寒冷气候区多场耦合条件下屋面保温材料热工性能的演变

2020-08-28王中平佘安明

建筑材料学报 2020年4期

王中平, 相瑞, 孙杰, 佘安明

(同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室, 上海 201804)

截至2016年,中国建筑能源消费总量为8.99亿t标准煤,占全国能源消费总量的20.6%[1].建筑能源消费中绝大部分是采暖和空调能耗,因此采用保温材料对建筑物进行隔热保温,对于节能降耗、提升建筑舒适度具有重要作用.

保温材料是一种可以减缓由传导、对流、辐射所产生热流速率的材料[2],其导热系数通常小于 0.14W/(m·K).硬质聚氨酯泡沫塑料(RPUF)是以聚氨酯为原料的泡沫塑料,具有密度小、强度高、导热系数小等特点,在建筑等领域得到广泛应用[3].真空绝热板(VIP)是基于真空绝热原理,通过最大限度提高板内真空度并充填芯材而制成的一种新型、高效保温隔热材料[4].硬质聚氨酯泡沫塑料和真空绝热板的寿命长达数十a,但是它们在使用过程中会受到温度、湿度、氧化和光照等多种因素影响而发生老化,导致其保温性能下降,从而影响材料使用的可靠性[5].因此,研究硬质聚氨酯泡沫塑料和真空绝热板在多因素耦合作用下热工性能的变化具有重要意义.

近年来,有学者对聚氨酯和真空绝热板的热工性能演化进行了研究.如邹德荣等[6]研究了热处理时间对聚氨酯弹性体拉伸强度及热工性能的影响.Chapman等[7]研究了聚氨酯弹性体在热氧和湿热条件下的稳定性.Tian等[8]采用多种方法探究了湿热情况下聚氨酯的老化情况,发现随着湿度和老化时间的增加,聚氨酯链逐渐缩短,热工性能下降.Boubakri等[9-12]研究了湿热老化、紫外老化及热老化对热塑性聚氨酯材料热学性能以及物理机械性能的影响；还研究了时间、温度等老化因素对聚氨酯材料力学及热学性能的影响,发现老化温度与水的结合是影响聚氨酯降解的主要因素.上述学者对保温材料性能老化原因的研究大多是在单因素作用下进行的,并没有考虑因素之间的耦合作用,而且试验选取的温度或者湿度均为固定值,并不能反映材料的真实劣化进程,从而无法准确评价保温材料的性能及预测保温材料的寿命.

正常服役的保温材料,其性能的劣化是各种因素在长期、复杂条件下共同作用的结果.考虑到中国的地理分布,将其气候区分为夏热冬暖、夏热冬冷、寒冷和严寒4个典型气候区.典型气候区再进一步简化为温度场、湿度场及应力场等共同耦合作用.本课题组前期针对夏热冬暖和夏热冬冷2种典型气候区的硬质聚氨酯泡沫塑料和真空绝热板进行了多场耦合下的热工性能演变试验,研究发现这2种材料的保温性能均随多场耦合作用下循环次数的增加而降低,且夏热冬冷气候区冻融循环对硬质聚氨酯泡沫塑料绝热性能的破坏程度大于夏热冬暖地区下湿热老化的侵蚀程度[13].但是,目前对于寒冷和严寒这2种气候区下硬质聚氨酯泡沫塑料和真空绝热板的热工性能演变尚缺少系统研究.

鉴于此,本文研究了寒冷气候区下硬质聚氨酯泡沫塑料和真空绝热板热工性能的演变规律,在多场耦合作用下多次循环后测得2种保温材料的导热系数,并利用三维数字显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对其热工性能的变化机理进行了微观分析.

1 试验

1.1 试验材料

硬质聚氨酯泡沫塑料,上海华峰普恩聚氨酯有限公司产,导热系数为0.016～0.024W/(m·K),试样尺寸为300mm×300mm×30mm;真空绝热板,青岛科瑞新型环保材料集团有限公司产,导热系数为0.006～0.008W/(m·K),试样尺寸为300mm×300mm×30mm.

1.2 试验仪器

温湿度循环试验采用无锡中天工程技术有限公司产GDJS-500L型高低温交变湿热试验箱,内净尺寸为700mm×800mm×900mm(深×宽×高),温度为-40～150℃,相对湿度(RH)为30%～98%.

保温材料导热系数采用天津英贝尔科技发展有限公司产IMDRY300-Ⅱ型单平板导热系数测定仪测定,导热系数测量范围为(0.001～2.000)W/(m·K),温度控制精度为0.05℃,可测试件尺寸为300mm×300mm×(5～40)mm.

微观表征采用三维数字显微镜和SEM.三维数字显微镜采用上海浩视有限公司产RH-2000,分辨率(微步)为0.04μm,工作范围(行程)为X=40mm,Y=40mm,最大移动速度为8mm/s,采用140倍数进行聚氨酯表面孔结构的观察分析;SEM采用美国FEI公司产QUANTA 200FEG-ESEM,加速电压设定为20kV,采用低真空模式.

1.3 试验过程

根据GB50176—2016《民用建筑热工设计规范》可知,中国寒冷地区最低月平均气温为-10～0℃,最高月平均温度为28℃.参照GB/T 12000—2017《塑料暴露于湿热、水喷雾和盐雾中影响的测定》和GB/T 2423.34—2012《环境试验第2部分：试验方法试验ZAD：温度湿度组合循环试验》,将典型气候区简化为温度、湿度和应力场.其中寒冷地区全年温度分布为-10～30℃,RH为60%～70%,应力为0～0.5kPa.

对保温材料进行人工加速老化试验,以6h为1个周期,起始状态设为20℃、RH=60%.人工模拟寒冷地区加速老化步骤如下：自起始状态后1h内升温至30℃、RH=70%；在30℃、RH=(70±5)%下保温2h；而后在1h内降温至-10℃、RH=60%；最后在-10℃、RH=60%下保温2h.

按标准整屋系统中保温隔热层承受的荷载值(0.5kN/m2)和试样尺寸,计算得到屋面保温隔热层所经受的压力值为15N,在此基础之上将每种保温材料分为0.5、0kN/m2这2类附加应力.每5次循环测试1次保温材料的导热系数,每组测3个试样,取其平均值,共测试50次循环.

2 结果分析与讨论

2.1 多场耦合作用对硬质聚氨酯泡沫塑料热工性能的影响

多场耦合作用下硬质聚氨酯泡沫塑料导热系数随循环次数的变化如图1所示.由图1可见：在寒冷气候区有附加压力和无附加压力2种条件下,硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数变化趋势基本相同,即导热系数总体上随循环次数增加而增加,仅在30次循环附近有个短暂的减小,而后继续增大;当循环次数相同时,有附加应力条件下硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数大于无附加应力条件下的导热系数,以第25、50次循环为例,附加应力条件下硬质聚氨酯泡沫塑料导热系数相比初始状态分别增加了5.02%和8.86%,而无附加应力条件下分别增加了3.24%和8.60%.这表明在多场耦合作用下,附加应力的存在对硬质聚氨酯泡沫塑料导热系数有不利影响,硬质聚氨酯泡沫塑料更易老化,保温性能有所下降.

图1 多场耦合作用下硬质聚氨酯泡沫塑料导热系数随循环次数的变化Fig.1 Variation of thermal conductivity of RPUF with number of cycle under multi-field coupling

硬质聚氨酯泡沫塑料之所以具有良好的保温隔热性能,原因在于其内部存在由环戊烷(C5)、氢氯氟烃(HCFC)及氢氟烃(HFC)等发泡剂发泡形成的闭孔,泡孔内充斥着比空气导热系数小得多的发泡剂气体,因而具有较低的热导率.一般可将硬质聚氨酯泡沫塑料的导热系数视为泡孔内气体导热系数与泡沫塑料基材导热系数的简单加和(辐射传热系数和对流传热系数可忽略).硬质聚氨酯泡沫塑料在服役过程中存在泡孔内外气体的交换[14],进而影响保温材料的导热系数.温度和湿度变化会引起硬质聚氨酯泡沫塑料保温材料氨基甲酸酯基水解,导致材料老化[5],从而引起泡孔结构破坏,导致硬质聚氨酯泡沫塑料保温性能下降.

图2为硬质聚氨酯泡沫塑料在不同条件下的表面与横截面的三维数字显微镜照片,其中白框区域为硬质聚氨酯泡沫塑料闭口气孔破裂区域.由图2可见：(1)硬质聚氨酯泡沫塑料初始表面状态存在大量以闭口气孔为主的连续泡孔结构,泡孔中充斥着发泡剂气体,泡孔排列规整、孔壁完整、孔膜较为饱满(图2(a)),具有良好的保温性能.(2)在多场耦合作用下硬质聚氨酯泡沫塑料表面的泡孔结构形貌发生了明显变化,随着循环次数的增加,原来大量规则排列的泡孔变成了部分不连续且不规则排列[15]的泡孔，其结构遭到破坏,出现空洞及倒塌型泡孔(图2(c)白框区域),泡孔内导热系数远低于空气的发泡剂气体大量逸出[16],同时空气也进入破裂的泡孔中,导致硬质聚氨酯泡沫塑料导热系数增大,保温性能下降;在附加应力作用下,泡孔结构破坏程度更为严重(图2(e)白框区域),其导热系数增大程度和保温性能下降程度更甚.(3)硬质聚氨酯泡沫塑料初始横截面泡孔排列规整,孔膜较为饱满(图2(b)),多场耦合作用下硬质聚氨酯泡沫塑料截面的泡孔结构形貌发生了明显变化,泡孔结构遭到破坏,硬质聚氨酯泡沫塑料的横截面泡孔结构受多场耦合作用而破裂(图2(d)白框区域),发泡剂气体大量逸出,导致保温性能下降;有附加应力条件下，硬质聚氨酯泡沫塑料的横截面泡孔结构破坏程度更为严重(图2(f)白框区域),其导热系数增大程度更大.

图3为硬质聚氨酯泡沫塑料表面初始状态及多场耦合作用下循环50次后的SEM照片.由图3可以看出：初始状态下硬质聚氨酯泡沫塑料泡孔排列规整、孔壁完整(图3(a));多场耦合作用下50次循环之后,硬质聚氨酯泡沫塑料中大量排列规整且孔壁完整的泡孔的孔壁大量破裂,发泡剂气体大量逸出(图3(b)),导致聚氨酯导热系数增大、保温性能下降.

图2 硬质聚氨酯泡沫塑料三维数字显微镜照片Fig.2 Three-dimensional digital microscope photos of rigid polyurethane foam

图像分析软件Image-Pro Plus(IPP)可通过图像的表面信息来判断拍摄物的属性、形态和类别,对不同图形进行区域划分后,测量各区域的参数、面积、平均半径、周长和光密度等信息,从而对该物质进行具体研究.通过IPP软件分析能够更好地说明硬质聚氨酯泡沫塑料保温性能的变化.硬质聚氨酯泡沫塑料的泡孔大小可以近似用在二维图像上的面积表示,其泡孔结构主要是闭口气孔,初始状态时聚氨酯表面几乎都是闭口气孔,气孔破裂为开口气孔的数量很少,严格来说，开口气孔应当算作空隙,将开口气孔区域面积与气孔总面积的比值作为硬质聚氨酯泡沫塑料的空隙率.

通过IPP软件测量的硬质聚氨酯泡沫塑料的空隙率见图4.由图4可见,初始状态表面泡孔仅有2.3%为开口气孔,25次循环之后，无附加应力条件下空隙率为7.1%,有附加应力条件下空隙率为7.4%.这表明在多场耦合作用下排列规整的泡孔结构遭到破坏,泡孔由大量规则排列变成了部分不连续且不规则排列[15],出现空洞及倒塌型泡孔,造成泡孔里面的发泡剂气体大量逸出,保温性能下降.

图3 硬质聚氨酯泡沫塑料表面的SEM照片Fig.3 SEM photos of surface of rigid polyurethane foam

图4 基于IPP软件分析的硬质聚氨酯泡沫塑料的空隙率变化Fig.4 Voidage change of rigid polyurethane foam based on IPP software analysis

由此可见,在寒冷气候区多场耦合作用下,温度、湿度和应力的综合作用会导致硬质聚氨酯泡沫塑料老化,从而引起泡孔结构破坏,保温性能下降,因此实际使用时须对硬质聚氨酯泡沫塑料进行必要的保护措施,避免直接暴露在服役环境下.

2.2 多场耦合作用对真空绝热板热工性能的影响

多场耦合作用下真空绝热板导热系数随循环次数变化如图5所示.由图5可见：寒冷气候区下有附加压力和无附加压力条件下真空绝热板导热系数变化趋势基本相同,其导热系数均随着循环次数的增加而增大;循环次数相同时,有附加应力条件下真空绝热板的导热系数略大于无附加应力条件下的导热系数,以第25次和第50次循环为例,有附加应力条件下真空绝热板的导热系数相比初始状态分别增加了5.37%和6.56%,无附加应力条件下真空绝热板的导热系数相比初始状态分别增加了5.33%和6.50%.这表明多场耦合作用下,有附加应力条件下真空绝热板导热系数的变化比无附加应力条件下略微明显一些,真空绝热板更易老化而造成导热系数增大,保温性能下降.

图5 多场耦合作用下真空绝热板导热系数随循环次数的变化Fig.5 Variation of thermal conductivity of vacuum insulation panel with number of cycle under multi-field coupling

真空绝热板主要由芯材、阻气层和吸气剂构成,其保温性能主要与其真空度有关.阻隔膜是真空绝热板生产制造中最关键的部件,对真空绝热板的性能及长期稳定服役起着举足轻重的作用.真空绝热板依赖于其阻隔膜的阻气阻湿能力可以有效隔绝外界的大气、湿气透过阻隔膜进入真空内部,但是真空绝热板内部真空度并非恒定不变,而是在服役过程中随着时间推移,外界的气体通过隔气结构逐渐渗透到材料内部,使得材料的真空绝热性能衰减,导热系数值也随之增大.

真空绝热板的老化主要由气体的渗透和芯材对水分的吸收所致.假定这些外因对真空绝热板热阻的影响,在采用网络法计算时为并联形式,可将真空绝热板的导热系数表达为：

λ(t)=λini+λg(t)+λw(t)

(1)

式中：λ(t)为真空绝热板的逐时导热系数,W/(m·K);λini为真空绝热板的初始导热系数,W/(m·K);λg(t) 为因干空气渗透而引起的导热系数增加值,W/(m·K);λw(t)为因水蒸气渗透而引起的导热系数增加值,W/(m·K)[17].

多场耦合作用下,随着循环次数的增加,外界气体通过隔气结构逐渐渗透进材料内部,导致λg(t)与λw(t)变大,从而使真空绝热板导热系数增大;但是对真空绝热板的芯材来说,阻隔膜不破坏时,芯材的性质和结构是不会被多场作用而改变的.由图5可看出,虽然其导热系数逐渐增大,但因为阻隔膜未被破坏,所以多场耦合作用下真空绝热板导热系数的变化十分微小.