串聯(lián)模型熱流計(jì)法測(cè)薄層泡沫塑料導(dǎo)熱系數(shù)

趙 波 ，肖 瀟，王 濤

(1.福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350002；2.國(guó)家塑料制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(qiáng)度高、可吸收沖擊載荷、隔熱和隔音性能好等特點(diǎn)。因而在工農(nóng)業(yè)、建筑、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。自問(wèn)世以來(lái)，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(kù)設(shè)施、建筑工程中廣泛應(yīng)用，可用于冷庫(kù)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(yáng)臺(tái)欄板等部位。用以降低內(nèi)外部熱能交換、減少源耗，達(dá)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(gè)非常重要的熱物理指標(biāo)，在諸多保溫泡沫塑料國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)產(chǎn)品導(dǎo)熱系數(shù)有明確要求。導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)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(chǎng)不隨時(shí)間變化的導(dǎo)熱過(guò)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(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)保溫材料的測(cè)量主要采用穩(wěn)態(tài)法。

熱流計(jì)法是穩(wěn)態(tài)法中的一種，該方法(所使用的測(cè)試設(shè)備)要求測(cè)試樣品尺寸：長(zhǎng)、寬均為300 mm、厚度在10～100 mm。而在實(shí)際檢驗(yàn)工作中常常會(huì)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(jìn)行試驗(yàn)，導(dǎo)致在產(chǎn)品生產(chǎn)和工程驗(yàn)收時(shí)難以對(duì)保溫塑料導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行把關(guān)和監(jiān)管。鑒于此，我們嘗試采用間接的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)非常規(guī)厚度試樣進(jìn)行測(cè)試以滿足工作需要。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)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(biāo)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(biāo)記為PU30、RP30；試樣均為市售?？蛻魜?lái)樣1#，厚度為5 mm，客戶委托來(lái)樣未知生產(chǎn)企業(yè)。

1.2 主要儀器

熱流計(jì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀：HFM436 德國(guó)耐馳(Netsch)公司；泡沫塑料制樣機(jī)，自制。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

按照GB/T 10295-2008要求將試樣切割成長(zhǎng)、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(cè)試整體試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。在相同條件下，測(cè)試單個(gè)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，利用推導(dǎo)的模型公式計(jì)算出整體試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，并將整體試樣測(cè)試結(jié)果與模型法計(jì)算進(jìn)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(cè)試時(shí)熱流方向垂直于平行板的板面，穩(wěn)態(tài)時(shí)各壁的溫度分別為T1、T2、T3、T4，整個(gè)過(guò)程為三層平壁一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱(無(wú)內(nèi)熱源)，此時(shí)三個(gè)換熱環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，此過(guò)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(shí)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(dá)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(shí)際應(yīng)為每種材料的厚度占總厚度的百分比。因此，在試驗(yàn)中僅需要測(cè)得整體材料及其中任意兩中材料的導(dǎo)熱系數(shù)即可測(cè)出另一種材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.2 模型的驗(yàn)證

由于泡沫塑料在不同使用溫度下，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)常使用的平均溫度分別為10℃、15℃、25℃驗(yàn)證該模型。按GB/T10295-2008分別測(cè)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(jìn)行疊加后測(cè)試其整體導(dǎo)熱系數(shù)，并利用公式(4)分別計(jì)算同樣條件下疊加樣品的整體導(dǎo)熱系數(shù)，按公式(5)計(jì)算偏差值，對(duì)計(jì)算結(jié)果(λ)與測(cè)試結(jié)果(λ*)進(jìn)行比較。

(5)

表1 擠塑聚苯乙烯泡沫塑料樣品驗(yàn)證試驗(yàn)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(cè)試值和模型計(jì)算值比較可見(jiàn)：(1)各組試樣導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試值均接近于但略大于模型計(jì)算值，其原因可能為：1)該模型在推導(dǎo)時(shí)，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(shí)際情況下，試樣很難達(dá)到完全緊密貼合，即使宏觀上看是很平的表面實(shí)際上仍然是粗糙的，這樣導(dǎo)致熱量在傳遞過(guò)程中有所損失，由公式(4)可知，由于存在熱量損失使得測(cè)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(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境(溫度為23±2℃，相對(duì)濕度為50%±5%)下進(jìn)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(cè)試試樣由含濕空氣包覆，一方面該水蒸汽在熱對(duì)流過(guò)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(kuò)散[14]，產(chǎn)生蒸汽滲透導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏大，這與孫立新[15-16]的試驗(yàn)結(jié)果相似；(2)各平均溫度下，二層試樣疊加的測(cè)試值和模型計(jì)算值的偏差在2%之內(nèi)。而三層X(jué)PS試樣疊加時(shí)偏差超過(guò)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(guò)程中忽略了試樣側(cè)面邊緣與空氣存在對(duì)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(zhǎng)越大，從側(cè)面損失的熱量越多，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試值越大。

2.3 重復(fù)性驗(yàn)證

作為對(duì)比試驗(yàn)，按照GB/T 10295-2008標(biāo)準(zhǔn)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(cè)試PU30、XPS30以及PU30-XPS30樣品，將PU30與XPS30依據(jù)公式(4)計(jì)算整體導(dǎo)熱系數(shù)、以及直接測(cè)試整體導(dǎo)熱系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

從測(cè)試結(jié)果看，兩種測(cè)試方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于2%，且相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值較為接近，說(shuō)明兩種方法均具有較好的重復(fù)性。

(6)

表2 兩種方法測(cè)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(yàn)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(cè)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(cè)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(jìn)行測(cè)試，按公式(4)計(jì)算出1#試樣的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)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(duì)薄層試樣進(jìn)行測(cè)試。

表3 不同類型1#試樣導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)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(yàn)結(jié)果可知：串聯(lián)模型熱流計(jì)法可以用于測(cè)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(jì)法直接測(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)值和串聯(lián)模型法計(jì)算值偏差在3%以內(nèi)。兩層疊加的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算值偏差小于三層疊加的計(jì)算值。串聯(lián)模型間接的測(cè)試方法重現(xiàn)性較好，與直接測(cè)試的結(jié)果具有較好的可比性。對(duì)多層保溫材料，可以通過(guò)測(cè)試總體材料及各層材料的厚度，利用熱流計(jì)法測(cè)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(guò)串聯(lián)模型公式可計(jì)算出未知材料的導(dǎo)熱系數(shù)。