趙 波 ，肖 瀟，王 濤

(1.福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，福建 福州 350002；2.國家塑料制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(福州)，福建 福州 350002)

泡沫塑料是以樹脂為基料，加入一定劑量的發(fā)泡劑、催化劑、穩(wěn)定劑等輔助材料，經(jīng)加熱發(fā)泡而成。具有質(zhì)輕、比強度高、可吸收沖擊載荷、隔熱和隔音性能好等特點。因而在工農(nóng)業(yè)、建筑、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。自問世以來，其用途日益廣泛，品種不斷豐富，其產(chǎn)品主要有聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、酚醛樹脂(PF)等品種。

作為一種性能優(yōu)越的保溫隔熱材料泡沫塑料在冷庫設(shè)施、建筑工程中廣泛應(yīng)用，可用于冷庫地坪、墻體、屋面及閣樓層等保溫工程，建筑物的墻面、屋頂、地板、沉降縫、陽臺欄板等部位。用以降低內(nèi)外部熱能交換、減少源耗，達到節(jié)能減排的作用[1]。

導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料傳熱能力的一個非常重要的熱物理指標，在諸多保溫泡沫塑料國家行業(yè)標準中對產(chǎn)品導(dǎo)熱系數(shù)有明確要求。導(dǎo)熱系數(shù)的測試方法主要有穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱是指溫度場不隨時間變化的導(dǎo)熱過程，在工況不變的條件下，大多數(shù)熱力設(shè)備中所發(fā)生的導(dǎo)熱都是穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱[2]。目前國家行業(yè)標準保溫材料的測量主要采用穩(wěn)態(tài)法。

熱流計法是穩(wěn)態(tài)法中的一種，該方法(所使用的測試設(shè)備)要求測試樣品尺寸：長、寬均為300 mm、厚度在10～100 mm。而在實際檢驗工作中常常會遇到厚度小于10 mm的薄層制品，因此難以用常規(guī)的方法進行試驗，導(dǎo)致在產(chǎn)品生產(chǎn)和工程驗收時難以對保溫塑料導(dǎo)熱系數(shù)進行把關(guān)和監(jiān)管。鑒于此，我們嘗試采用間接的方式來實現(xiàn)對非常規(guī)厚度試樣進行測試以滿足工作需要。

1 實驗部分

1.1 試驗試樣

絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS) ：厚度約為20 mm、30 mm、40 mm、50 mm，分別標記為XPS20、XPS30、XPS40、XPS50；硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡塑料(PU)：厚度約為30 mm；橡塑保溫板(RP)：30 mm；分別標記為PU30、RP30；試樣均為市售?？蛻魜順?#，厚度為5 mm，客戶委托來樣未知生產(chǎn)企業(yè)。

1.2 主要儀器

熱流計導(dǎo)熱系數(shù)測定儀：HFM436 德國耐馳(Netsch)公司；泡沫塑料制樣機，自制。

1.3 實驗方法

按照GB/T 10295-2008要求將試樣切割成長、寬均為300mm，依據(jù)串聯(lián)模型將試樣兩層或三層疊加，在設(shè)定的平均溫度下，測試整體試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。在相同條件下，測試單個試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，利用推導(dǎo)的模型公式計算出整體試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，并將整體試樣測試結(jié)果與模型法計算進行比較分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 串聯(lián)模型的原理

串聯(lián)熱導(dǎo)率模型的示意圖如圖1所示，不同導(dǎo)熱系數(shù)的泡沫塑料疊加在一起，各層的厚度分別為δ1、δ2、δ3，導(dǎo)熱系數(shù)各為λ1、λ2、λ3，測試時熱流方向垂直于平行板的板面，穩(wěn)態(tài)時各壁的溫度分別為T1、T2、T3、T4，整個過程為三層平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱(無內(nèi)熱源)，此時三個換熱環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，此過程的熱路為串聯(lián)熱路，總導(dǎo)熱熱阻等于各板導(dǎo)熱熱阻之和[3]。

圖1 串聯(lián)導(dǎo)熱模型示意圖

Fig.1 Schematic diagram of serials model for thermal conduction

此時復(fù)合泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)可推導(dǎo)為[3]，則各層的熱阻表達式如下：

由于各層q相等，因此可得到：

其中λ為整體材料的導(dǎo)熱系數(shù)，v1、v2、v3為各自材料占整體材料的體積份數(shù)，由于各材料的面積相同，實際應(yīng)為每種材料的厚度占總厚度的百分比。因此，在試驗中僅需要測得整體材料及其中任意兩中材料的導(dǎo)熱系數(shù)即可測出另一種材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.2 模型的驗證

由于泡沫塑料在不同使用溫度下，標準對其導(dǎo)熱系數(shù)要求亦不同[4-12]，根據(jù)擠塑聚苯乙烯泡沫塑料產(chǎn)品標準常使用的平均溫度分別為10℃、15℃、25℃驗證該模型。按GB/T10295-2008分別測試不同厚度的絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)的導(dǎo)熱系數(shù)，然后將其中兩種/三種進行疊加后測試其整體導(dǎo)熱系數(shù)，并利用公式(4)分別計算同樣條件下疊加樣品的整體導(dǎo)熱系數(shù)，按公式(5)計算偏差值，對計算結(jié)果(λ)與測試結(jié)果(λ*)進行比較。

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表1 擠塑聚苯乙烯泡沫塑料樣品驗證試驗數(shù)據(jù)Table 1 The results of thermal conductivity of extruded polystyrene foams

由表1多層絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)的測試值和模型計算值比較可見：(1)各組試樣導(dǎo)熱系數(shù)的測試值均接近于但略大于模型計算值，其原因可能為：1)該模型在推導(dǎo)時，假設(shè)各層試樣緊密貼合，因此接觸面兩側(cè)的溫度相同。而實際情況下，試樣很難達到完全緊密貼合，即使宏觀上看是很平的表面實際上仍然是粗糙的，這樣導(dǎo)致熱量在傳遞過程中有所損失，由公式(4)可知，由于存在熱量損失使得測量的導(dǎo)熱系數(shù)值變大；2)由于試樣表面未完全貼合，存在的間隙充滿空氣。而試驗在標準環(huán)境(溫度為23±2℃，相對濕度為50%±5%)下進行，據(jù)資料表明[13]20℃下干空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.0259 W/m·K，而同溫度下水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.599 W/m·K，在此條件下測試試樣由含濕空氣包覆，一方面該水蒸汽在熱對流過程中吸熱，另外一方面由于試樣間存在水蒸汽分壓差使得水蒸汽分子向保溫材料一側(cè)滲透擴散[14]，產(chǎn)生蒸汽滲透導(dǎo)致測試結(jié)果偏大，這與孫立新[15-16]的試驗結(jié)果相似；(2)各平均溫度下，二層試樣疊加的測試值和模型計算值的偏差在2%之內(nèi)。而三層XPS試樣疊加時偏差超過2%，其原因一方面含濕空氣分子的接觸吸熱作用以及粗糙面流量損失的影響均大于兩層試樣。另一方面模型公式推導(dǎo)過程中忽略了試樣側(cè)面邊緣與空氣存在對流傳熱，根據(jù)孟祥睿的研究[17-18]，側(cè)面散熱量隨試樣厚度增加而提高，試樣截面積周長越大，從側(cè)面損失的熱量越多，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)測試值越大。

2.3 重復(fù)性驗證

作為對比試驗，按照GB/T 10295-2008標準要求，將試樣厚度均約為30 mm的硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡塑料(PU30)與絕熱用擠塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS30)試樣疊加(PU30-XPS30)，在平均溫度25℃下，重復(fù)測試PU30、XPS30以及PU30-XPS30樣品，將PU30與XPS30依據(jù)公式(4)計算整體導(dǎo)熱系數(shù)、以及直接測試整體導(dǎo)熱系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表2。

從測試結(jié)果看，兩種測試方法的相對標準偏差均小于2%，且相對標準偏差值較為接近，說明兩種方法均具有較好的重復(fù)性。

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表2 兩種方法測試聚氨酯與擠塑聚苯乙烯塑料泡沫塑料串聯(lián)試樣重復(fù)性試驗結(jié)果Table 2 The repeatability test results of thermal conductivity of polyurethane and extruded polystyrene foams via two methods

2.4 薄層試樣的測試

將未知導(dǎo)熱系數(shù)的1#薄層試樣(厚度約5mm)，利用3層試樣疊加記為3-1#直接測試，或分別與XPS30、PU30、RP30串聯(lián)(試樣分別記為1#-XPS30、1#-PU30、1#-RP30)平均溫度為25℃、15℃、10℃進行測試，按公式(4)計算出1#試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果見表3。結(jié)果可見，通過對3層1#試樣疊加的方式和XPS、PU、RP試樣與1#試樣疊加的方式得出的1#試樣導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果相近，偏差較小，因此可利用串聯(lián)模型對薄層試樣進行測試。

表3 不同類型1#試樣導(dǎo)熱系數(shù)的測試結(jié)果Table 3 Tested results of thermal conductivity for different type 1# samples

3 結(jié)論

由以上試驗結(jié)果可知：串聯(lián)模型熱流計法可以用于測試硬質(zhì)聚氨酯、橡塑泡沫塑料、擠塑聚苯乙烯等泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)。在平均溫度為10℃、15℃、25℃下使用熱流計法直接測得的導(dǎo)熱系數(shù)值和串聯(lián)模型法計算值偏差在3%以內(nèi)。兩層疊加的導(dǎo)熱系數(shù)計算值偏差小于三層疊加的計算值。串聯(lián)模型間接的測試方法重現(xiàn)性較好，與直接測試的結(jié)果具有較好的可比性。對多層保溫材料，可以通過測試總體材料及各層材料的厚度，利用熱流計法測出除未知層以外各層材料及整體材料的導(dǎo)熱系數(shù)，通過串聯(lián)模型公式可計算出未知材料的導(dǎo)熱系數(shù)。