无机绝热材料导热系数影响因素的研究

2013-02-01张玉辉穆秀君隋承李贵强

中国建材科技 2013年4期

张玉辉穆秀君隋承鑫彭超李贵强

（中国建筑材料科学研究总院中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024）

随着建筑行业对建筑能耗的要求越来越高，建筑节能对于节约能源消耗具有重要的意义，越来越得到重视。建筑节能就是在满足居住舒适性要求的前提下，在建筑中使用保温隔热的新型墙体材料和高能效比的采暖空调设备，达到节约能源、减少能耗、提高能源利用率的目的。在建筑材料中使用保温隔热材料是降低建筑能耗非常有效的措施。采用保温隔热材料降低建筑能耗在国外已经得到广泛的应用，我国对保温隔热材料的研究和使用也取得了显著的成效[1]。

保温隔热材料的品种繁多。按材质可分为无机绝热材料、有机绝热材料和金属绝热材料三大类。其中，无机绝热材料主要为岩（矿）棉及其制品、玻璃棉及其制品、膨胀珍珠岩及其制品、膨胀蛭石及其制品、加气混凝土、泡沫玻璃及其制品等。有机绝热材料包括聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、酚醛树脂泡沫、聚氯乙烯泡沫塑料及其制品等。金属绝热材料主要有铝箔、锡箔等。

导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度，在1秒内，通过1平方米面积传递的热量。保温隔热材料绝热性能最重要的指标就是材料的导热系数，导热系数越小，材料的热传导越难，其保温效果将会更好。一般来说，保温材料的共同特点是：质轻、疏松，成多孔状或纤维状，以其内部不流动的空气来阻隔热的传导。然而材料的导热系数取决于材料的成分、密度、内部结构、孔隙率和含水率的影响，同时也会随着温度、湿度的变化而改变，这都会影响其保温隔热效果[2~4]。

保温隔热材料多为含有一定水分的多孔介质结构，热工性能的变化具有一定的复杂性[5~9]。本文选取了几种不同的无机保温隔热材料，研究其在不同密度、温度和相对湿度条件下导热系数的变化，获得了保温隔热材料导热系数在不同密度、温度和相对湿度条件下的变化规律。

1 密度对无机绝热材料导热系数的影响

选用同一厂家采用相同工艺生产的不同密度的玻璃棉板和岩棉板。分别将玻璃棉板、岩棉板放在80℃烘箱中进行干燥，取出放在干燥器中冷却至室温。采用导热系数测定仪测量70℃时的导热系数。实验结果见表1。

表1 不同密度条件下无机绝热保温材料导热系数

从表1可以看出，玻璃棉板的导热系数随着密度的增大而逐渐减小，并且不同密度的玻璃棉板导热系数差别较大；密度从24kg/m3到56kg/m3的导热系数差别为0.0066 W/（m·K）。岩棉板的导热系数随着密度的增大也呈现减小的趋势。然而，不同密度的岩棉板导热系数差别不大；密度从60kg/m3到140kg/m3的导热系数差别为0.0025 W/（m·K）。

2 温度对无机绝热材料导热系数的影响

选择具有代表性的密度为48kg/m3玻璃棉板和100kg/m3岩棉板，研究不同温度条件下材料导热系数的变化。将玻璃棉板和岩棉板放在80℃烘箱中进行干燥，取出放在干燥器中冷却至室温。用导热系数测定仪测量10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃温度条件下的导热系数，实验结果见表2。

从表2可以看出，玻璃棉板和岩棉板的导热系数都随测试温度的升高而增大。这可能是由于温度的升高导致材料固体分子热运动增强，进而影响材料的导热系数，材料孔隙中的空气的导热和孔壁间的辐射作用也逐渐增强，导致了材料导热系数增大。

表2 不同温度条件下无机绝热保温材料导热系数

对玻璃棉板和岩棉板的导热系数随温度变化进行线性拟合，如图2所示。拟合得到48kg/m3玻璃棉板的导热系数随温度变化的斜率为1.40×10-4。拟合得到100kg/m3岩棉板导热系数随温度变化的斜率为1.31×10-4，这与其他文献的结果相吻合。

3 相对湿度对无机绝热材料导热系数的影响

选择密度为48kg/m3的玻璃棉板和100kg/m3的岩棉板，研究不同相对湿度条件对材料导热系数的影响。将玻璃棉板和岩棉板分别放在22℃，不同相对湿度条件下的恒温恒湿箱中进行状态调节，用导热系数测定仪测量材料25℃、70℃的导热系数，实验结果见表3。

图1 不同温度条件下无机绝热保温材料导热系数

表3 不同相对湿度条件下无机绝热保温材料导热系数

从表3可以看出，随着相对湿度的逐渐增大，玻璃棉板和岩棉板的导热系数都在逐渐增大。玻璃棉和岩棉都属于吸湿性材料，随着相对湿度的增大，材料的孔隙中含有的水蒸气和液态水等水分逐渐增多，由于水的导热系数约为0.581 W/（m·K），远大于空气的导热系数。因此，当材料受潮吸湿后的导热系数增大，降低其保温隔热效果。