厚度和密度對(duì)EPS保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響研究

1、EPS保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)其厚度和密度的依賴關(guān)系的研究拉卡托 斯阿科什卡馬爾 費(fèi)倫茨收到:2012年4月18日/接受:2012年10月5日/網(wǎng)上發(fā)表:2012年10月17日©國際材料與結(jié)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)聯(lián)合會(huì) 2012摘要 在被動(dòng)式和幾乎零輔助熱源的房屋應(yīng)用中分析不同保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)是非常重要的。本文介紹了不同厚度和不同空氣孔的EPS保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量結(jié)果。在一個(gè)Venticell 111 型干燥裝置中將樣品干燥到重量不變時(shí)，用一個(gè)Holometrix型2000系列熱流計(jì)對(duì)純（白色）和石墨-增強(qiáng)（灰色）EPS板進(jìn)行了測(cè)量。白色的樣品的密度范圍從10到26千克/立方米（EPS類型3020

2、0，灰色），其余白色樣品和灰色樣品（14千克/立方米）以三種不同厚度（5，8，10厘米）進(jìn)行測(cè)試。此外，對(duì)低密度樣品的熱傳導(dǎo)的密度依賴性，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)也對(duì)不同的的白色板與灰色板的組合板進(jìn)行的導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量，其導(dǎo)熱系數(shù)值有所改變。阿科什 拉卡托斯匈牙利德布勒森大學(xué)工程學(xué)院建設(shè)服務(wù)和建設(shè)工程系教授電子郵件：alakatoseng.unideb.hu費(fèi)倫茨 卡馬爾電子郵件：fkalmareng.unideb.hu關(guān)鍵詞 保溫系數(shù)熱板法EPS1 引言可發(fā)性聚苯乙烯泡沫塑料是一種優(yōu)良的絕緣介質(zhì)，其具有在建筑中出現(xiàn)的正常溫度范圍內(nèi)持續(xù)的熱性能。它也廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域，包括包裝，浮力，板芯，豆袋和土

3、木工程。導(dǎo)熱系數(shù)是材料的一個(gè)重要的熱傳遞性質(zhì)。保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量的重要性，其它研究人員已經(jīng)提出。許多類型的保溫材料它這方面的熱性能和一些其它的材料性能以及成本是可利用的。根據(jù)保溫材料的的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算R值來設(shè)計(jì)建筑物的墻壁和屋頂結(jié)構(gòu)。測(cè)量熱性能屬性的實(shí)驗(yàn)室和原型情況是非常需要上面提到的計(jì)算的。2 材料和方法發(fā)泡聚苯乙烯材料在豪伊杜索博斯洛的cellplast塑膠有限公司生產(chǎn)。樣品制備的主要步驟如下。原料經(jīng)制備后，將樣品放入預(yù)膨脹器并在368開氏溫度下進(jìn)行熱處理。把從預(yù)膨脹器干燥的材料暴露的空氣中進(jìn)行半天的調(diào)節(jié)，然后進(jìn)行半成品的成型和第二次調(diào)節(jié)。在樣品制備完成時(shí)，在其上標(biāo)上尺寸。實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種不同類

4、型的可發(fā)性EPS保溫材料進(jìn)行了研究。首先，是對(duì)傳統(tǒng)的純（白色）EPS進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),然后是對(duì)石墨加強(qiáng)型聚苯乙烯，即所謂的灰色EPS板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。摻石墨樣品的使用理由及優(yōu)點(diǎn)是其在被動(dòng)式房屋建設(shè)中得到有效地使用。它們的運(yùn)用不需要任何其它的特殊步驟，由于它們具有良好的熱阻性能，使用時(shí)可以使物體達(dá)到更低熱損失的目的。在一個(gè)VentiCell 干燥儀中干燥EPS樣品，直到其重量不變時(shí)開始進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量。用這個(gè)裝置，可通過設(shè)置不同的空氣溫度（高達(dá)523開氏溫度）來干燥材料。這個(gè)裝置依靠一個(gè)內(nèi)置的通風(fēng)設(shè)備的熱循環(huán)而工作。實(shí)驗(yàn)運(yùn)用一臺(tái)2000的熱流計(jì)測(cè)量聚苯乙烯樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。這個(gè)設(shè)備的設(shè)計(jì)目的在于確定保溫材料

5、的導(dǎo)熱系數(shù)與ASTM（美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)的C518協(xié)議和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的8301協(xié)議相一致。實(shí)驗(yàn)時(shí)，把幾何面積為30×30，幾何高度分別為5，8和10的白色和灰色樣品放于干燥裝置兩板之間的測(cè)試區(qū)進(jìn)行材測(cè)量，每種樣品的測(cè)量保持不同的溫度（T1=285K,T2=295K,Tmean=290K)。另一組實(shí)驗(yàn)對(duì)5厚的白色EPS板和5厚的灰色EPS板的合并板進(jìn)行了測(cè)量。在Holometrix 運(yùn)用裝置中，通過進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如果在整個(gè)樣本的測(cè)量過程中儀器能夠?qū)崿F(xiàn)熱平衡并且建立有規(guī)律的溫度梯度，那么導(dǎo)熱系數(shù)也就確定了。為了確定一個(gè)樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，要求進(jìn)行3個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。所測(cè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)為

6、三個(gè)測(cè)量值的平均值。為了解Holometrix 設(shè)備的測(cè)量方法如下意見是不可或缺的。熱流量（q）的大小取決于以下幾個(gè)因素：（a）樣品的導(dǎo)熱系數(shù)（=k）（b）樣品的厚度（x）（c）樣品測(cè)量過程中的溫度差（T）（d）熱量覆蓋的區(qū)域當(dāng)實(shí)驗(yàn)區(qū)段達(dá)到熱平衡時(shí)，傅立葉熱流方程式（公式1）給出這些因素之間的關(guān)系。用一個(gè)或兩個(gè)熱流傳感器測(cè)量樣品的熱流，一個(gè)熱流傳感器的信號(hào)與通過傳感器的熱流是成比例關(guān)系的。在-2000 HFM儀器中，熱流傳感器的區(qū)域表示熱流達(dá)到的區(qū)域，這對(duì)所有的樣品都是一樣的，因此熱流為（公式2）：q=NV （2）式中（kg/m3）為質(zhì)量密度，c（J/kgK）為比熱（對(duì)于聚苯乙烯，c=1460

7、J/kgK）。3 結(jié)果和討論3.1 密度的作用可發(fā)性聚苯乙烯材料的導(dǎo)熱系數(shù)的調(diào)查研究。把具有不同質(zhì)量密度的EPS板收集于表中并繪圖，見表1和圖1。從其他研究者的論文中我們可以知道，隨著密度的降低，其導(dǎo)熱系數(shù)也隨之降低。其主要原因是隨著密度的增大，空氣含氣量和空氣夾雜物尺寸減小了。在這種情況下,通過樣品的熱流就由固體粒子的熱傳導(dǎo)來引導(dǎo)，同時(shí)，空氣對(duì)流就變得微不足道了。為了估算質(zhì)量密度與導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系，在低密度和高密度樣品實(shí)驗(yàn)中使用兩種不同的線性擬合。兩條關(guān)系線的斜率都有明顯地降低。為了顯現(xiàn)出密度的作用，即空氣含量的影響，我們作一個(gè)假定的計(jì)算。如果一個(gè)關(guān)系線被修正，則具有最大密度（max=25

8、.964kg/m3）的樣品的密度值和導(dǎo)熱系數(shù)值作為比較值。用公式5和6我們可以估算校準(zhǔn)因子n，而通過校準(zhǔn)因子我們可以知道空氣含量及氣孔孔徑；同時(shí)可以知道，導(dǎo)熱系數(shù)隨著密度減小而增加的百分比，（%）。（%）值列于表中并繪制成圖，見表2和圖2。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)增加的百分比隨著密度因子的增加而增加。從圖中可以觀察到，最大密度的樣品和密度為10kg/m3的樣品其導(dǎo)熱系數(shù)增長報(bào)分?jǐn)?shù)相差大約60%。在這個(gè)密度差范圍內(nèi)，低密度材料的的導(dǎo)熱系數(shù)值僅比最低值min高出40%。然而，測(cè)量得知，40%的密度差值，其導(dǎo)熱系數(shù)的改變僅有20%。3.2 樣品厚度的作用已經(jīng)知道，導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)該與樣品的厚度沒有

9、直接的關(guān)系。畢竟，我們已經(jīng)測(cè)量了不同厚度的EPS樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。如表3所示是具有不同質(zhì)量密度的純EPS材料，從中選出灰色樣品和其他四個(gè)樣品，分別以8cm和10cm的厚度進(jìn)行測(cè)量。首先，從表3和圖3中相似的現(xiàn)象可以知道，對(duì)于每個(gè)厚度（5cm，8cm和10cm）的樣品來說，導(dǎo)熱系數(shù)隨著密度的增加而降低，和上面提到的情況類似。最小的導(dǎo)熱系數(shù)值是灰色聚苯乙烯材料，它是具有最小密度和最小導(dǎo)熱系數(shù)的最好的EPS保溫材料。圖3中，所有密度值的關(guān)系線明顯的拐彎，8cm厚的樣品具有最大的熱流量。一般來說，10cm厚的樣品的導(dǎo)熱系數(shù)處于5cm和8cm厚的樣品的導(dǎo)熱系數(shù)5cm和8cm之間。計(jì)算每個(gè)EPS樣品的導(dǎo)熱系

10、數(shù)值，如果出現(xiàn)偏差小于8%，那么我們就不能過多地重視這些物理現(xiàn)象。可能大家已經(jīng)知道，導(dǎo)熱系數(shù)與樣品的厚度沒有直接的關(guān)系，其原因可能是材料自身的屬性和測(cè)量的方法的不同。具有相同密度的樣品的導(dǎo)熱系數(shù)的平均值可以經(jīng)過計(jì)算而得。3.3 灰色樣品的作用在這一小節(jié)里，我們給出了對(duì)每個(gè)白色樣品與一個(gè)灰色（石墨增強(qiáng)）聚苯乙烯樣品接合而成的樣品的測(cè)量?；疑獷PS材料的最好的保溫性能之一，是它能依靠紅外反射和碳粒子吸收，從而使其內(nèi)部具有杰出的抗熱傳導(dǎo)性?；疑獷PS板的保溫性能比傳統(tǒng)的白色的可發(fā)性聚苯乙烯優(yōu)越1520%。如果測(cè)量一個(gè)5cm厚的白色EPS材料導(dǎo)熱系數(shù)和一個(gè)5cm厚的灰色EPS材料的導(dǎo)熱系數(shù)，則可以得到

11、樣品厚度之和即10cm厚的樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。比較用這種方式而得的導(dǎo)熱系數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)它有一個(gè)改善率，如表4所示。從表中可以看出，質(zhì)量密度具有14kg/m3的樣品的導(dǎo)熱系數(shù)的改變程度最大，幾乎接近邊緣（距離邊緣大約5%），樣品導(dǎo)熱系數(shù)的改變比密度為20kg/m3的樣品還大。如果繪制導(dǎo)熱系數(shù)的改變量與原始單純的白色樣品的密度之間的關(guān)系，則我們可以得到有一個(gè)指數(shù)函數(shù)的關(guān)系線（見圖4）。在圖4中，可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)與密度的反比關(guān)系有明顯的改善。4 結(jié)論質(zhì)量密度和樣品厚度對(duì)EPS材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響已經(jīng)通過 Holometrix 設(shè)備進(jìn)行了研究。各種不同密度的EPS材料的導(dǎo)熱系數(shù)在操作平均溫度為290開氏溫

12、度下進(jìn)行了測(cè)量。我們發(fā)現(xiàn)，和之前人們所發(fā)現(xiàn)的一樣，樣品密度在1025kg/m3的范圍內(nèi)時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)隨著密度的增加而降低，也可以根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)值來計(jì)算熱擴(kuò)散系數(shù)值。創(chuàng)造一個(gè)假定的模型來估算密度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)改變值的影響。我們也做了厚度依賴實(shí)驗(yàn)，并沒有觀察到任何的導(dǎo)熱系數(shù)的偏差。此外，我們也做了白色EPS材料與灰色聚苯乙烯組合之后的導(dǎo)熱系數(shù)的改變實(shí)驗(yàn)，為了確定石墨增強(qiáng)聚苯乙烯材料對(duì)白色EPS材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響，我們給出了一個(gè)指數(shù)函數(shù)。總之，材料的導(dǎo)熱系數(shù)與樣品的厚度沒有直接的關(guān)系，但與R值的關(guān)系非常大。通過計(jì)算R值的大小，確定高效保溫的最小厚度大約為10cm，對(duì)于我們的研究結(jié)果的最佳熱阻可以通過5cm厚

13、白色EPS 200與5cm厚灰色EPS的結(jié)合板的運(yùn)用來達(dá)到。致謝 作者非常感謝cellplast塑料有限公司的支持。(H-4200, Hajdu´szoboszlo,Szova´ti str 3/b)為了確保聚苯乙烯樣品。工作/刊物有兩個(gè)項(xiàng)目的支持，分別是TA´ MOP 4.2.1/B-09/1/KONV-2010-0007項(xiàng)目和TA´ MOP 4.2.4. A/1-11-1-20120001項(xiàng)目。材料這兩個(gè)項(xiàng)目是由歐洲聯(lián)盟和歐洲社會(huì)基金共同贊助的。參考文獻(xiàn)1.Mar JD,利托夫斯基E,克萊曼J（2008）潮濕保溫材料導(dǎo)電性和表觀導(dǎo)熱系數(shù)的建模和數(shù)據(jù)庫

14、開發(fā)。J建立物理學(xué)報(bào)32（1）：9-312.Yucel KT，Basyigit C，OZEL C（2009）作為建筑和保溫材料的發(fā)泡聚苯乙烯的保溫性能 信息來源：.mk/al/wp-content/uploads/ 2009/06/Thermal-Insulation-properties. PDF 訪問于2011年11月28日3.Hourston DJ，SongM，Hammiche A，波洛克HM，Reading M（1996）調(diào)制差示掃描量熱法：聚苯乙烯物理老化的研究。聚合物37（2）：2432474.麥考密克 HW, 布勞爾FM, 健 L (1959) 分子量分布對(duì)聚苯乙烯物理性能的影響。J高分子學(xué)報(bào)39（135）：871005.Xiao M, Sun L, Liu J, Li Y, Gong K (2006) 聚苯乙烯/石墨納米聚合材料的合成與性能。聚合物43（8）：224522486.摩根AB，哈里斯RH,柏木T，Chyall LJ，吉爾曼JW（2002）聚苯乙烯層狀硅酸鹽（粘土）納米復(fù)合材料的易燃性：碳的形成。防火