聚異三聚氰酸酯硬泡沫和彈性體發(fā)泡材料絕熱系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)

唐 浩

(阿樂斯絕熱材料廣州有限公司研發(fā)中心 廣州 511447)

聚異三聚氰酸酯硬泡沫和彈性體發(fā)泡材料絕熱系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)

唐 浩

(阿樂斯絕熱材料廣州有限公司研發(fā)中心 廣州 511447)

介紹了聚異三聚氰酸酯硬泡沫和彈性體發(fā)泡材料的生產(chǎn)工藝及性能數(shù)據(jù)，對(duì)兩種材料進(jìn)行深冷低溫連續(xù)試驗(yàn)、真空吸水率試驗(yàn)和受力沖擊模擬試驗(yàn)。觀察試驗(yàn)現(xiàn)象記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并比較兩種材料在深冷低溫下絕熱效果，防潮性和受力沖擊性能，分析了各自在使用上的優(yōu)勢與不足。

泡沫絕熱材料 聚異三聚氰酸酯硬泡沫 彈性體發(fā)泡材料 性能特點(diǎn) 絕熱效果

06-0052-05

1 引言

目前絕熱工程中有機(jī)絕熱材料主要是聚異三聚氰酸酯硬泡沫、彈性體發(fā)泡材料和聚苯乙烯等，在低溫絕熱工程中，前兩種材料運(yùn)用較為廣泛。本文在3個(gè)不同試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，對(duì)聚異三聚氰酸酯硬泡沫和彈性體發(fā)泡材料絕熱系統(tǒng)(以下簡稱彈性絕熱系統(tǒng))特點(diǎn)和優(yōu)劣做出比較分析。為LNG裝置及其它低溫設(shè)備絕熱材料選擇使用提供理論數(shù)據(jù)參考和低溫環(huán)境模擬演示，有助于設(shè)計(jì)人員和用戶經(jīng)濟(jì)有效地選用絕熱材料，以降低成本節(jié)約能源，提高裝置生產(chǎn)效率。

2 試驗(yàn)材料介紹

聚異三聚氰酸酯硬泡沫和彈性體發(fā)泡材料按結(jié)構(gòu)分類，都屬于多孔類絕熱材料，也稱泡沫絕熱材料。這是一種固體基質(zhì)連續(xù)而氣孔不連續(xù)的絕熱材料，在生產(chǎn)過程中利用發(fā)泡劑等物質(zhì)產(chǎn)生氣泡，形成許多孔隙將空氣隔絕。在封閉狀態(tài)下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.023 W/(m·K)，小于0.064 W/(m·K)(保冷材料的平均溫度低于27℃時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)不應(yīng)大于0.064 W/(m·K)［1］，因此，泡沫絕熱材料內(nèi)部隔絕的空氣使整個(gè)材料成為絕緣體，具有絕熱功能［2］。

聚異三聚氰酸酯也稱聚異氰脲酸酯，Polyisocyanurate，簡稱PIR，系由異氰酸鹽(Isocyanate)經(jīng)三量化觸媒作用后與聚醚為主原料，再加上觸媒、防火劑及環(huán)保型發(fā)泡劑，經(jīng)專門配方和嚴(yán)格工藝條件下充分混合、反應(yīng)、發(fā)泡生成的泡沫聚合體。PIR具有獨(dú)立的密閉細(xì)胞結(jié)構(gòu)，適用絕熱溫度范圍-196℃—+120℃，可以用于LNG、液態(tài)乙烯、液化空氣、LPG冷庫、液態(tài)CO2、液氨等能源化工介質(zhì)或建筑物或空調(diào)暖通。PIR密度小質(zhì)量輕，但表面很容易產(chǎn)生粉塵，所以安裝人員需要佩戴呼吸防護(hù)用品以減少吸入粉塵［3］。

彈性體發(fā)泡材料以橡膠為基材，加入發(fā)泡劑、阻燃劑和硫化劑等添加劑，經(jīng)過密煉、開練、冷卻、擠出和發(fā)泡之后，內(nèi)部產(chǎn)生許多封閉的小氣孔，從而具有絕熱效果，有板材和管材2種，厚度(管徑)可以根據(jù)需要生產(chǎn)。彈性體發(fā)泡材料是一種柔性材料，具有很好的伸縮回彈性，現(xiàn)場使用刀具和膠水進(jìn)行裁剪包裹和粘貼即可安裝，施工非常方便。

彈性體發(fā)泡材料D采用耐低溫的二烯烴聚合物橡膠為基材，該共聚物是一種飽和橡膠，主鏈?zhǔn)怯苫瘜W(xué)穩(wěn)定的飽和烴組成，只是在側(cè)鏈含有不飽和雙鍵，分子鏈在寬的溫度范圍內(nèi)保持柔軟，因此該產(chǎn)品在低溫下維持柔性，可大幅減少溫度應(yīng)力。彈性體發(fā)泡材料T以NBR丁腈橡膠聚合物為基材，經(jīng)過一系列加工制造而成。丁腈橡膠是由丁二烯(CH2=CH-CH=CH2)和丙烯腈(CH2=CH-CN)經(jīng)乳液共聚而制得的一種高分子彈性體。丁腈橡膠以優(yōu)異的耐油性著稱同時(shí)耐磨性較高，耐熱性較好，粘接力強(qiáng)。其缺點(diǎn)是耐低溫性差、耐臭氧性差，電性能低劣，彈性稍低［4］。表1為PIR和彈性體發(fā)泡材料物理性能，PIR硬泡沫和彈性體發(fā)泡材料都是有機(jī)高分子材料，這使它們?cè)诜阑饻y試上無法與無機(jī)絕熱材料比較。但在生產(chǎn)過程中，在配方中加入適當(dāng)配比的阻燃劑可以有效地提高它們防火性能。

表1 PIR和彈性體發(fā)泡材料物理性能參考Table 1 PIR and flexible foamed material physical properties reference

3 試驗(yàn)方法說明、操作和試驗(yàn)結(jié)果

3.1 深冷低溫下絕熱效果試驗(yàn)

深冷低溫下絕熱的目的是為了減少冷量損失(熱量侵入)或控制冷量損失，確保保冷層外表面溫度高于環(huán)境的露點(diǎn)溫度，防止外表面結(jié)露維持設(shè)備管道正常運(yùn)行。同時(shí)，可以節(jié)約能源，提升設(shè)備生產(chǎn)能力并且改善勞動(dòng)條件防止操作人員凍傷［2］。

3.1.1 試驗(yàn)方法及操作

本試驗(yàn)裝置是由杜瓦瓶和一根外徑為89 mm的水平不銹鋼304管(其中用于試驗(yàn)的部分長度為2.1 m)以及安裝在該段管上的壓力表和閥門組成，壓力表用來監(jiān)測管道內(nèi)壓力，通過調(diào)節(jié)閥門改變液氮流量控制溫度。配上熱電偶和無紙化記錄儀監(jiān)測讀取溫度數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)時(shí)，通過金屬軟管將杜瓦瓶與不銹鋼管連接，之后打開杜瓦瓶出口閥使液氮進(jìn)入不銹鋼管。液氮的沸點(diǎn)是-196℃，進(jìn)入不銹鋼管的液氮使不銹鋼管外壁溫度下降，利用熱電偶監(jiān)測溫度變化，通過無紙化記錄儀讀數(shù)。當(dāng)溫度降到 -165℃時(shí)，保持-165℃ ±10℃不少于24個(gè)小時(shí)使材料冷透，然后觀察材料表現(xiàn)并記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行絕熱效果比較。

圖1所示為在試驗(yàn)中(環(huán)境溫度32℃，濕度54%)所使用的材料樣品，分別是:(1)厚100 mm，長1 000 mm的PIR硬泡沫，內(nèi)外各放1個(gè)熱電偶;(2)彈性絕熱系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)由一層D材料加3層T材料組成。內(nèi)層D材料確保系統(tǒng)深冷低溫下優(yōu)良的機(jī)械性能，外層T材料卻確保系統(tǒng)卓越的絕熱性能和良好的經(jīng)濟(jì)效益。具體為:厚13 mm，長為1 000 mm的彈性體發(fā)泡材料D安裝在最內(nèi)層，外面再包裹3層彈性體發(fā)泡材料T，每層厚度25 mm，長度分別為800 mm，600 mm和400 mm，不同的長度為了便于觀察各層在試驗(yàn)時(shí)變化，系統(tǒng)總厚度為13+25×3=88 mm，最內(nèi)層和最外層各放1個(gè)熱電偶，共2個(gè)，如圖2所示裝在不銹鋼管上。

圖2 安裝在管道上的泡沫材料，聚異三聚氰酸酯硬泡沫和彈性絕熱系統(tǒng)Fig.2 Installed foamed materials，polyisocyanurate solid foam and flexible foamed material insulation system

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖3是從無紙化記錄儀截取兩種材料由內(nèi)層到外層溫度的顯示。第一行是PIR硬泡沫部分溫度，內(nèi)層為-167℃，外層為33℃，并且外表面保持干燥。第二行是彈性絕熱系統(tǒng)溫度，內(nèi)層為-167℃，外層為32℃。系統(tǒng)中最內(nèi)層和次內(nèi)層外表面結(jié)露，第三層和第四層外表面一直保持干燥狀態(tài)。表面結(jié)露是因?yàn)楸砻鏈囟鹊陀诋?dāng)時(shí)露點(diǎn)溫度，說明厚度為D13 mm+T25 mm不能滿足當(dāng)時(shí)工況下的絕熱要求，需要增加保溫層厚度?？紤]到54%的濕度是一個(gè)相對(duì)平均值較低的濕度，所以試驗(yàn)中在38 mm厚度基礎(chǔ)上多增加了50 mm的彈性體發(fā)泡材料T。

圖2 無紙記錄儀讀數(shù)Fig 2 Record data

圖4 試驗(yàn)前后安裝在管道上的PIR對(duì)比Fig.4 Comparison of PIR before and after test

圖5 彈性體發(fā)泡材料D帶壓安裝示意圖Fig.5 Installation sketch map of flexible foamed material

試驗(yàn)中進(jìn)一步觀察兩種材料，由于熱脹冷縮原因，PIR和彈性絕熱系統(tǒng)均有一定程度收縮。通過圖4可以看出，PIR在試驗(yàn)前后收縮很明顯，需要采用軟質(zhì)材料做伸縮縫處理，否則接縫處由于熱脹冷縮會(huì)產(chǎn)生收縮導(dǎo)致開裂，影響保冷效果［5］。彈性體發(fā)泡材料遇冷也存在收縮問題，但因其具有很好的彈性，在安裝時(shí)只需按推薦的預(yù)留長度，采取帶壓的方式進(jìn)行每層彈性體材料安裝，即可解決系統(tǒng)的收縮問題，參看圖5彈性體發(fā)泡材料D帶壓安裝示意圖。

3.2 真空吸水率試驗(yàn)

真空吸水率原理:閉孔材料指閉孔率達(dá)90%的材料。因此，將其浸泡在水中時(shí)，只是在表面被切開的氣孔里和少部分開孔里積水，由于氣孔微小，水不易充滿孔隙，而在一定的真空度下，水可迅速進(jìn)入孔隙，從而快速、準(zhǔn)確達(dá)到測量目的［6］。

按照GBT/17794-2008所示方法，對(duì)PIR和彈性體發(fā)泡材料T進(jìn)行真空吸水率測試。需要說明的是:GB/T17794-2008適用于柔性泡沫橡塑絕熱制品，試驗(yàn)所用PIR不屬于該類制品。但根據(jù)真空吸水率測試原理，結(jié)合SH/T3522-2003對(duì)絕熱材料防潮要求，真空吸水率測試結(jié)果可以作為對(duì)兩種材料防潮性能的一個(gè)參考。

依照GB/T17794-2008所示方法，PIR和彈性體發(fā)泡材料T真空吸水率分別為46.51%和3.92%。

3.3 受力沖擊試驗(yàn)

模擬在絕熱材料使用過程中可能受到外力作用沖擊的情況，例如人為踩踏或工具雜物掉落。試驗(yàn)時(shí)用一個(gè)橡膠錘用力快速敲擊3種絕熱材料，觀察試驗(yàn)現(xiàn)象并進(jìn)行力學(xué)性能比較。如圖6所示，PIR在受到橡膠錘用力快速敲擊后外表面損壞嚴(yán)重，彈性體發(fā)泡材料表面則沒有太大變化。

圖6 受力沖擊試驗(yàn)前后對(duì)比Fig.6 Comparison of PIR before and after force impact

4 結(jié)果分析

4.1 深冷低溫下絕熱效果比較分析

PIR硬泡沫和彈性絕熱系統(tǒng)安裝在-165℃管道表面24小時(shí)之后，兩種材料本身都無異常，說明它們都可以在-165℃環(huán)境中使用，這個(gè)溫度也接近LNG的液化溫度。兩種材料最外層溫度分別為:33℃和32℃都接近當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度，說明在溫度-165℃外徑89 mm的管道上，厚度100 mm的PIR和厚度為88 mm的彈性絕熱系統(tǒng)具有相同的絕熱效果。結(jié)合圖7可以看出，在深冷環(huán)境下彈性體發(fā)泡材料D導(dǎo)熱系數(shù)呈線性陡降趨勢，與PIR導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)際非常接近，因此液氮管路安裝厚度也接近。在低溫管道上使用絕熱材料減少了工作中冷量的損失以及防止操作人員凍傷。在實(shí)際工業(yè)絕熱運(yùn)用中，因管內(nèi)介質(zhì)溫度不同，管道直徑大小不等長短不同，具體的絕熱材料包裹厚度，需要根據(jù)給定的條件進(jìn)行計(jì)算。

圖7 導(dǎo)熱系數(shù)與溫度對(duì)應(yīng)曲線Fig.7 Corresponding curve between thermal conductivity and temperature

4.2 防潮性能比較分析

絕熱工程如果受潮內(nèi)部就會(huì)有大量水汽滲入，產(chǎn)生凝結(jié)水或結(jié)冰現(xiàn)象，以致絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)增大絕熱效果急劇下降。PIR較彈性體發(fā)泡材料T更易吸水，所以在使用時(shí)對(duì)防潮層要求非常高，常用石油瀝青或改性瀝青玻璃布、石油瀝青瑪蹄酯玻璃布等做防潮層［2］。彈性體發(fā)泡絕熱系統(tǒng)在安裝時(shí)，需要在粘接處滿涂膠水，層與層之間端頭再涂5 cm長膠水，不再需要額外防潮層便可有效防止潮氣侵入。

4.3 受力沖擊性能比較分析

PIR在受到一定外力沖擊下不能及時(shí)分散外力，其外表面損壞嚴(yán)重，空氣中水汽會(huì)很快侵入PIR內(nèi)部，這樣會(huì)嚴(yán)重影響其絕熱效果;彈性體發(fā)泡材料內(nèi)部有很多獨(dú)立封閉的小泡孔，在受力沖擊時(shí)每個(gè)獨(dú)立的小泡孔都能吸收分散外力，在整體上表現(xiàn)為回彈收縮。所以其形狀不受破壞內(nèi)部泡孔保持完好，因此絕熱效果也不會(huì)受到影響。

5 結(jié)語

通過上述3個(gè)試驗(yàn)，更進(jìn)一步了解PIR和彈性絕熱系統(tǒng)性能。由于各PIR生產(chǎn)廠家原材料和生產(chǎn)工藝不同，PIR性能也不完全相同。單從絕熱性能比較，PIR在低溫下導(dǎo)熱系數(shù)低于彈性體發(fā)泡材料，但其吸水率較大，受外力沖擊表面容易受到破壞，所以施工時(shí)在防護(hù)防潮層和接縫處需要做一些特殊處理。

彈性絕熱系統(tǒng)有著優(yōu)異的防水防潮性能，并且柔軟。受外力沖擊可以均勻分散外力起到保護(hù)表面的作用。在絕熱效果方面，88 mm厚度的彈性絕熱系統(tǒng)與厚度100 mm的 PIR，在外徑89 mm介質(zhì)溫度-165℃的管道上具有相同的絕熱效果。由于彈性體發(fā)泡材料是以橡膠為基材制造而成，長時(shí)間暴露在陽光下使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)老化，所以在使用時(shí)還需在外層加上一防護(hù)層，防止陽光直接照射，延長使用壽命。目前，中國大連LNG項(xiàng)目和山西晉城液化天然氣工廠已經(jīng)采用了彈性絕熱系統(tǒng)。

1 國家技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國建設(shè)部.工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范(GB/T50264-1997)［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，1997.

2 張德姜.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)(第4版)［M］.北京:中國石化出版社，2009.

3 朱呂民，劉益軍.聚氨酯泡沫塑料(第3版)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

4 謝遂志，劉登祥，周鳴岱.橡膠工業(yè)手冊(cè)(修訂版第一分冊(cè))［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1989.

5 張敏丹.LNG低溫輸送管路的絕熱保冷［J］.深冷技術(shù)，2005(5):18-21.

6 中國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).柔性泡沫橡塑絕熱制品(GB/T17794-2008)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

7 中國國家發(fā)展和改革委員會(huì).石油化工隔熱工程施工工藝標(biāo)準(zhǔn)(SH/T3522-2003)［S］.北京:中國石化出版社，2003.

Comparison test of insulation system about polyisocyanurate solid foamed and flexible foamed material

Tang Hao

(Armacell Insulation Material Guangzhou Co.，Ltd.，Guangzhou 511447，China)

Production technology and performance data of polyisocyanurate solid foam and flexible foamed material were introduced.Cryogenic testing，vacuum water absorption test and simulating force from point impact test of the two insulation materials were conducted to compare insulation effect，moistureproof and anti-impact capabilities.The properties data were combined，advantage and disadvantage of the two materials in usage were analyzed.

foamed insulation materials;polyisocyanurate solid foam;flexible foamed material;performance;insulation effect

TB64

A

1000-6516(2011)

2011-08-01;

2011-09-16

唐 浩，男，29歲，助理工程師。