玄武巖織物增強泡沫板材保溫性能分析

劉君妹 賈立霞

（河北科技大學(xué)，河北石家莊，050018）

社會的不斷發(fā)展，使得建筑物保溫技術(shù)日益提高，保溫板材加工技術(shù)得到了長足發(fā)展，并成為我國一項重要的建筑節(jié)能技術(shù)。當(dāng)前，建筑外墻保溫普遍采用先粘貼保溫層，隨后抹抗裂保護層的做法，這種方法所形成的體系，在隔熱構(gòu)造設(shè)計上存在諸多不足。抗裂保護層中的抗裂砂漿復(fù)合網(wǎng)格布與保溫材料層間復(fù)合，其整體力學(xué)性能及柔韌性以及材料的耐久性存在很大的局限性，容易出現(xiàn)開裂、起皮、脫落、滲水、保溫系統(tǒng)崩潰等質(zhì)量問題［1］。針對傳統(tǒng)保溫材料的性能缺陷，結(jié)構(gòu)與保溫一體化技術(shù)得到了發(fā)展與應(yīng)用，復(fù)合保溫板材應(yīng)運而生。本文以耐高溫玄武巖長絲為原料，開發(fā)研制不同結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)復(fù)合增強泡沫保溫板材。

玄武巖纖維被科學(xué)家譽為21世紀(jì)的一種新材料，其性能優(yōu)異，替代性強，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛［2］。該纖維具有良好的耐堿性、高耐熱性和隔熱隔聲等優(yōu)良性能，在低溫技術(shù)中可用作高效隔熱保溫材料，在冶金工廠中的液態(tài)氧生產(chǎn)部門長期使用玄武巖纖維制造的隔熱保溫材料［3-4］。聚氨酯泡沫具有超低的熱導(dǎo)率，同等隔熱效果聚氨酯的厚度是最低的［5-6］。本文采用玄武巖纖維為增強材料，設(shè)計織造機織平面結(jié)構(gòu)和間隔結(jié)構(gòu)為板材的骨架結(jié)構(gòu)，在兩平面織物之間和中空織物空腔中填充聚氨酯泡沫并用樹脂復(fù)合，既滿足了保溫隔熱的功能需要，又具有質(zhì)輕、易成型、高強高模、耐沖擊等特點，在建筑材料輕量節(jié)能和能量吸收方面具有較高的應(yīng)用價值。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗選用捻度相對較大的連續(xù)玄武巖長絲為原料，織制機織平面織物與中空織物作為增強體。玄武巖長絲規(guī)格為270 tex。采用UTM5105型電子萬能試驗機測試玄武巖長絲斷裂強度為35.6 cN/tex。

試驗用填充材料選用聚氨酯泡沫材料，由組合聚醚（白料）和多亞甲基多苯基多異氰酸脂（黑料）兩種材料混合發(fā)泡而成，能夠方便快捷地完成對增強體中空織物的填充。選用常溫固化的E44環(huán)氧樹脂作為基體材料，選用聚酰胺樹脂為固化劑。

1.2 織物增強體的設(shè)計織造

復(fù)合材料的性能依賴于增強纖維和基質(zhì)材料，以及纖維的排列方式和纖維與基質(zhì)的結(jié)合形式。通過合理選擇增強體纖維材料和鋪疊方式，復(fù)合材料的力學(xué)、物理性能將表現(xiàn)出很大的不同。本試驗設(shè)計織造機織平面織物和機織中空織物兩種不同的增強體。

機織中空織物采用接結(jié)經(jīng)紗連接的機織間隔織物，機織間隔織物由上下面層織物和連接上下面層的接結(jié)經(jīng)紗組成。根據(jù)課題組前期的試驗結(jié)果，間隔織物面層的組織結(jié)構(gòu)對最終復(fù)合板材機械性能影響不顯著［7］，因此中空織物上下面層均采用最簡單的平紋組織，面層組織中的地經(jīng)紗與接結(jié)經(jīng)紗的排列比為7∶1，面層織物緯紗密度均為80根/10 cm，為研究面層組織密度對板材性能的影響，設(shè)計3種經(jīng)紗密度，分別為40根/10 cm，60根/10 cm和80根/10 cm。接結(jié)紗高度設(shè)計為15 mm，即中空織物上下面層間高度為15 mm。所加工的機織中空織物如圖1所示，織物上機圖參考課題組之前文獻［8］。機織平面織物經(jīng)緯密均為80根/10 cm，織物組織采用平紋組織。

圖1 玄武巖長絲機織中空織物

1.3 復(fù)合板材的加工

織物增強體織造完成后，采用先填充后復(fù)合的加工工藝制備復(fù)合板材，即在織物空間中填入泡沫材料和阻燃劑，制成復(fù)合板材預(yù)制件，再在預(yù)制件的兩個面層上復(fù)合樹脂，完成復(fù)合板材的制備。

1.3.1 泡沫材料填充

填充材料選用聚氨酯泡沫，這種泡沫由組合聚醚（白料）和多亞甲基多苯基多異氰酸脂（黑料）按1∶1的比例混合發(fā)泡而成。將上下兩層平面織物和中空織物分別裝入模具，在上下層織物之間形成空腔，按填充體積和填充密度計算兩種聚氨酯材料的用量后，將兩種材料混合均勻并充分?jǐn)嚢杼钊肟涨唬P(guān)閉模具，10 min后發(fā)泡完成，即形成厚度為15 mm的板材預(yù)制件。由模腔體積和填充材料的質(zhì)量，計算得出中空織物的泡沫填充密度為90 kg/m3，為研究泡沫填充密度對保溫性能的影響，兩層平面織物之間的填充密度設(shè)計為90 kg/m3、100 kg/m3和110 kg/m3。

1.3.2 樹脂復(fù)合

將環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂以1∶1比例混合，對板材預(yù)制件的織物表面進行復(fù)合，通過樹脂稱重，定面積復(fù)合，控制復(fù)合樹脂量為750 g/m2，保證復(fù)合板材樣品的復(fù)合樹脂厚度相同。樹脂與織物面層復(fù)合形成板材的面板，并與泡沫芯層結(jié)合，形成整體性良好的三明治型復(fù)合板材。本試驗共設(shè)計加工6種不同結(jié)構(gòu)三明治型復(fù)合板材，板材結(jié)構(gòu)描述見表1。

表1 設(shè)計加工的板材結(jié)構(gòu)特征

1.4 復(fù)合板材保溫性能測試

板材保溫率測試試驗采用YG606L型平板式保溫儀，參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 11048—1989《紡織品保溫性能試驗方法》，試樣規(guī)格為300 mm×300 mm，每種板材測試3個樣品，取均值。

板材導(dǎo)熱系數(shù)測試試驗采用TC3000E型導(dǎo)熱系數(shù)儀。參考標(biāo)準(zhǔn)為ASTM—D5470《用于測試薄導(dǎo)熱固態(tài)電絕緣材料熱傳導(dǎo)性質(zhì)的表征測試》，試樣規(guī)格為200 mm×100 mm，每種板材需兩塊試樣。測試時間間隔為3 min，兩塊試樣各測試5次，取10次測試結(jié)果的平均值。

2 試驗結(jié)果及分析

6種板材的保溫率及導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果見表2。

表2 復(fù)合板材保溫率測試結(jié)果

2.1 復(fù)合板材基本結(jié)構(gòu)對保溫性能的影響

1號、2號、3號 為中空 織物增強板材，4號、5號、6號為兩層平面織物增強板材。由表2數(shù)據(jù)可見，平面織物增強板材的保溫率均大于中空織物增強板材，導(dǎo)熱系數(shù)小于中空織物增強板材，尤其是1號板材和4號板材，兩者的泡沫填充密度相同，面層織物組織密度相同，但是兩者的保溫率和導(dǎo)熱系數(shù)存在較明顯的差異。中空織物增強的復(fù)合板材在兩面板之間有接結(jié)紗相連，在周圍樹脂的浸潤下形成接結(jié)紗樹脂柱，對板材的整體力學(xué)性能起到了良好的作用［9］，但是樹脂柱的存在增加了板材的導(dǎo)熱系數(shù)，在一定程度上降低了板材的保溫性能。

2.2 面層組織密度對保溫性能的影響

對1號、2號、3號板材的中空織物的面層織物經(jīng)紗密度進行了調(diào)整，因為地經(jīng)紗和接結(jié)經(jīng)紗的排列比沒有變化，所以3種板材中接結(jié)紗的排列密度有變化，面層織物經(jīng)紗密度越大，接結(jié)紗的排列密度越大，也就是板材中的接結(jié)紗樹脂柱的密度越大，因此，雖然玄武巖纖維在板材表面的分布密度增大，對保溫性能起到了積極作用，但是接結(jié)紗樹脂柱的增多也在一定程度上增大了板材的熱傳導(dǎo)率，降低了板材的整體保溫率。從表2的數(shù)據(jù)可以看到，1號、2號、3號板材的保溫率和導(dǎo)熱系數(shù)并沒有明顯變化，說明在所研究的范圍內(nèi)，中空織物面層的組織密度變化并未影響板材的保溫性能。

2.3 泡沫填充密度對復(fù)合板材保溫性能的影響

4號、5號、6號板材是兩層平面織物增強的板材，兩層織物之間沒有接結(jié)紗的連接，便于考察泡沫材料對于保溫性能的影響，3種板材泡沫材料的填充密度分別為90 kg/m3、100 kg/m3和110 kg/m3。由表2可知，隨著泡沫填充密度的增加，板材的導(dǎo)熱系數(shù)呈總體上升趨勢，保溫率呈總體下降趨勢，說明隨泡沫填充密度的增加，泡沫材料中靜止空氣含量減少，降低了板材的保溫性能。尤其是當(dāng)密度由90 kg/m3增加到100 kg/m3時，導(dǎo)熱系數(shù)和保溫率均發(fā)生了較大的變化，說明聚氨酯泡沫材料和靜止空氣的協(xié)同保溫作用存在臨界比例，聚氨酯泡沫合理的填充密度能夠形成有效的孔隙度，在滿足板材機械性能要求的前提下，控制填充材料的用量，可以降低生產(chǎn)成本，同時充分利用有效孔隙的靜止空氣提高板材的保溫性。

3 結(jié)論

（1）平面織物增強板材的保溫率均大于中空織物增強板材，導(dǎo)熱系數(shù)均小于中空織物增強板材，因為樹脂柱的存在，增加了板材的導(dǎo)熱系數(shù)，在一定程度上降低了板材的保溫性能。在板材生產(chǎn)及應(yīng)用過程中，應(yīng)結(jié)合板材的力學(xué)需求和保溫要求，合理配置接結(jié)紗的分布密度。

（2）中空織物面層的組織密度變化并未影響板材的保溫性能，因為面層經(jīng)紗密度的改變導(dǎo)致了接結(jié)紗樹脂柱的變化。

（3）隨著泡沫填充密度的增加，板材的導(dǎo)熱系數(shù)上升，保溫率下降，因此在滿足板材機械性能要求的前提下，控制填充材料的用量，可以降低生產(chǎn)成本，提高板材保溫性能。