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        擠塑板表面結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

        2019-12-03 04:55:18李玲利黃愛軍蔣建強(qiáng)
        中國塑料 2019年11期

        李玲利,黃愛軍,張 巖,蔣建強(qiáng)

        (國檢集團(tuán),中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司,國家建筑材料測(cè)試中心,北京 100024)

        0 前言

        XPS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(jié)構(gòu)的硬質(zhì)泡沫塑料[1]。XPS的閉孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)決定了其在吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)以及水蒸氣滲透系數(shù)等方面均低于傳統(tǒng)保溫材料,因此XPS具有高抗壓、輕質(zhì)、不透氣、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)近30年來能源界的研究,目前普遍認(rèn)為建筑節(jié)能是各種節(jié)能途徑中潛力最大、最為直接有效的方式,是緩解能源緊張、解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源供應(yīng)不足的矛盾的最有效措施之一[2]。而在工程建設(shè)中,擠塑板憑借著優(yōu)良的絕熱性能,成為最為常用的保溫材料。而保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)是反映其絕熱性能最重要的物理量,它不僅是評(píng)價(jià)材料熱力學(xué)性能的指標(biāo),也是材料在節(jié)能工程應(yīng)用時(shí)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)依據(jù)。因此,擠塑板的導(dǎo)熱系數(shù)在節(jié)能工程中具有極其重要的作用。

        (a)帶表皮的平面板 (b)帶表皮的開槽板 (c)帶表皮的開槽石墨擠塑板 (d)不帶表皮的毛面板圖1 3種類型的擠塑板Fig.1 Three types of boards

        然而,近些年來保溫板脫落事故頻發(fā),為了提高擠塑板與基層墻體的黏結(jié)強(qiáng)度,表面開槽的擠塑板和不帶表皮的毛面板應(yīng)運(yùn)而生。所以從表面結(jié)構(gòu)來區(qū)分,如圖1所示,目前市場(chǎng)上主要有3種擠塑板,帶表皮的平面板、帶表皮的開槽板、不帶表皮的毛面板。本文探究了這些表面處理是否會(huì)對(duì)擠塑板原有的導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生影響,并會(huì)產(chǎn)生何種影響。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要原料

        XPS擠塑板,1 200 mm×600 mm×100 mm,2塊帶表皮的平面擠塑板(樣品編號(hào)為1#和2#)、2塊帶表皮的開槽擠塑板(樣品編號(hào)為3#和4#)、1塊帶表皮的開槽石墨擠塑板(樣品編號(hào)為5#);樣品選自國內(nèi)3個(gè)大型擠塑板生產(chǎn)廠家的成熟產(chǎn)品,品質(zhì)優(yōu)越,性能穩(wěn)定,市場(chǎng)占有率較高,具有典型的代表性;其中1#和3#樣品為來自廠家A的同密度產(chǎn)品,2#和4#樣品為來自廠家B的同密度產(chǎn)品,5#樣品來自廠家C;5塊樣品均已經(jīng)過90 d以上的陳化。

        1.2 主要設(shè)備及儀器

        熱流計(jì)法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀,HFM 436,量程為0.005~0.50 W/(m·K),精度為3 %,德國耐馳儀器制造有限公司。

        1.3 樣品制備

        分別從5塊整板上各制取3塊導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)樣品,長寬均為(300±2) mm,1塊為原厚兩面帶皮樣品[厚度為(100±1) mm],1塊為單面帶皮樣品[厚度為(80±1) mm],1塊為兩面去皮,即無表皮樣品[厚度為(50±1) mm]。

        1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

        導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試:按照GB/T 10295—2008將已完成狀態(tài)調(diào)節(jié)的樣品在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試,每塊樣品測(cè)試3次,最終導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)取其3次測(cè)試結(jié)果的平均值;導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀設(shè)定平均溫度為(25±1) ℃,試驗(yàn)溫差為(20±1) ℃;樣品性能見表1。

        表1 樣品性能

        2 結(jié)果與討論

        5塊樣品未進(jìn)行表面去除前其導(dǎo)熱系數(shù)均符合GB/T 10801.2—2018中030級(jí)擠塑板的指標(biāo)要求[≤0.030 W/(m·K)[3]]。同廠家同密度有無開槽的XPS相比,導(dǎo)熱系數(shù)損失率見表2。由表2可知,表面開槽后2家樣品的導(dǎo)熱系數(shù)均有損失,但損失率均未超過3 %,而且二者相差不大。

        5組樣品去除單面表皮和去除兩面表皮后的導(dǎo)熱系數(shù)損失率見表3和圖2。由圖2可見,無論是哪家產(chǎn)品,無論是普通帶表皮擠塑板,帶表皮開槽板還是石墨擠塑板, 原始樣品的導(dǎo)熱系數(shù)均為每組中的最小值。 去除單面表皮后導(dǎo)熱系數(shù)損失率均不到5 %;而去除兩面表皮后樣品的導(dǎo)熱系數(shù)均為每組的最大值,且導(dǎo)熱系數(shù)損失率為8 %~12 %。

        表2 表面開槽的導(dǎo)熱系數(shù)損失率

        表3 表皮去除的導(dǎo)熱系數(shù)損失率

        □ —去除單面表面 ■ —去除雙面表面圖2 表皮去除后的導(dǎo)熱系數(shù)損失率Fig.2 Loss rate of thermal conductivity by scarfskin removal

        換言之,表面開槽對(duì)XPS導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小,單面去除表皮次之,而兩面去除表皮會(huì)明顯降低XPS的導(dǎo)熱系數(shù)。

        從導(dǎo)熱系數(shù)的構(gòu)成角度來說,XPS泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)主要構(gòu)成因素有4個(gè),分別是泡孔壁的導(dǎo)熱系數(shù)(λs)、氣泡內(nèi)氣體(主要指發(fā)泡劑)的導(dǎo)熱系數(shù)(λg)、泡孔壁和氣泡的輻射導(dǎo)熱系數(shù)(λr)以及氣泡內(nèi)氣體的對(duì)流導(dǎo)熱系數(shù)(λc)。因此,泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)當(dāng)是以上4種導(dǎo)熱系數(shù)的加和[4]。即λ=λs+λg+λr+λc。

        每一種導(dǎo)熱系數(shù)都受自身性能的影響,λs受XPS泡沫塑料密度和泡孔壁厚度的影響;λg受發(fā)泡劑種類和含量的影響;λr受泡孔結(jié)構(gòu)和泡孔壁厚度的影響;由于XPS的泡孔直徑很小,因此λc的大小可以忽略不計(jì)。其中,λg對(duì)XPS的導(dǎo)熱系數(shù)貢獻(xiàn)最大,約為60 %。而影響λg的主要是泡內(nèi)氣體的種類、含量以及各種氣體的導(dǎo)熱系數(shù)[4]。XPS在生產(chǎn)過程中,發(fā)泡劑膨脹充滿泡孔,如果發(fā)泡劑在聚苯乙烯(PS)中的擴(kuò)散系數(shù)很大的話,那么發(fā)泡劑會(huì)逐漸向氣泡外部擴(kuò)散;相反,如果發(fā)泡劑在PS中的擴(kuò)散系數(shù)很小,就會(huì)貯存在氣泡內(nèi)部。同上空氣也會(huì)向XPS內(nèi)部擴(kuò)散,那么氣泡內(nèi)的氣體通常為空氣和發(fā)泡劑的混合氣體。由于λg對(duì)XPS的導(dǎo)熱系數(shù)的貢獻(xiàn)最大,所以生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過程中選用一種導(dǎo)熱系數(shù)低,同時(shí)能夠在氣泡內(nèi)貯存較長時(shí)間的發(fā)泡劑變得尤為重要。

        擠塑板表皮是生產(chǎn)過程中,特定溫度和特定壓力條件下形成的均勻致密的表皮層,能有效提高XPS的閉孔率,保證氣泡內(nèi)能夠貯存較長時(shí)間的發(fā)泡劑,降低發(fā)泡劑在PS中的擴(kuò)散系數(shù),同時(shí)極大地減小了外部空氣向XPS內(nèi)部擴(kuò)散的速度,所以帶表皮的XPS具有最低的導(dǎo)熱系數(shù)。而在XPS開槽和去除表皮的過程中擠塑板表面緊密的閉孔結(jié)構(gòu)被破壞,發(fā)泡劑向氣泡外擴(kuò)散,外部空氣迅速向XPS內(nèi)部擴(kuò)散,導(dǎo)致λg明顯升高。另外表層的泡孔壁厚度和氣泡內(nèi)氣體發(fā)生變化,引起λs和λr不同程度的升高,導(dǎo)致XPS板的導(dǎo)熱系數(shù)增大。對(duì)于表面開槽的擠塑板來說,其開槽面積遠(yuǎn)小于帶表皮的面積,所以開槽的擠塑板的導(dǎo)熱系數(shù)損失率較小。表皮損失越多,導(dǎo)熱系數(shù)損失也就越大。所以雙面去除表皮后導(dǎo)熱系數(shù)明顯降低。

        3 結(jié)論

        (1)XPS開槽對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響較小,導(dǎo)熱系數(shù)損失率在3 %以內(nèi),XPS去除單面表皮后,導(dǎo)熱系數(shù)損失率在5 %以內(nèi),XPS去除兩面表皮后,導(dǎo)熱系數(shù)損失率為8 %~12 %;

        (2)表面開槽對(duì)XPS的導(dǎo)熱系數(shù)影響較小,單面去除表皮次之,而雙面去除表皮會(huì)明顯降低XPS的導(dǎo)熱系數(shù)。

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