2002年發(fā)布的CJ/T 175 《冷熱水用耐熱聚乙烯（PE-RT）管道系統(tǒng)》 對(duì)該類管材的透氧性做了同樣的要求。然而，國內(nèi)目前對(duì)于阻氧管材的氧氣透過率尚沒有統(tǒng)一的檢測方法和評(píng)判依據(jù)，從而在一定程度上制約了該類管材的推廣。 筆者在長期對(duì)包裝物透氧性測試經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，提出了一種測試阻氧管透氧率的方法，還通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)透氧率的影響因素進(jìn)行了深入分析。測試儀器：OX2/230 氧氣透過率測試系統(tǒng)。 測試樣品：同規(guī)格的PE-RT 管、阻氧PE-RT 管（具有EVOH 阻氧層的PE-RT 管）， 管材一端均為密封狀態(tài)。 測試過程：利用樣品將儀器的滲透腔隔成兩個(gè)獨(dú)立的氣流系統(tǒng)，樣品內(nèi)側(cè)被氮?dú)饬骶徛齼艋?，樣品外?cè)暴露在氧濃度已知的環(huán)境中（圖1）。樣品兩側(cè)歲氣體壓力相等但氧氣分壓不同，因此在氧氣濃度梯度的作用下，氧氣分子透過樣品壁進(jìn)入氮?dú)饬髦?，隨之被其攜帶至庫倫傳感器處，庫倫傳感器探測到氧氣會(huì)輸出電流，電流的大小與單位時(shí)間內(nèi)流入傳感器的氧氣總量成正比。

圖1 氧氣透過率測試示意圖

據(jù)此原理， 筆者分別對(duì)PE-RT 管和阻氧PERT 管的氧氣透過率進(jìn)行了檢測，同時(shí)，記錄了不同溫度和濕度條件下阻氧PE-RT 管的氧氣透過率數(shù)據(jù)，以便分析。 測試結(jié)果見表1 和表2。

通過表1 的數(shù)據(jù)， 顯而易見PE-RT 管的氧氣透過率是阻氧PE-RT 管的79 倍之多，可見即使使用一層EVOH 的材料， 整體管材就可以獲得很高的阻氧效果。表2 體現(xiàn)了不同測試溫度和濕度條件下阻氧PE-RT 的氧氣透過率，當(dāng)溫度自23 ℃升至45 ℃時(shí)，管材的氧氣透過率上升了456%，而當(dāng)測試濕度從39%RH 提高到60%RH， 阻氧管材的氧氣透過率更是增大了數(shù)千倍。 由此可以看出，EVOH 的氧氣透過率受溫度和濕度的影響非常大。究其原因， 主要是由EVOH 自身結(jié)構(gòu)和特性決定的。

表1 PE-RT 管和阻氧PE-RT 管的氧氣透過率測試結(jié)果

表2 不同溫濕度下阻氧PE-RT 管的氧氣透過率測試結(jié)果

上面提到，EVOH 因其分子中的羥基和分子間的氫鍵彼此強(qiáng)烈鍵合，在分子鏈間形成巨大的內(nèi)聚力，阻礙氧氣分子的擴(kuò)散。當(dāng)溫度升高時(shí)，一方面平行分子鏈形成的通道變寬，另一方面熱運(yùn)動(dòng)使得分子鏈構(gòu)象變化越快， 相鄰分子鏈間的距離加大，內(nèi)聚度下降，加快了氧氣分子的滲透速度。因此，當(dāng)溫度較高時(shí)，EVOH 的氧氣阻隔性就會(huì)有所降低。

而濕度變化引起EVOH 氧氣透過率的大幅提高，主要在于兩個(gè)原因：①EVOH 含有羥基—OH,對(duì)水敏感， 若環(huán)境濕度升高， 環(huán)境中的水分會(huì)向EVOH 中擴(kuò)散，會(huì)使材料中的自由體積增加，為氣體分子提供更多的擴(kuò)散縫隙， 增大了氣體透過率。②當(dāng)EVOH 處于高濕環(huán)境時(shí)會(huì)變?yōu)楦邚棏B(tài)， 此時(shí)的EVOH 分子鏈段結(jié)合松散， 有利于氣體分子的擴(kuò)散。

根據(jù)EVOH 阻氧性受溫度和濕度的影響分析，在阻氧管的生產(chǎn)工藝中，通常采用多層結(jié)構(gòu)的形式減少溫濕度對(duì)EVOH 的影響。 主要有三層和五層結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。 第一種為3 層結(jié)構(gòu)，EVOH層位于內(nèi)層，直接面對(duì)高濕環(huán)境并受到熱水的反復(fù)浸泡，致使阻隔性急劇下降。第二種同為3 層結(jié)構(gòu)，但EVOH 層位于外側(cè)，通過PE-RT 材質(zhì)層有效隔離管道內(nèi)水蒸氣和熱度滲透到EVOH 層影響其阻氧性， 同樣因?yàn)橥鈱拥木壒?，EVOH 極易被外物劃傷，因此在應(yīng)用中需多加防護(hù)。 第三組采用的是五層結(jié)構(gòu)，綜合了前兩種的優(yōu)勢，既避免施工過程對(duì)阻隔層的損傷，又能充分保障EVOH 的阻隔性能。

4 結(jié)語

圖2 EVOH 阻氧管結(jié)構(gòu)

隨著我國地暖工程的不斷加大和對(duì)采暖系統(tǒng)的安全性和長久性的需求提高，阻氧管材的使用量越來越大，隨之提升的還有其阻氧性能。 鑒于目前國內(nèi)尚無針對(duì)采暖系統(tǒng)管材氧氣透過率測試方法的標(biāo)準(zhǔn)， 本文通過基于等壓法的透氧測試方法，分析了溫度和濕度的影響，對(duì)于相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)和施工企業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]宋振坤，李繼來.地面輻射供暖系統(tǒng)氧氣滲透的影響及控制措施[J].暖通空調(diào)，2010,40（7）：95-97.

[2]武志軍.冷熱水用塑料管材透氧率的測試方法[J].塑料，2009,38（4）：113-115.

[3]郭靜旋.E V O H 樹脂的性能分析[J].包裝學(xué)報(bào)，2010,2（4）：71-73.