聚丙烯蜂窩板的研究現狀

(青島理工大學 山東 青島 266033)

聚丙烯蜂窩板的研究現狀

孫明明王滕

(青島理工大學山東青島266033)

在建筑中，習慣上將用于控制室內熱量外流的建筑材料成為保溫材料，防止室外熱量進入室內的材料叫做隔熱材料，保溫隔熱材料統稱為絕熱材料。在建筑中絕熱材料主要用于墻體和屋頂的保溫絕熱，熱工設備熱力設備的保溫以及冬季施工的保溫，在冷藏室以及冷藏設備上也大量使用。由于熱量總是由高溫向著低溫傳遞，在冬季如果要保持室溫，就必然要向室內源源不斷的補充熱量以補充向外界散熱的熱損耗，如使用空調電暖器以及散熱器等設備供暖。良好的保溫材料對整個建筑的節能具有積極的影響，譬如北京的一棟六層住宅樓，使用礦棉復合保溫板相比傳統的磚墻能夠將熱損失降低40%左右，能量消耗降低25%到30%。良好的保溫材料可提高圍護結構的絕熱性能，保持室內溫度的穩定性。探究保溫材料的構造如何影響其傳熱性能，影響保溫材料的保溫性能因素有哪些，對保溫材料的優化設計有著重大的意義。

常用的保溫絕熱材料按其成分可分為有機、無機、和金屬材料三類，按形狀可分為纖維狀、多孔狀、粒狀、層狀等多種類型。有機絕熱材料，多以天然的植物材料或合成的高分子材料為原料加工而成。與無機絕熱材料相比，保溫性能好成本低。常見的有機絕熱材料有泡沫塑料、植物纖維類絕熱板、玻璃棉制品鋁箔復合材料等。植物纖維類絕熱板是以植物纖維為主要成分的板材，常用于絕熱材料的各種軟質纖維板，如軟木版、木絲板、軟質纖維板、蜂窩板等。近年來，隨著合成高分子材料的技術日益成熟，高分子材料逐漸取代了傳統的建筑材料。合成高分子材料是以人工的高分子化合物為基礎制作而成，按性能和用途可分為塑料、橡膠化學、纖維三大類。合成高分子材料有然材料無可比擬的優越性能，其原料來源豐富、造價低廉、制備工藝簡單，因此發展速度較為迅速，已經廣泛應用于建筑領域，一般稱為高分子建材。高分子建材與人民生活、工業生產、醫療衛生、尖端科學都有著密切的聯系。在建筑上，高分子材料不僅被應用于非結構性材料，如裝修防水、給排水、隔熱隔聲等，也被應用于結構材料，如聚合混凝土。塑料是最常見的高分子材料，常用的塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。塑料的密度小，強度高，易于加工，耐腐蝕，生產能耗小，同時保溫絕熱性能良好，其導熱系數一般為金屬的1/500至1/600，是理想的保溫材料。充分利用高分子材料的優越性能，與傳統材料取長補短，制造出更多的特殊高級性能的復合建筑材料，是中國建筑材料行業的大趨勢。

一、聚丙烯蜂窩板簡介

在上述背景之下，各種新型的節能保溫材料被陸續開發出來。蜂窩板由于其良好的性能正在受到各個領域越來越多的重視。

蜂窩板是由兩塊較薄的面板，牢固地粘結在一層蜂窩芯材兩面而制成的板材，亦稱蜂窩夾層結構。蜂窩板是一項重要的仿生材料，其蜂窩芯材的制作原型為大自然蜂類的蜂窩。蜜蜂是大自然中的建筑師，其蜂巢由無數個六邊形棱柱構成，每個小的蜂窩大小體積近似相等，均為0.25。由于蜂窩芯材的結構與組織細胞結構類似，因此在國外相關文獻中，蜂窩芯材的單個結構單元被稱為“體胞”，蜂窩板的面板被成為“蒙皮”。構成蜂窩板的蒙皮以及芯材的材料有著非常多樣化的選擇，譬如塑料、鋁板、石膏板、天然大理石材，均可做成蜂窩板。

以蜂窩結構作為芯材的蜂窩板具有質量輕、強度高、隔熱、隔音等優點，蜂窩板面板可多樣化如塑料、鋁板、石膏板、天然大理石材，均可做成蜂窩板，材料選擇方便，因此被廣泛用于建筑交通等領域。

1945年試制成最早的蜂窩夾層結構。蜂窩結構比其他夾層結構具有更高的強度和剛度,與鉚接結構相比,結構效率可提高15%～30%。夾層的蜂窩孔格大小、高矮及其構成格子的薄片厚度等決定表板局部屈曲、孔格壁板屈曲的臨界應力及夾層結構的保溫性能。這些尺寸的選擇，一般要保證能夠承受一定的屈曲載荷的前途下具有一定的保溫性能。

蜂窩板的優良性能，主要得益于其獨特的蜂窩芯材結構。蜂窩芯材的種類多種多樣，常見的有正六邊形蜂窩、米字型蜂窩、三角形蜂窩、方形蜂窩、圓形蜂窩等。不同結構的蜂窩具有不同的性能，因此蜂窩結構的應用范圍及其廣泛。

聚丙烯蜂窩板是一種以高分子復合材料聚丙烯為原料，添加了阻燃劑透光劑等添加劑后制成的板材。聚丙烯蜂窩板除了具有一般蜂窩板隔熱隔音、質量輕、強度高等優點外，還具備了高透光性能，因此被廣泛應用于建筑中需要兼顧保暖采光的地點，如溫室大棚的吊頂以及外壁，花卉溫室的頂棚以及游泳池天幕。

聚丙烯的密度遠遠小于金屬材質，因此使用高分子材料聚丙烯制成的蜂窩板相對于普通的蜂窩板材質更輕，因此特別適用于在保溫的同時需要嚴格控制質量的領域，如冷藏車車庫的外壁夾層等。

二、蜂窩板的國內外研究現狀

由于蜂窩板優良的性能，國外相關領域對蜂窩板的研究與開發從未間斷。早在20世紀五十年代，國外就開始了對蜂窩板性能的研究。Swann和pittman建立了蜂窩芯材內部的導熱模型，通過該模型對蜂窩體胞進行了傳熱分析，推導出了蜂窩板導熱系數的半經驗計算公式，被后來的研究者廣泛用于蜂窩板的等效導熱系數計算。由于蜂窩板同時存在導熱，對流，輻射三種傳熱方式，傳熱過程較為復雜，使用swan和pittman的半經驗公式計算蜂窩板的導熱系數存在較大誤差。HYUN和hollands等研究了體胞內空氣對流傳熱對蜂窩板傳熱系數的影響，YI使用高斯積分法對蜂窩芯材體胞的輻射傳熱進行了研究。隨著蜂窩板的研究日益成熟，一批新型材料相繼出現并且逐步應用到各個領域之中。

由于制造成本昂貴，早期國外的蜂窩板主要應用于航空領域中。蜂窩結構較常規材料輕便強度大，主要被用于制作飛機及太空站的各種壁板、翼面、艙面、艙蓋、地板、發動機護罩、尾噴管、消音板、衛星星體外殼、剛性太陽電池翼、拋物面天線、火箭推進劑貯箱箱底等。美國波新公司生產的播音7471飛機，其機體大量應用了蜂窩板以減輕其自重，增加續航能力。

隨著蜂窩研究的進一步成熟，蜂窩板的保溫性能越來越受到重視。相比傳統的保溫材料，蜂窩板獨特的空腔結構使得其內部可以填充空氣或者氮氣等惰性氣體，成本較低，保溫效果好，同時蜂窩板的蜂窩狀結構又使其具有較大的強度，因此被逐漸用于建筑等各個行業之中。

對國內而言，蜂窩板最早被應用于制造火車和列車，如早期的25A型客車包間間隔就采用了特制的鋁蜂窩板。隨著火車和高鐵的提速需求日益強烈，蜂窩板越來越多的被用于其門板和包廂壁的制造。汽車業以及船舶業也大量應用了蜂窩板作為制造材料，如汽車座椅、天窗、冷藏車壁板、輪船外殼等。

近年來聚丙烯蜂窩板越來越多的被應用于建筑領域。聚丙烯蜂窩板不僅具有一般蜂窩板輕便保溫隔聲的特點，同時還具有一般蜂窩板不具備的優良透光性能，非常適用于建筑中需要保溫和透光的地方，如門窗大型建筑的吊頂等。由于蜂窩板內具有復雜的腔壁結構，如果改變光線的入射角度，使其與蒙皮產生一定的入射角，同時在蜂窩板底部加裝吸熱板，光線將在蜂窩板內進行多次反射和折射并且被蜂窩板吸收。因此這種特質的蜂窩板又可以作為一種蓄能材料，可以用于太陽能集熱器，太陽能發電等。

孫明明(1992-)，男，漢，河北唐山,在讀碩士，青島理工大學，研究方向傳熱保溫。