湿物性对竹原纤维建筑填充材热工性能的影响

黄祖坚， 孙一民， MUSSO Florian

(1.华南理工大学 建筑学院， 广东 广州 510640； 2.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室， 广东 广州 510640； 3.慕尼黑工业大学 建筑构造与材料教研所， 慕尼黑 80333)

对于竹原纤维(BF)的研究始于20世纪90年代，主要由某些东亚国家主持，且面向纺织业和复合材料应用[1].竹原纤维的化学组分包含纤维素、半纤维素、木质素果胶和脂蜡质等[2-3]，提取方法主要有机械制备和闪爆工艺[4-5].已有研究关注的是竹原纤维的结构特性和制备、作为服饰用品原料的热湿舒适性以及作为复合材料增强元素的力学性能等.田慧敏等[6]对竹原纤维表面形貌的研究表明，竹原纤维的表面及孔隙结构有利于其快速吸放湿分.万玉芹等[7]研究了竹原纤维吸放湿特征曲线并推算了吸放湿速率方程，表明竹原纤维吸放湿速度较快.赵春梅[8]研究表明竹原纤维是高吸湿纤维，在环境温度θ为20℃，环境相对湿度φ为65%时的回潮率为12%.López[9]研究表明竹材的纤维饱和点与其品种有关，大约在13%(Phyllostachys pubescens,毛竹)至20%(Dendrocalamus strictus,印度实竹)之间，小于木材.Liese[10]研究表明，竹材的纤维长度大约在1.04mm(Phyllostachys nigra，紫竹)至2.64mm(Bambusa vulgaris cv. Wamin，大佛肚竹)之间，大于硬木而小于软木.因为具有良好的力学特性，竹原纤维作为复合材料的力学增强元素在国内外得到了较多研究[11-12].为降低制备成本，有学者和企业研发了初级加工的竹原纤维，使其可适用于量大面广的建筑工业.姚文斌等[13-14]发明了一种麻形竹原纤维制法.魏书元[15]采用竹原纤维制成建筑保温材料并申请了专利.Grosser等[16-17]研究表明竹纤维基本上在纵向平行排布，仅在竹节处有少量径向纤维，与木材有很大区别.这一各向异性强烈、缺乏横向纤维拉结的特点，使得初级竹原纤维的提取耗能较小[18]，有利于大规模生产.

在建筑围护结构分层构造体系中，填充材作为必要的组成元素，承担了提高构造整体声学和热工性能的作用.植物纤维是填充材体系中的重要一支，具有可再生、可降解等优势[19-20].Boukhattem等[21-26]分别研究了稻秆、枣棕榈纤维、椰子纤维、香蕉纤维等作为保温材料的热工性质，发现这些植物纤维的导热系数为0.038～0.065W/(m·K)，其中木纤维的导热系数为0.038～0.050W/(m·K).

与无机材料相比，植物纤维填充材会与环境，尤其是湿物理环境发生相互作用.Boukhattem等[21-22]研究表明含水率对棕榈纤维、大麦秸秆、稻草、亚麻、麻纤维和木纤维的导热系数具有显著影响.植物纤维这一特性一方面有助于发挥其“呼吸性”[23]，对建筑构件及其围护的建筑空间起到热湿调节作用；另一方面由于自身含湿量的变化，可能对其热工性能产生不利影响.

植物纤维在欧美国家被广泛应用于低层民用建筑，相比之下中国在这一领域具有广阔的发展空间.充实的竹林资源和研究基础使得竹原纤维可以成为中国研发植物纤维填充材的一个优选对象.对竹原纤维的热湿物理性质进行系统、关联性的研究，是将其合理应用的基础.

1 材料与方法

1.1 测试对象

测试对象为初级竹原纤维(BF)，是通过碾压出纤工艺从毛竹(Phyllostachys pubescens，刚竹属，是中国主要的工业用竹种)茎部初步取得的韧皮纤维，可进一步加工为可纺竹原纤维和再生竹纤维.BF的单元长度为2.0～10.0cm.

1.2 测试方法

1.2.1平衡吸放湿试验

平衡吸放湿试验用于测试BF的等温吸放湿曲线，以获得表征其湿储存性质的平衡含水率u值.试验时，称取预定质量的干燥BF填充于玻璃皿中，获得填充密度ρ为110kg/m3的BF试件，1式6份，吸湿、放湿过程各用3份.主要试验装置有：真空干燥器9个，内径为30cm；温湿度记录仪TH10R-EX 1个及外置传感器9个，温湿度精度分别为±0.2℃和±2%；玻璃皿51个，内径为100mm，高度为20mm.

1.2.2干燥试验

干燥试验用于测试BF的干燥曲线，据此计算材料的干燥速率，并以干燥速率作为表征材料湿传递性质的吸放湿速率U值.试验时称取预定质量的干燥BF，填充于亚克力透明管容器中，获得填充密度ρ为110kg/m3的BF试件，1式3份.主要试验装置有：SHIMADZU UX6200H电子天平,精度0.01g；HWS-250B恒温恒湿箱，温湿度精度分别为±0.5℃ 和±5%；亚克力透明管容器12个，底面密封，预留5个直径5mm的气孔，容器内径100mm，高度h分别为40，60，80，100mm.

1.2.3导热系数测试

导热系数λ值用于表征材料的热传递性质.试验时称取预定质量的干燥BF，参考木纤维保温板的常用密度范围，将填充密度70～170kg/m3作为BF的测试范围，故将干燥BF填充于30cm×30cm的EPS模板中(模板厚度为28mm，在中部预留边长为20cm的正方形孔洞用于填充BF)，获得填充密度ρ分别为70，90，110，130，150，170kg/m3的BF试件，1式2份.主要试验装置有：CD-DR3030平板导热仪，热板θ=35℃，冷板θ=15℃，中心传热区域尺寸为15cm×15cm，精度±2%；HWS-250B恒温恒湿箱，温湿度精度分别为±0.5℃，±5%(养护过程中采用精度分别为±0.2℃，±2%的TH10R-EX温湿度记录仪对箱内温湿度环境进行实时监测).

采用国际标准ISO 8302—1991推荐的方法[26]，首先采用CD -DR3030平板导热仪对干燥试件进行导热系数测试，得出干燥材料导热系数λd.再将试件置入恒温恒湿箱中养护至设定的平衡含水状态，养护环境的相对湿度φ设置为40%，50%，60%，70%，80%，90%.2周后将试件取出称重，并测试对应含湿量的导热系数，完成测试后将试件放回恒温恒湿箱中，设置下一梯度湿度环境进行养护.重复以上操作，直至获得所有填充密度梯度和湿度梯度试件的λ值.

2 结果分析

20世纪中期，Luikov[27-28]提出用于描述多孔材料中热湿耦合迁移的高度耦合的非线性偏微分方程.1995年，Künzel[29]改进了Luikov模型，提出以相对湿度φ为湿传递驱动势，并研发出计算建筑围护结构内热湿耦合传递的数值模拟计算软件WUFI.材料的热湿物理性质通常用含湿量、密度、环境温度和相对湿度等因子进行关联性描述，有时1项性质对应有数十种拟合方程.本文的测试结果显示：BF的u，U和λ值与环境相对湿度φ值之间存在指数函数关系，可以采用Y=a·eb·φ+c的一般方程进行描述.

2.1 u -φ测试结果分析

BF的平衡吸放湿试验结果见表1.BF的等温吸放湿u-φ曲线近似属于第2类型，即反“S”型曲线.通常曲线前段采用BET方程，后段采用Kelvin方程加以描述.将表1中的平衡含水率u对相对湿度φ进行指数函数拟合，有u=0.0088e3.363 7φ(拟合度R2=0.9495,显著性Sig=0.000009).其中吸湿等温曲线为u=0.0039e4.282 7φ(R2=0.9584,Sig=0.000004)；放湿等温曲线为u=0.0145e2.836 3φ(R2=0.9274,Sig=0.000031).从所得的R2和Sig值可见，采用指数函数可以较好地描述BF的u-φ曲线.

BF吸湿量高，在φ=96.3%时其u值可以达到25.84%.在本测试范围内，φ=85.4%～96.3%对应

表1 真空干燥器内温湿度控制及平衡含水率测试结果

的曲线段斜率大幅高于φ=11.2%～85.4%对应的曲线段斜率.这一方面是因为前者更高的水蒸气分压的外在作用，另一方面是由于BF在φ=85.4%～96.3%曲线段中达到了纤维饱和点，进入自由水吸附阶段，从而使得其平衡含水率大幅增加.

材料的等温吸放湿曲线是一定的环境相对湿度及其所对应的平衡含水率的集合，由于材料达到其平衡含水率的过程不同，所得结果会有差异，通常放湿过程所得u值会不同程度地高于吸湿过程所得u值，这种情况称为滞后效应.滞后效应因材而异，Künzel[29]对4种常用矿物建筑材料进行测试的结果显示其滞后效应不明显，认为在此类材料中采用等温吸湿曲线对于实际工程而言已经足够准确.对于纤维类材料而言，干燥过程中纤维素分子的羟基会部分借助副价健直接相连而达到相互饱和，因而削弱了之后材料对水分的吸附能力，使其吸湿过程的u值偏小.本文中，在φ=11.2%～85.4%的范围内，等温吸湿和放湿过程有较为明显的滞后效应，放湿过程所得u值比吸湿过程高0.52%～3.50%.因此建议在BF平衡含水率取值时，采用吸湿过程和放湿过程所得u值的平均值.

2.2 U-φ测试结果分析

BF的吸放湿速率U值的测试结果见表2.将表2中的U值与材料平衡含水率对应的相对湿度φ值进行指数函数拟合，有U=2.7610×10-10e0.111 0φ(R2=0.9960,Sig=9.0054×10-10).考虑试件高度h的影响，有U=(1.009×10-10-1.396×10-10lnh)·e0.111 0φ(R2=0.9500,Sig=0.026).从所得的R2和Sig值可见，采用指数函数可以较好地描述BF的U-φ曲线.

BF的干燥曲线表现出前后两个阶段的特点.在测试范围内，φ=75%～95%阶段的U值大幅高于φ= 50%～75%阶段.前一阶段U值主要取决于环境温度和相对湿度，后一阶段U值主要取决于自身物性.4组不同高度试件的测试结果对比表明，在h= 40～100mm 时，U值受试件高度影响不明显.

表2 竹原纤维吸放湿速率U值

2.3 λ-φ测试结果分析

图1为BF导热系数测试结果.对图1中的测试结果进行Spearman相关性分析，所得λ-φ和λ-u的相关系数R分别为0.8688和0.8406，其双尾显著性分别为8.833×10-14和3.2946×10-12.2组数据相关性均在0.01层上显著(双尾)，其中λ-φ比λ-u相关性略强.在另一方面，BF的λ值与u值之间存在“S”型曲线关系，在试件从干燥状态直至平衡含水率较低的初始阶段，λ值增大速率随着平衡含水率的增加而增大；在平衡含水率达到一定值后，在本测试中为u=11.5%～13.0%时，λ值增大速率减缓.“S”型曲线较难采用单一函数进行描述，在WUFI等基于HAM建筑围护结构热湿耦合传递的计算模型中，通常采用线性方程结合含水量补偿系数b值进行近似估算[29].在本文中，采用线性函数对λ-u测试结果进行拟合，有λ=0.0421-0.016870u(R2=0.8976,Sig=0.004073)，而采用指数函数方程对λ-φ测试结果进行拟合，有λ=0.00457e4.397 4φ+0.043 7(R2=0.9955,Sig=0.000008)；从所得的R2和Sig值可见，至少在本文中以φ作为自变量的指数函数，可提高BF的导热系数与其湿物理性质关系的拟合度.

图1 竹原纤维导热系数Fig.1 Thermal conductivity of BF

不同填充密度BF干燥试件的导热系数为0.0423～0.0465W/(m·K)，与木纤维保温板性质相近.在填充密度ρ=70～170kg/m3范围内，λ值随ρ值增大而增大，且不同填充密度的BF试件之间的导热系数差异随着环境相对湿度的增大而增大，如在干燥条件下，ρ=170kg/m3试件和ρ=70kg/m3试件的λ值相差9.46%，而在φ=90%条件下，这2种试件的λ值相差达到20.88%，表明BF的导热系数受环境相对湿度的影响与自身填充密度存在正相关关系.

2.4 相关热工性能参数推算

选择填充密度为110kg/m3，高度为60mm的试件作为个案，设置3组对比计算对象，其中组1采用本测试所得BF的u-φ，U-φ和λ-φ函数，以1h为时间步长计算24h内的λ0，S0，D0值，作为计算参照；组2将组1中的U值减小一半，u值和λ值不变，以1h为时间步长计算24h内的λU，SU和DU值，计算结果用于评价吸放湿速率U值对试件热工性能的影响；组3将组1中u值提高2倍，U值和λ值不变，以1h为时间步长计算24h内的λemc，Semc和Demc值，计算结果用于评价平衡含水率u值对试件热工性能的影响.所得结果见图2.

计算结果显示，在相对湿度周期性变化的环境下，BF填充材的热工性能会随之波动，采用极值差Dev作为表征其波动幅度的指标，则本测试所得BF的导热系数λ0，蓄热系数S0和热惰性指标D0的Dev值分别为16.60%，12.12%和4.28%.

图2 24h周期的相对湿度φ，导热系数λ，蓄热系数S和热惰性指标D的计算结果Fig.2 φ in cycle of 24h and the calculation results of λ, S and D

当BF的吸放湿速率U值降为原来的1/2时，BF填充材的热工性能波动幅度大幅缩小，其中λU，SU和DU的Dev值分别降低至0.80%，0.59%和0.21%，且表征热传递性质的导热系数λ值得到明显改善，24h平均值由0.0536W/(m·K)降至0.0518W/(m·K).当BF的平衡含水率u值增至原来的2倍时，BF填充材的热工性能波动幅度也明显下降，其中λemc，Semc和Demc的Dev值分别降至8.18%，7.72%和1.12%，且同时表征热储存和热传递的蓄热系数S值和热惰性指标D值均得到了明显改善：S的24h平均值从1.8559W/(m2·K)提高到1.9255W/(m2·K)，D的平均值从2.1215提高到了2.2404.

3 结论

(1)采用指数函数Y=a·eb·φ+c，可以将u，U和λ值分别与环境相对湿度φ进行较好的拟合.

(2)在测试范围内，受环境相对湿度φ及自身特性影响，BF的等温吸放湿u-φ曲线在φ为85.4%～96.3%、吸放湿速率U-φ曲线在φ为75%～95%时快速增大.

(3)在填充密度ρ为70～170kg/m3范围内，干燥BF的λ值为0.0423～0.0465W/(m·K)，与木纤维保温板性质相近；潮湿BF的λ值随φ值增大而增大的速率与其自身填充密度呈现正相关关系.

(4)在相对湿度动态变化的环境中，λ值，S值和D值会相应波动，波幅与U值呈正相关关系，且S值和D值随u值的增大而增大，λ值随U值的减小及u值的增大而减小，表明增大u值和减小U值均有利于改善BF的热工性能.

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