挤塑板表面结构对导热系数的影响

2019-12-03李玲利黄爱军蒋建强

中国塑料 2019年11期

李玲利，黄爱军，张岩，蒋建强

(国检集团，中国建材检验认证集团股份有限公司，国家建筑材料测试中心，北京 100024)

0 前言

XPS是以聚苯乙烯树脂或其共聚物为主要成分，添加少量添加剂，通过加热挤塑成型而制得的具有闭孔结构的硬质泡沫塑料[1]。XPS的闭孔蜂窝状结构决定了其在吸水率、导热系数以及水蒸气渗透系数等方面均低于传统保温材料，因此XPS具有高抗压、轻质、不透气、耐腐蚀等优点。根据近30年来能源界的研究，目前普遍认为建筑节能是各种节能途径中潜力最大、最为直接有效的方式，是缓解能源紧张、解决经济发展与能源供应不足的矛盾的最有效措施之一[2]。而在工程建设中，挤塑板凭借着优良的绝热性能，成为最为常用的保温材料。而保温材料的导热系数是反映其绝热性能最重要的物理量，它不仅是评价材料热力学性能的指标，也是材料在节能工程应用时的一个重要设计依据。因此，挤塑板的导热系数在节能工程中具有极其重要的作用。

(a)带表皮的平面板 (b)带表皮的开槽板 (c)带表皮的开槽石墨挤塑板 (d)不带表皮的毛面板图1 3种类型的挤塑板Fig.1 Three types of boards

然而，近些年来保温板脱落事故频发，为了提高挤塑板与基层墙体的黏结强度，表面开槽的挤塑板和不带表皮的毛面板应运而生。所以从表面结构来区分，如图1所示，目前市场上主要有3种挤塑板，带表皮的平面板、带表皮的开槽板、不带表皮的毛面板。本文探究了这些表面处理是否会对挤塑板原有的导热系数产生影响，并会产生何种影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

XPS挤塑板，1 200 mm×600 mm×100 mm，2块带表皮的平面挤塑板(样品编号为1#和2#)、2块带表皮的开槽挤塑板(样品编号为3#和4#)、1块带表皮的开槽石墨挤塑板(样品编号为5#)；样品选自国内3个大型挤塑板生产厂家的成熟产品，品质优越，性能稳定，市场占有率较高，具有典型的代表性；其中1#和3#样品为来自厂家A的同密度产品，2#和4#样品为来自厂家B的同密度产品，5#样品来自厂家C；5块样品均已经过90 d以上的陈化。

1.2 主要设备及仪器

热流计法导热系数测定仪，HFM 436，量程为0.005～0.50 W/(m·K)，精度为3 %，德国耐驰仪器制造有限公司。

1.3 样品制备

分别从5块整板上各制取3块导热系数试验样品，长宽均为(300±2) mm，1块为原厚两面带皮样品[厚度为(100±1) mm]，1块为单面带皮样品[厚度为(80±1) mm]，1块为两面去皮，即无表皮样品[厚度为(50±1) mm]。

1.4 性能测试与结构表征

导热系数测试：按照GB/T 10295—2008将已完成状态调节的样品在标准试验环境下进行测试，每块样品测试3次，最终导热系数的试验数据取其3次测试结果的平均值；导热系数测定仪设定平均温度为(25±1) ℃，试验温差为(20±1) ℃；样品性能见表1。

表1 样品性能

2 结果与讨论

5块样品未进行表面去除前其导热系数均符合GB/T 10801.2—2018中030级挤塑板的指标要求[≤0.030 W/(m·K)[3]]。同厂家同密度有无开槽的XPS相比，导热系数损失率见表2。由表2可知，表面开槽后2家样品的导热系数均有损失，但损失率均未超过3 %，而且二者相差不大。

5组样品去除单面表皮和去除两面表皮后的导热系数损失率见表3和图2。由图2可见，无论是哪家产品，无论是普通带表皮挤塑板，带表皮开槽板还是石墨挤塑板，原始样品的导热系数均为每组中的最小值。去除单面表皮后导热系数损失率均不到5 %；而去除两面表皮后样品的导热系数均为每组的最大值，且导热系数损失率为8 %～12 %。

表2 表面开槽的导热系数损失率

表3 表皮去除的导热系数损失率

□ —去除单面表面 ■ —去除双面表面图2 表皮去除后的导热系数损失率Fig.2 Loss rate of thermal conductivity by scarfskin removal

换言之，表面开槽对XPS导热系数的影响较小，单面去除表皮次之，而两面去除表皮会明显降低XPS的导热系数。

从导热系数的构成角度来说，XPS泡沫塑料的导热系数主要构成因素有4个，分别是泡孔壁的导热系数(λs)、气泡内气体(主要指发泡剂)的导热系数(λg)、泡孔壁和气泡的辐射导热系数(λr)以及气泡内气体的对流导热系数(λc)。因此，泡沫塑料的导热系数应当是以上4种导热系数的加和[4]。即λ=λs+λg+λr+λc。

每一种导热系数都受自身性能的影响，λs受XPS泡沫塑料密度和泡孔壁厚度的影响；λg受发泡剂种类和含量的影响；λr受泡孔结构和泡孔壁厚度的影响；由于XPS的泡孔直径很小，因此λc的大小可以忽略不计。其中，λg对XPS的导热系数贡献最大，约为60 %。而影响λg的主要是泡内气体的种类、含量以及各种气体的导热系数[4]。XPS在生产过程中，发泡剂膨胀充满泡孔，如果发泡剂在聚苯乙烯(PS)中的扩散系数很大的话，那么发泡剂会逐渐向气泡外部扩散；相反，如果发泡剂在PS中的扩散系数很小，就会贮存在气泡内部。同上空气也会向XPS内部扩散，那么气泡内的气体通常为空气和发泡剂的混合气体。由于λg对XPS的导热系数的贡献最大，所以生产企业在生产过程中选用一种导热系数低，同时能够在气泡内贮存较长时间的发泡剂变得尤为重要。

挤塑板表皮是生产过程中，特定温度和特定压力条件下形成的均匀致密的表皮层，能有效提高XPS的闭孔率，保证气泡内能够贮存较长时间的发泡剂，降低发泡剂在PS中的扩散系数，同时极大地减小了外部空气向XPS内部扩散的速度，所以带表皮的XPS具有最低的导热系数。而在XPS开槽和去除表皮的过程中挤塑板表面紧密的闭孔结构被破坏，发泡剂向气泡外扩散，外部空气迅速向XPS内部扩散，导致λg明显升高。另外表层的泡孔壁厚度和气泡内气体发生变化，引起λs和λr不同程度的升高，导致XPS板的导热系数增大。对于表面开槽的挤塑板来说，其开槽面积远小于带表皮的面积，所以开槽的挤塑板的导热系数损失率较小。表皮损失越多，导热系数损失也就越大。所以双面去除表皮后导热系数明显降低。