不同因素对挤塑板导热性能的影响分析

 

1 引言

建筑节能对减少能源消耗的意义不言而喻，在建筑节能中约 30%的能耗来自于围护结构保温系统，其中保温材料的性能是决定因素，而导热系数又是评价隔热性能最重要的指标。导热系数作为材料的一个重要的热传递性质，其定义是在稳定传热条件下，在单位温度梯度作用下物体内所产生的热流密度。保温材料的导热系数越小，保温隔热性能越好。在众多节能材料中，挤塑板因其轻质、抗压、耐潮、低导热等优点而被广泛应用于各类建筑工程的保温构造中。本文通过实验数据分析不同因素对挤塑板导热性能的影响，总结其中的规律，以掌握挤塑板的性能，从而更好地指导实践应用。

 

2 影响因素分析

2.1 原料和生产工艺因素

2.1.1 原料因素

挤塑板是以聚苯乙烯树脂或其共聚物为主要成分，添加少量添加剂，通过加热挤塑成型而制得的具有闭孔结构的硬质泡沫塑料[1]。在生产过程中，发泡剂气化，膨胀充盈，形成气泡孔，与聚苯乙烯膜泡包裹在一起，储存在气泡内部，被吸收和溶解。当这种溶解达到饱和之后， 多余的发泡剂会扩散到外部，与此同时，向挤塑板内部扩散的空气与发泡剂一起形成混合气体，导致泡孔内部气压上升，由于空气的导热系数高于发泡孔的导热系数，因此混合气体的导热系数也随之增大。空气向内扩散的速度大于发泡剂向外扩散的速度，所以这个阶段导热系数急剧增大。当空气的扩散结束后，空气充满泡孔内，挤塑板内部的发泡剂将持续以非常缓慢的速度向外扩散（陈化过程），表现为导热系数缓慢增长。由于孔隙中的气体传导了大部分热量，气泡内气体的导热系数又贡献了约 60%的影响，因此选用一种低导热，同时可以

在气泡内储存较长时间的发泡剂显得尤为关键。

表 1 为各类发泡剂的气相导热系数。

 

从以上表格中的数据可以看出，氟利昂的导热系数最小，约为空气导热系数的 1/3，目前国内生产挤塑板采用的发泡剂也多为氟利昂，但由于氟利昂会破坏大气 臭氧层，造成臭氧层空洞，形成温室效应，理应被限制使用并最终淘汰，而逐步过渡到其他类别的发泡剂。

 

2.1.2 生产工艺因素

生产工艺因素的影响主要是温度和压力，体现在密度、闭孔率和泡孔尺寸方面。挤塑板生产过程中，在特定的温度和压力控制下，熔融原料被挤出机器模口，因为压力的突然改变，熔于混合原料中的发泡剂被气化，膨胀成为微小气泡，被原料的膜泡包裹着，与模板摩擦、冷

却后形成均匀表皮，内部通过自然冷却最终形成闭孔蜂窝状的板材。当绝热材料在稳态时，周围温度及压力不变，材料内部空气温度、密度稳定，在这种情况下，孔隙内的空气导热系数仅与气体分子碰撞相关，孔隙小且封闭时，气体分子碰撞的自由程就小，空隙间的空气导热系数就小，孔隙尺寸越小，闭孔越多，导热系数越低。

 

当工作温度升高时，材料固体分子热运动加强，孔隙中空气的导热以及孔壁间辐射效应也有所增加，表现为温度上升，导热系数增加。一般而言固相的导热系数大于气相的导热系数，因此保温隔热材料往往具有很高的气孔率，密度则直接反映了材料的气孔率，故而保温材料的密度通常较小。挤塑板的密度多在 25～45kg/m3 之间， 虽然国标 《绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料》（GB/T10801.2-2002）中对密度没有要求，但在实际工程验收中常常涉及该项指标，因此密度也是常规检测项目。

 

大量的实验测试表明，挤塑板密度与导热系数之间的关系并非绝对的线性相关，当密度小于某个临界值后，孔隙率变大，空隙中原本静止的空气开始对流换热，气体的热辐射效应升高，使得导热系数反而增大，因此存在一个在对流换热系数、导热系数、辐射换热系数三者之和 最小才具有最低绝热性能所对应的最佳密度，它们之间的关系如图 1 所示。

 

 

在对 100 组实验样本测试后的数据进行分析后，绘制分布曲线，得到密度与导热之间的关系如图 2、图 3 所示。

 

从图 2、图 3 可见，挤塑板密度集中分布在 33kg/m3 附近。相同密度的挤塑板导热系数不尽相同，且导热系数并一定不随密度增大而增大。

2.2 使用过程中的环境因素

挤塑板在实际使用过程中受到环境因素的影响，导热性能因此而产生变化。国标《绝热用挤塑聚苯乙烯泡沫塑料》（GB/T 10801.2-2002）中规定：“导热系数和热阻试验应将样品自生产之日起在环境条件下放置 90 天进行”，目的是通过一定的陈化时间，使导热系数趋于稳定。

2.2.1 时间因素

实验数据表明，挤塑板随着陈化过程的进行，导热系数逐步升高。通过两个样品在 150 天内不同时间节点测得的数据对比分析，样品 1 和样品 2 的导热系数在90 天内分别从初始的 0.0264、0.0229 增至 0.0364、0.0349，增幅 38%、52%，可知导热系数随陈化时间逐渐

增长，在最初的一个月，空气快速扩散进入挤塑板内部使得导热系数快速上升。60 天后增速减缓，90 天后基本趋于稳定。如图 4 所示。

 

2.2.2 湿度因素

挤塑板内部呈紧密封闭蜂窝状结构，闭孔率达到99%，是一种典型的非吸湿性材料，湿度对其导热系数的影响需要很长时间。图 5 为实验测得在同一温度 （25℃），不同湿度下挤塑板的导热系数变化趋势。

 

 

由图可见，挤塑板在短期内相对湿度逐渐增大的情况下，其导热系数波动很小，最大相对偏差仅为 1.0%。而在陈化过程中改变湿度条件，导热系数则有明显变化。实验选取常温下 50%和 90%两个相对湿度作为养护条件，分别测定样品在 7d、14d、30d、60d、90d、120d、

150d 的导热系数进行比较，如图 6 所示。

由图可知，样品在湿度 50%的导热系数均比湿度90%的导热系数要高，说明高湿环境可以减缓陈化的进行，降低导热系数变化速率。

2.2.3 温度因素

温度对导热系数有直接影响，呈正相关。当温度上升时，挤塑板内部固体分子热运动加速，导热系数增大。在选取 60℃和 80℃两种干燥温度环境对挤塑板进行状态调节后测试，并与标准状态下调节后测试的样品进行数据对比，见表 2。

 

 

样品在 60℃的温度下放置 3 天与常温放置 90 天的导热系数相当，80℃的温度又缩短了陈化的时间，2天即能达到常温 90 天的导热系数。

 

3 结束语

通过大量实验数据并结合理论分析可知，挤塑板的导热性能主要受内部（生产过程）和外部（使用环境）因素影响，呈现出不同的表现形式，具有一定规律性。而在实际生产和工程应用中，挤塑板原料来源多样，出于成本考虑多为回收料，导致即便配方相同，不同批次不同 厂家的产品性能之间存在差异，同时在利益和效率驱使下，挤塑板从生产到施工周转时间不会超过 1 个月，难以保证陈化时间达到 90 天后再使用。

 

国标中对产品放置时间的规定与现实存在矛盾之处。在现有的规范下，根据挤塑板的内部分子结构和外部环境影响规律，从温度和湿度的状态调节上加速陈化，缩短放置时间，提前了解趋于稳定时的产品性能不失为一种便捷有效的检测方法。