寒冷氣候區多場耦合條件下屋面保溫材料熱工性能的演變

王中平, 相 瑞, 孫 杰, 佘安明

(同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室, 上海 201804)

截至2016年,中國建筑能源消費總量為8.99億t標準煤,占全國能源消費總量的20.6%[1].建筑能源消費中絕大部分是采暖和空調能耗,因此采用保溫材料對建筑物進行隔熱保溫,對于節能降耗、提升建筑舒適度具有重要作用.

保溫材料是一種可以減緩由傳導、對流、輻射所產生熱流速率的材料[2],其導熱系數通常小于 0.14W/(m·K).硬質聚氨酯泡沫塑料(RPUF)是以聚氨酯為原料的泡沫塑料,具有密度小、強度高、導熱系數小等特點,在建筑等領域得到廣泛應用[3].真空絕熱板(VIP)是基于真空絕熱原理,通過最大限度提高板內真空度并充填芯材而制成的一種新型、高效保溫隔熱材料[4].硬質聚氨酯泡沫塑料和真空絕熱板的壽命長達數十a,但是它們在使用過程中會受到溫度、濕度、氧化和光照等多種因素影響而發生老化,導致其保溫性能下降,從而影響材料使用的可靠性[5].因此,研究硬質聚氨酯泡沫塑料和真空絕熱板在多因素耦合作用下熱工性能的變化具有重要意義.

近年來,有學者對聚氨酯和真空絕熱板的熱工性能演化進行了研究.如鄒德榮等[6]研究了熱處理時間對聚氨酯彈性體拉伸強度及熱工性能的影響.Chapman等[7]研究了聚氨酯彈性體在熱氧和濕熱條件下的穩定性.Tian等[8]采用多種方法探究了濕熱情況下聚氨酯的老化情況,發現隨著濕度和老化時間的增加,聚氨酯鏈逐漸縮短,熱工性能下降.Boubakri等[9-12]研究了濕熱老化、紫外老化及熱老化對熱塑性聚氨酯材料熱學性能以及物理機械性能的影響；還研究了時間、溫度等老化因素對聚氨酯材料力學及熱學性能的影響,發現老化溫度與水的結合是影響聚氨酯降解的主要因素.上述學者對保溫材料性能老化原因的研究大多是在單因素作用下進行的,并沒有考慮因素之間的耦合作用,而且試驗選取的溫度或者濕度均為固定值,并不能反映材料的真實劣化進程,從而無法準確評價保溫材料的性能及預測保溫材料的壽命.

正常服役的保溫材料,其性能的劣化是各種因素在長期、復雜條件下共同作用的結果.考慮到中國的地理分布,將其氣候區分為夏熱冬暖、夏熱冬冷、寒冷和嚴寒4個典型氣候區.典型氣候區再進一步簡化為溫度場、濕度場及應力場等共同耦合作用.本課題組前期針對夏熱冬暖和夏熱冬冷2種典型氣候區的硬質聚氨酯泡沫塑料和真空絕熱板進行了多場耦合下的熱工性能演變試驗,研究發現這2種材料的保溫性能均隨多場耦合作用下循環次數的增加而降低,且夏熱冬冷氣候區凍融循環對硬質聚氨酯泡沫塑料絕熱性能的破壞程度大于夏熱冬暖地區下濕熱老化的侵蝕程度[13].但是,目前對于寒冷和嚴寒這2種氣候區下硬質聚氨酯泡沫塑料和真空絕熱板的熱工性能演變尚缺少系統研究.

鑒于此,本文研究了寒冷氣候區下硬質聚氨酯泡沫塑料和真空絕熱板熱工性能的演變規律,在多場耦合作用下多次循環后測得2種保溫材料的導熱系數,并利用三維數字顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)對其熱工性能的變化機理進行了微觀分析.

1 試驗

1.1 試驗材料

硬質聚氨酯泡沫塑料,上海華峰普恩聚氨酯有限公司產,導熱系數為0.016～0.024W/(m·K),試樣尺寸為300mm×300mm×30mm;真空絕熱板,青島科瑞新型環保材料集團有限公司產,導熱系數為0.006～0.008W/(m·K),試樣尺寸為300mm×300mm×30mm.

1.2 試驗儀器

溫濕度循環試驗采用無錫中天工程技術有限公司產GDJS-500L型高低溫交變濕熱試驗箱,內凈尺寸為700mm×800mm×900mm(深×寬×高),溫度為-40～150℃,相對濕度(RH)為30%～98%.

保溫材料導熱系數采用天津英貝爾科技發展有限公司產IMDRY300-Ⅱ型單平板導熱系數測定儀測定,導熱系數測量范圍為(0.001～2.000)W/(m·K),溫度控制精度為0.05℃,可測試件尺寸為300mm×300mm×(5～40)mm.

微觀表征采用三維數字顯微鏡和SEM.三維數字顯微鏡采用上海浩視有限公司產RH-2000,分辨率(微步)為0.04μm,工作范圍(行程)為X=40mm,Y=40mm,最大移動速度為8mm/s,采用140倍數進行聚氨酯表面孔結構的觀察分析;SEM采用美國FEI公司產QUANTA 200FEG-ESEM,加速電壓設定為20kV,采用低真空模式.

1.3 試驗過程

根據GB50176—2016《民用建筑熱工設計規范》可知,中國寒冷地區最低月平均氣溫為-10～0℃,最高月平均溫度為28℃.參照GB/T 12000—2017《塑料暴露于濕熱、水噴霧和鹽霧中影響的測定》和GB/T 2423.34—2012《環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗ZAD：溫度濕度組合循環試驗》,將典型氣候區簡化為溫度、濕度和應力場.其中寒冷地區全年溫度分布為-10～30℃,RH為60%～70%,應力為0～0.5kPa.

對保溫材料進行人工加速老化試驗,以6h為1個周期,起始狀態設為20℃、RH=60%.人工模擬寒冷地區加速老化步驟如下：自起始狀態后1h內升溫至30℃、RH=70%；在30℃、RH=(70±5)%下保溫2h；而后在1h內降溫至-10℃、RH=60%；最后在-10℃、RH=60%下保溫2h.

按標準整屋系統中保溫隔熱層承受的荷載值(0.5kN/m2)和試樣尺寸,計算得到屋面保溫隔熱層所經受的壓力值為15N,在此基礎之上將每種保溫材料分為0.5、0kN/m2這2類附加應力.每5次循環測試1次保溫材料的導熱系數,每組測3個試樣,取其平均值,共測試50次循環.

2 結果分析與討論

2.1 多場耦合作用對硬質聚氨酯泡沫塑料熱工性能的影響

多場耦合作用下硬質聚氨酯泡沫塑料導熱系數隨循環次數的變化如圖1所示.由圖1可見：在寒冷氣候區有附加壓力和無附加壓力2種條件下,硬質聚氨酯泡沫塑料的導熱系數變化趨勢基本相同,即導熱系數總體上隨循環次數增加而增加,僅在30次循環附近有個短暫的減小,而后繼續增大;當循環次數相同時,有附加應力條件下硬質聚氨酯泡沫塑料的導熱系數大于無附加應力條件下的導熱系數,以第25、50次循環為例,附加應力條件下硬質聚氨酯泡沫塑料導熱系數相比初始狀態分別增加了5.02%和8.86%,而無附加應力條件下分別增加了3.24%和8.60%.這表明在多場耦合作用下,附加應力的存在對硬質聚氨酯泡沫塑料導熱系數有不利影響,硬質聚氨酯泡沫塑料更易老化,保溫性能有所下降.

圖1 多場耦合作用下硬質聚氨酯泡沫塑料導熱系數隨循環次數的變化Fig.1 Variation of thermal conductivity of RPUF with number of cycle under multi-field coupling

硬質聚氨酯泡沫塑料之所以具有良好的保溫隔熱性能,原因在于其內部存在由環戊烷(C5)、氫氯氟烴(HCFC)及氫氟烴(HFC)等發泡劑發泡形成的閉孔,泡孔內充斥著比空氣導熱系數小得多的發泡劑氣體,因而具有較低的熱導率.一般可將硬質聚氨酯泡沫塑料的導熱系數視為泡孔內氣體導熱系數與泡沫塑料基材導熱系數的簡單加和(輻射傳熱系數和對流傳熱系數可忽略).硬質聚氨酯泡沫塑料在服役過程中存在泡孔內外氣體的交換[14],進而影響保溫材料的導熱系數.溫度和濕度變化會引起硬質聚氨酯泡沫塑料保溫材料氨基甲酸酯基水解,導致材料老化[5],從而引起泡孔結構破壞,導致硬質聚氨酯泡沫塑料保溫性能下降.

圖2為硬質聚氨酯泡沫塑料在不同條件下的表面與橫截面的三維數字顯微鏡照片,其中白框區域為硬質聚氨酯泡沫塑料閉口氣孔破裂區域.由圖2可見：(1)硬質聚氨酯泡沫塑料初始表面狀態存在大量以閉口氣孔為主的連續泡孔結構,泡孔中充斥著發泡劑氣體,泡孔排列規整、孔壁完整、孔膜較為飽滿(圖2(a)),具有良好的保溫性能.(2)在多場耦合作用下硬質聚氨酯泡沫塑料表面的泡孔結構形貌發生了明顯變化,隨著循環次數的增加,原來大量規則排列的泡孔變成了部分不連續且不規則排列[15]的泡孔，其結構遭到破壞,出現空洞及倒塌型泡孔(圖2(c)白框區域),泡孔內導熱系數遠低于空氣的發泡劑氣體大量逸出[16],同時空氣也進入破裂的泡孔中,導致硬質聚氨酯泡沫塑料導熱系數增大,保溫性能下降;在附加應力作用下,泡孔結構破壞程度更為嚴重(圖2(e)白框區域),其導熱系數增大程度和保溫性能下降程度更甚.(3)硬質聚氨酯泡沫塑料初始橫截面泡孔排列規整,孔膜較為飽滿(圖2(b)),多場耦合作用下硬質聚氨酯泡沫塑料截面的泡孔結構形貌發生了明顯變化,泡孔結構遭到破壞,硬質聚氨酯泡沫塑料的橫截面泡孔結構受多場耦合作用而破裂(圖2(d)白框區域),發泡劑氣體大量逸出,導致保溫性能下降;有附加應力條件下，硬質聚氨酯泡沫塑料的橫截面泡孔結構破壞程度更為嚴重(圖2(f)白框區域),其導熱系數增大程度更大.

圖3為硬質聚氨酯泡沫塑料表面初始狀態及多場耦合作用下循環50次后的SEM照片.由圖3可以看出：初始狀態下硬質聚氨酯泡沫塑料泡孔排列規整、孔壁完整(圖3(a));多場耦合作用下50次循環之后,硬質聚氨酯泡沫塑料中大量排列規整且孔壁完整的泡孔的孔壁大量破裂,發泡劑氣體大量逸出(圖3(b)),導致聚氨酯導熱系數增大、保溫性能下降.

圖2 硬質聚氨酯泡沫塑料三維數字顯微鏡照片Fig.2 Three-dimensional digital microscope photos of rigid polyurethane foam

圖像分析軟件Image-Pro Plus(IPP)可通過圖像的表面信息來判斷拍攝物的屬性、形態和類別,對不同圖形進行區域劃分后,測量各區域的參數、面積、平均半徑、周長和光密度等信息,從而對該物質進行具體研究.通過IPP軟件分析能夠更好地說明硬質聚氨酯泡沫塑料保溫性能的變化.硬質聚氨酯泡沫塑料的泡孔大小可以近似用在二維圖像上的面積表示,其泡孔結構主要是閉口氣孔,初始狀態時聚氨酯表面幾乎都是閉口氣孔,氣孔破裂為開口氣孔的數量很少,嚴格來說，開口氣孔應當算作空隙,將開口氣孔區域面積與氣孔總面積的比值作為硬質聚氨酯泡沫塑料的空隙率.

通過IPP軟件測量的硬質聚氨酯泡沫塑料的空隙率見圖4.由圖4可見,初始狀態表面泡孔僅有2.3%為開口氣孔,25次循環之后，無附加應力條件下空隙率為7.1%,有附加應力條件下空隙率為7.4%.這表明在多場耦合作用下排列規整的泡孔結構遭到破壞,泡孔由大量規則排列變成了部分不連續且不規則排列[15],出現空洞及倒塌型泡孔,造成泡孔里面的發泡劑氣體大量逸出,保溫性能下降.

圖3 硬質聚氨酯泡沫塑料表面的SEM照片Fig.3 SEM photos of surface of rigid polyurethane foam

圖4 基于IPP軟件分析的硬質聚氨酯泡沫塑料的空隙率變化Fig.4 Voidage change of rigid polyurethane foam based on IPP software analysis

由此可見,在寒冷氣候區多場耦合作用下,溫度、濕度和應力的綜合作用會導致硬質聚氨酯泡沫塑料老化,從而引起泡孔結構破壞,保溫性能下降,因此實際使用時須對硬質聚氨酯泡沫塑料進行必要的保護措施,避免直接暴露在服役環境下.

2.2 多場耦合作用對真空絕熱板熱工性能的影響

多場耦合作用下真空絕熱板導熱系數隨循環次數變化如圖5所示.由圖5可見：寒冷氣候區下有附加壓力和無附加壓力條件下真空絕熱板導熱系數變化趨勢基本相同,其導熱系數均隨著循環次數的增加而增大;循環次數相同時,有附加應力條件下真空絕熱板的導熱系數略大于無附加應力條件下的導熱系數,以第25次和第50次循環為例,有附加應力條件下真空絕熱板的導熱系數相比初始狀態分別增加了5.37%和6.56%,無附加應力條件下真空絕熱板的導熱系數相比初始狀態分別增加了5.33%和6.50%.這表明多場耦合作用下,有附加應力條件下真空絕熱板導熱系數的變化比無附加應力條件下略微明顯一些,真空絕熱板更易老化而造成導熱系數增大,保溫性能下降.

圖5 多場耦合作用下真空絕熱板導熱系數隨循環次數的變化Fig.5 Variation of thermal conductivity of vacuum insulation panel with number of cycle under multi-field coupling

真空絕熱板主要由芯材、阻氣層和吸氣劑構成,其保溫性能主要與其真空度有關.阻隔膜是真空絕熱板生產制造中最關鍵的部件,對真空絕熱板的性能及長期穩定服役起著舉足輕重的作用.真空絕熱板依賴于其阻隔膜的阻氣阻濕能力可以有效隔絕外界的大氣、濕氣透過阻隔膜進入真空內部,但是真空絕熱板內部真空度并非恒定不變,而是在服役過程中隨著時間推移,外界的氣體通過隔氣結構逐漸滲透到材料內部,使得材料的真空絕熱性能衰減,導熱系數值也隨之增大.

真空絕熱板的老化主要由氣體的滲透和芯材對水分的吸收所致.假定這些外因對真空絕熱板熱阻的影響,在采用網絡法計算時為并聯形式,可將真空絕熱板的導熱系數表達為：

λ(t)=λini+λg(t)+λw(t)

(1)

式中：λ(t)為真空絕熱板的逐時導熱系數,W/(m·K);λini為真空絕熱板的初始導熱系數,W/(m·K);λg(t) 為因干空氣滲透而引起的導熱系數增加值,W/(m·K);λw(t)為因水蒸氣滲透而引起的導熱系數增加值,W/(m·K)[17].

多場耦合作用下,隨著循環次數的增加,外界氣體通過隔氣結構逐漸滲透進材料內部,導致λg(t)與λw(t)變大,從而使真空絕熱板導熱系數增大;但是對真空絕熱板的芯材來說,阻隔膜不破壞時,芯材的性質和結構是不會被多場作用而改變的.由圖5可看出,雖然其導熱系數逐漸增大,但因為阻隔膜未被破壞,所以多場耦合作用下真空絕熱板導熱系數的變化十分微小.

3 結論

(1)在寒冷氣候區多場耦合作用下,硬質聚氨酯泡沫塑料和真空絕熱板的導熱系數均隨著循環次數的增加而增大.多場耦合作用會加快硬質聚氨酯泡沫塑料的老化;但是附加應力對真空絕熱板的老化幾乎沒有影響.

(2)多場耦合作用下隨著循環次數的增加，硬質聚氨酯泡沫塑料原先排列規則、孔壁完整的泡孔變成了部分不連續且不規則排列的泡孔,其結構遭到破壞,出現空洞及倒塌型泡孔,泡孔里面的發泡劑氣體大量逸出.大量發泡劑氣體逸出以及空氣進入破裂的泡孔中，使得硬質聚氨酯泡沫塑料導熱系數增大,保溫性能下降.