擠塑板表面結構對導熱系數的影響

李玲利，黃愛軍，張 巖，蔣建強

(國檢集團，中國建材檢驗認證集團股份有限公司，國家建筑材料測試中心，北京 100024)

0 前言

XPS是以聚苯乙烯樹脂或其共聚物為主要成分，添加少量添加劑，通過加熱擠塑成型而制得的具有閉孔結構的硬質泡沫塑料[1]。XPS的閉孔蜂窩狀結構決定了其在吸水率、導熱系數以及水蒸氣滲透系數等方面均低于傳統保溫材料，因此XPS具有高抗壓、輕質、不透氣、耐腐蝕等優點。根據近30年來能源界的研究，目前普遍認為建筑節能是各種節能途徑中潛力最大、最為直接有效的方式，是緩解能源緊張、解決經濟發展與能源供應不足的矛盾的最有效措施之一[2]。而在工程建設中，擠塑板憑借著優良的絕熱性能，成為最為常用的保溫材料。而保溫材料的導熱系數是反映其絕熱性能最重要的物理量，它不僅是評價材料熱力學性能的指標，也是材料在節能工程應用時的一個重要設計依據。因此，擠塑板的導熱系數在節能工程中具有極其重要的作用。

(a)帶表皮的平面板 (b)帶表皮的開槽板 (c)帶表皮的開槽石墨擠塑板 (d)不帶表皮的毛面板圖1 3種類型的擠塑板Fig.1 Three types of boards

然而，近些年來保溫板脫落事故頻發，為了提高擠塑板與基層墻體的黏結強度，表面開槽的擠塑板和不帶表皮的毛面板應運而生。所以從表面結構來區分，如圖1所示，目前市場上主要有3種擠塑板，帶表皮的平面板、帶表皮的開槽板、不帶表皮的毛面板。本文探究了這些表面處理是否會對擠塑板原有的導熱系數產生影響，并會產生何種影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

XPS擠塑板，1 200 mm×600 mm×100 mm，2塊帶表皮的平面擠塑板(樣品編號為1#和2#)、2塊帶表皮的開槽擠塑板(樣品編號為3#和4#)、1塊帶表皮的開槽石墨擠塑板(樣品編號為5#)；樣品選自國內3個大型擠塑板生產廠家的成熟產品，品質優越，性能穩定，市場占有率較高，具有典型的代表性；其中1#和3#樣品為來自廠家A的同密度產品，2#和4#樣品為來自廠家B的同密度產品，5#樣品來自廠家C；5塊樣品均已經過90 d以上的陳化。

1.2 主要設備及儀器

熱流計法導熱系數測定儀，HFM 436，量程為0.005～0.50 W/(m·K)，精度為3 %，德國耐馳儀器制造有限公司。

1.3 樣品制備

分別從5塊整板上各制取3塊導熱系數試驗樣品，長寬均為(300±2) mm，1塊為原厚兩面帶皮樣品[厚度為(100±1) mm]，1塊為單面帶皮樣品[厚度為(80±1) mm]，1塊為兩面去皮，即無表皮樣品[厚度為(50±1) mm]。

1.4 性能測試與結構表征

導熱系數測試：按照GB/T 10295—2008將已完成狀態調節的樣品在標準試驗環境下進行測試，每塊樣品測試3次，最終導熱系數的試驗數據取其3次測試結果的平均值；導熱系數測定儀設定平均溫度為(25±1) ℃，試驗溫差為(20±1) ℃；樣品性能見表1。

表1 樣品性能

2 結果與討論

5塊樣品未進行表面去除前其導熱系數均符合GB/T 10801.2—2018中030級擠塑板的指標要求[≤0.030 W/(m·K)[3]]。同廠家同密度有無開槽的XPS相比，導熱系數損失率見表2。由表2可知，表面開槽后2家樣品的導熱系數均有損失，但損失率均未超過3 %，而且二者相差不大。

5組樣品去除單面表皮和去除兩面表皮后的導熱系數損失率見表3和圖2。由圖2可見，無論是哪家產品，無論是普通帶表皮擠塑板，帶表皮開槽板還是石墨擠塑板， 原始樣品的導熱系數均為每組中的最小值。 去除單面表皮后導熱系數損失率均不到5 %；而去除兩面表皮后樣品的導熱系數均為每組的最大值，且導熱系數損失率為8 %～12 %。

表2 表面開槽的導熱系數損失率

表3 表皮去除的導熱系數損失率

□ —去除單面表面 ■ —去除雙面表面圖2 表皮去除后的導熱系數損失率Fig.2 Loss rate of thermal conductivity by scarfskin removal

換言之，表面開槽對XPS導熱系數的影響較小，單面去除表皮次之，而兩面去除表皮會明顯降低XPS的導熱系數。

從導熱系數的構成角度來說，XPS泡沫塑料的導熱系數主要構成因素有4個，分別是泡孔壁的導熱系數(λs)、氣泡內氣體(主要指發泡劑)的導熱系數(λg)、泡孔壁和氣泡的輻射導熱系數(λr)以及氣泡內氣體的對流導熱系數(λc)。因此，泡沫塑料的導熱系數應當是以上4種導熱系數的加和[4]。即λ=λs+λg+λr+λc。

每一種導熱系數都受自身性能的影響，λs受XPS泡沫塑料密度和泡孔壁厚度的影響；λg受發泡劑種類和含量的影響；λr受泡孔結構和泡孔壁厚度的影響；由于XPS的泡孔直徑很小，因此λc的大小可以忽略不計。其中，λg對XPS的導熱系數貢獻最大，約為60 %。而影響λg的主要是泡內氣體的種類、含量以及各種氣體的導熱系數[4]。XPS在生產過程中，發泡劑膨脹充滿泡孔，如果發泡劑在聚苯乙烯(PS)中的擴散系數很大的話，那么發泡劑會逐漸向氣泡外部擴散；相反，如果發泡劑在PS中的擴散系數很小，就會貯存在氣泡內部。同上空氣也會向XPS內部擴散，那么氣泡內的氣體通常為空氣和發泡劑的混合氣體。由于λg對XPS的導熱系數的貢獻最大，所以生產企業在生產過程中選用一種導熱系數低，同時能夠在氣泡內貯存較長時間的發泡劑變得尤為重要。

擠塑板表皮是生產過程中，特定溫度和特定壓力條件下形成的均勻致密的表皮層，能有效提高XPS的閉孔率，保證氣泡內能夠貯存較長時間的發泡劑，降低發泡劑在PS中的擴散系數，同時極大地減小了外部空氣向XPS內部擴散的速度，所以帶表皮的XPS具有最低的導熱系數。而在XPS開槽和去除表皮的過程中擠塑板表面緊密的閉孔結構被破壞，發泡劑向氣泡外擴散，外部空氣迅速向XPS內部擴散，導致λg明顯升高。另外表層的泡孔壁厚度和氣泡內氣體發生變化，引起λs和λr不同程度的升高，導致XPS板的導熱系數增大。對于表面開槽的擠塑板來說，其開槽面積遠小于帶表皮的面積，所以開槽的擠塑板的導熱系數損失率較小。表皮損失越多，導熱系數損失也就越大。所以雙面去除表皮后導熱系數明顯降低。

3 結論

(1)XPS開槽對導熱系數影響較小，導熱系數損失率在3 %以內，XPS去除單面表皮后，導熱系數損失率在5 %以內，XPS去除兩面表皮后，導熱系數損失率為8 %～12 %；

(2)表面開槽對XPS的導熱系數影響較小，單面去除表皮次之，而雙面去除表皮會明顯降低XPS的導熱系數。