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界面對復合保溫材料熱學性能劣化作用機理

2017年11月13日 15:01  來源:中國保溫材料網  人氣:586

  界面對復合保溫材料熱學性能劣化作用機理許燕波錢春香陳春(東南大學江蘇省土木工程材料重點實驗室,南京211189)漿試件,并研究了這些試件在經歷干濕循環和凍融循環作用后的導熱系數。通過確定有機保溫組分和基體的影響因子值,間接求得界面對復合保溫材料熱學性能的影響值。實驗結果表明,當有機組分EPS的體積分數超過50%時,復合保溫砂漿試件的熱學性能明顯劣化。結合理論分析認為,界面是影響有機-無機復合保溫材料熱學性能變化的重要原因。特別是當有機保溫組分在復合材料中的體積分數超過定值時,界面成為導致材料熱學性能劣化的關鍵因素。因此,在復合保溫材料開發和應用中,必須對有機保溫組分的摻量加以限制。

  對于復合保溫材料而言,保溫組分性能是影響保溫材料的關鍵因素。有機保溫組分(如聚苯乙烯顆粒)除具有輕質、保溫、隔熱、吸聲等諸多優點外,還具有熱學性能穩定、材性均勻、可按要求設計、種類多以及可再生等獨特的優點,因而是復合保溫材料中保溫組分的優選m.用于建筑節能(特別是用于維護結構)的保溫材料在建筑物生命周期內不可避免地會遭受外界雨淋、曰曬及環境溫度、濕度變化的影響。保溫材料的熱學性能與環境因素之間的關系是影響建筑節能成敗的關鍵,一直為研究者和建筑設計人員所重視。鑒于復合保溫材料的復雜性以及建筑物在生命周期內表1干濕循環后保溫砂漿的導熱系數W/(mK)遭受環境條件的多變性,關于復合保溫材料的熱學性能,特別是長期熱學性能的研究才剛剛起步M.影響復合保溫材料熱性能劣化過程的因素主要有2種:①復合材料的組成。在保溫材料的開發過程中,通過選擇保溫組分和基體材料的類型、調節基體材料與保溫組分的比例等技術手段,可以開發出不同性能指標的復合保溫材料。顯然,含有不同組分的復合材料的熱學劣化過程和機理存在一定的差異。②環境因素。不同的環境因素對復合保溫材料熱學性能的劣化作用機理并不一致。以干濕循環為例,除對保溫材料各組成部分有弱化作用外,還需要考慮各組成部分在干縮濕漲過程中的變形不協調性所導致的影響M.界面本身是由兩相或者多相物質交接而成的,其數量和性質與組成界面的兩相物質的性質、接觸程度以及接觸過程等因素密切相關。即使材料組成嚴格一致,界面數量和性質依然具有一定的不確定性。有機-無機復合保溫材料中存在著大量界面,因此,在研究復合保溫材料熱學性能劣化機理時不能忽視界面的因素。

  本文制備了一系列EPS含量不同的復合保溫砂漿試件,并測試其在經歷干濕循環、凍融循環作用后的導熱系數。通過確定有機保溫組分和基體的影響因子值,間接求得界面對復合保溫材料熱學性能的影響值。

  1實驗40%,50%,60%,70%的9種復合保溫砂漿。所用水泥型號為P.n42.5,水灰比控制在0.7.聚苯乙烯顆粒為白色原生顆粒,經過篩分后得到直徑約為2. 5mm的顆粒。實驗中采用CD~DR3030A導熱系數儀測試試件導熱系數。所有測試試件的尺寸均為300mmx300mmx30mm.干濕循環實驗:將試件浸泡于水中16h,再置于烘箱中70°C下烘干8h,以此為1個循環,8個循環為1個周期。每經歷1個周期后,測試試件的導熱系數。

  凍融循環實驗:將試件浸泡于水中4h,再于-15C下冷凍4h,以此為1個循環,10個循環為1個周期。每經歷1個周期后,測試試件的導熱系數。

  2結果與討論2.1干濕循環后的保溫材料導熱系數復合保溫砂漿經干濕循環后的導熱系數見表1.經歷了3個干濕循環周期后,(EPS)=0%,1%,10%的3種試件出現開裂。為各材料導熱系數的升幅。

  干濕循環后保溫砂漿導熱系數的升幅2.2凍融循環后的保溫材料導熱系數復合保溫砂漿經凍融循環后的導熱系數見表2.經歷凍融循環后,保溫材料導熱系數均上升。為各材料導熱系數的升幅。

  表2凍融循環后保溫砂漿的導熱系數W/(mK)初始狀態凍融循環后保溫砂漿導熱系數的升幅2.3結果分析2.3.1界面作用的表征復合保溫材料熱學性能的劣化過程以復合材料導熱系數的變化為表征。當復合保溫材料遭受的環境因素以及組成一定時,其熱學劣化的影響因素主要有3個:基體熱學性能的變化、保溫組分熱學性能的變化以及界面影響效應。定義單位體積基體的影響因子為A單位體積保溫組分的影響因子為B,界面影響因子為C.當組成一定時,可求得基體材料和保溫組分的體積,但界面所占的體積分數難以準確得到。因此,應將界面效應作為一個整體加以考慮。當影響因子A和B已知時,可求解出  增加值建立方程,求出對應的參數值,結果見表3.參數取值為2個干濕循環周期后C值與p(EPS)的關系圖??梢钥闯?,曲線變化趨勢較致,當有機組分體積分數超過50%時,C值明顯變大。

  2.3.3凍融循環中的數據分析方程組,求得不同周期后的參數值(見表4),并得到表4不同凍融循環周期后的參數值參數凍融循環后C值與有機組分體積分數的關系的影響因素在中低摻量范圍內不是主導因素。有機組分自身具有良好的抗凍性,部分取代基體可以提高材料的抗凍融循環能力。在中低摻量范圍內,即使與干濕循環對應的界面影響因子相比,界面對凍融循環的影響也較小。界面本身是種多孔隙材料,凍融循環的水分凍脹作用會導致界面增加,甚至產生開口孔隙,從而使導熱系數增加。但由于該保溫材料使用的EPS顆粒是一種柔性材料,可以吸收抵消凍脹產生的壓力,減少界面破壞,從而導致計算出的C值較小。C6和C7值較大,是由于在高摻量范圍內有機組分自身堆積,孔隙增加,界面數量雖然減少,但界面性質改變,原有的孔隙出現連通,導熱系數增幅變大。同時,隨著有機組分增加,材料的界面性質也發生改變,由原來的固-固界面部分轉為固-液和固-氣界面,從而使界面對材料的熱學性能劣化作用加大。

  3結論經過干濕循環和凍融循環后,復合保溫材料的熱學性能均出現了劣化。適量增加有機保溫組分有助于改善材料劣化過程。但是,隨著有機保溫組分的增加,劣化過程出現加速趨勢。

  干濕循環后,摻加吸水率低的有機組分部分取代基體,可提高材料抗干濕循環能力。但隨著有機組分摻量的增加,基體不能完全包奄有機組分,材料孔隙增加,吸水率提高,抗干濕循環能力下降。凍融循環后,有機組分由于具有良好的抗凍性和柔性,可以提高材料抗凍融循環能力、抵消凍脹作用產生的壓力,從而減小界面破壞。但有機組分對材料凍融循環后熱學性能改善的貢獻是有限的。

  隨著有機保溫組分的增加,界面對復合保溫材料熱學性能的劣化作用更加明顯。這主要是因為隨著有機保溫組分體積分數的增加,界面數量增多,界面性質也發生變化,由原來的固-固界面向固-氣界面變化。有機組分改善作用與其體積分數并不成正比,超過一定值后,由于界面作用,其改善作用會明顯降低。本文中,有機保溫組分的體積分數不宜超過50%.由此可知,在保溫材料開發和應用中,必須對有機保溫組分的摻量加以限制。

(完)

 
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