擠塑板表面結(jié)構(gòu)對導熱系數(shù)的影響

李玲利，黃愛軍，張 巖，蔣建強

(國檢集團，中國建材檢驗認證集團股份有限公司，國家建筑材料測試中心，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。根據(jù)近30年來能源界的研究，目前普遍認為建筑節(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)濟發(fā)展與能源供應不足的矛盾的最有效措施之一[2]。而在工程建設中，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。而保溫材料的導熱系數(shù)是反映其絕熱性能最重要的物理量，它不僅是評價材料熱力學性能的指標，也是材料在節(jié)能工程應用時的一個重要設計依據(jù)。因此，擠塑板的導熱系數(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)強度，表面開槽的擠塑板和不帶表皮的毛面板應運而生。所以從表面結(jié)構(gòu)來區(qū)分，如圖1所示，目前市場上主要有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對擠塑板原有的導熱系數(shù)產(chǎn)生影響，并會產(chǎn)生何種影響。

1 實驗部分

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(樣品編號為1#和2#)、2塊帶表皮的開槽擠塑板(樣品編號為3#和4#)、1塊帶表皮的開槽石墨擠塑板(樣品編號為5#)；樣品選自國內(nèi)3個大型擠塑板生產(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 主要設備及儀器

熱流計法導熱系數(shù)測定儀，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塊導熱系數(shù)試驗樣品，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 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

導熱系數(shù)測試：按照GB/T 10295—2008將已完成狀態(tài)調(diào)節(jié)的樣品在標準試驗環(huán)境下進行測試，每塊樣品測試3次，最終導熱系數(shù)的試驗數(shù)據(jù)取其3次測試結(jié)果的平均值；導熱系數(shù)測定儀設定平均溫度為(25±1) ℃，試驗溫差為(20±1) ℃；樣品性能見表1。

表1 樣品性能

2 結(jié)果與討論

5塊樣品未進行表面去除前其導熱系數(shù)均符合GB/T 10801.2—2018中030級擠塑板的指標要求[≤0.030 W/(m·K)[3]]。同廠家同密度有無開槽的XPS相比，導熱系數(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， 原始樣品的導熱系數(shù)均為每組中的最小值。 去除單面表皮后導熱系數(shù)損失率均不到5 %；而去除兩面表皮后樣品的導熱系數(shù)均為每組的最大值，且導熱系數(shù)損失率為8 %～12 %。

表2 表面開槽的導熱系數(shù)損失率

表3 表皮去除的導熱系數(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XPS導熱系數(shù)的影響較小，單面去除表皮次之，而兩面去除表皮會明顯降低XPS的導熱系數(shù)。

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

每一種導熱系數(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。其中，λg對XPS的導熱系數(shù)貢獻最大，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)中的擴散系數(shù)很大的話，那么發(fā)泡劑會逐漸向氣泡外部擴散；相反，如果發(fā)泡劑在PS中的擴散系數(shù)很小，就會貯存在氣泡內(nèi)部。同上空氣也會向XPS內(nèi)部擴散，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XPS的導熱系數(shù)的貢獻最大，所以生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過程中選用一種導熱系數(shù)低，同時能夠在氣泡內(nèi)貯存較長時間的發(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)能夠貯存較長時間的發(fā)泡劑，降低發(fā)泡劑在PS中的擴散系數(shù)，同時極大地減小了外部空氣向XPS內(nèi)部擴散的速度，所以帶表皮的XPS具有最低的導熱系數(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)泡劑向氣泡外擴散，外部空氣迅速向XPS內(nèi)部擴散，導致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，導致XPS板的導熱系數(shù)增大。對于表面開槽的擠塑板來說，其開槽面積遠小于帶表皮的面積，所以開槽的擠塑板的導熱系數(shù)損失率較小。表皮損失越多，導熱系數(shù)損失也就越大。所以雙面去除表皮后導熱系數(shù)明顯降低。

3 結(jié)論

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

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