厚度和密度对EPS保温材料导热系数的影响研究

1、EPS保温材料导热系数对其厚度和密度的依赖关系的研究拉卡托 斯阿科什卡马尔 费伦茨收到:2012年4月18日/接受:2012年10月5日/网上发表:2012年10月17日©国际材料与结构研究实验联合会 2012摘要 在被动式和几乎零辅助热源的房屋应用中分析不同保温材料的导热系数是非常重要的。本文介绍了不同厚度和不同空气孔的EPS保温材料导热系数的测量结果。在一个Venticell 111 型干燥装置中将样品干燥到重量不变时，用一个Holometrix型2000系列热流计对纯（白色）和石墨-增强（灰色）EPS板进行了测量。白色的样品的密度范围从10到26千克/立方米（EPS类型3020

2、0，灰色），其余白色样品和灰色样品（14千克/立方米）以三种不同厚度（5，8，10厘米）进行测试。此外，对低密度样品的热传导的密度依赖性，给出了实验结果。实验也对不同的的白色板与灰色板的组合板进行的导热系数的测量，其导热系数值有所改变。阿科什 拉卡托斯匈牙利德布勒森大学工程学院建设服务和建设工程系教授电子邮件：alakatoseng.unideb.hu费伦茨 卡马尔电子邮件：fkalmareng.unideb.hu关键词 保温系数热板法EPS1 引言可发性聚苯乙烯泡沫塑料是一种优良的绝缘介质，其具有在建筑中出现的正常温度范围内持续的热性能。它也广泛应用于其他领域，包括包装，浮力，板芯，豆袋和土

3、木工程。导热系数是材料的一个重要的热传递性质。保温材料导热系数测量的重要性，其它研究人员已经提出。许多类型的保温材料它这方面的热性能和一些其它的材料性能以及成本是可利用的。根据保温材料的的导热系数计算R值来设计建筑物的墙壁和屋顶结构。测量热性能属性的实验室和原型情况是非常需要上面提到的计算的。2 材料和方法发泡聚苯乙烯材料在豪伊杜索博斯洛的cellplast塑胶有限公司生产。样品制备的主要步骤如下。原料经制备后，将样品放入预膨胀器并在368开氏温度下进行热处理。把从预膨胀器干燥的材料暴露的空气中进行半天的调节，然后进行半成品的成型和第二次调节。在样品制备完成时，在其上标上尺寸。实验对两种不同类

4、型的可发性EPS保温材料进行了研究。首先，是对传统的纯（白色）EPS进行了实验,然后是对石墨加强型聚苯乙烯，即所谓的灰色EPS板进行实验。掺石墨样品的使用理由及优点是其在被动式房屋建设中得到有效地使用。它们的运用不需要任何其它的特殊步骤，由于它们具有良好的热阻性能，使用时可以使物体达到更低热损失的目的。在一个VentiCell 干燥仪中干燥EPS样品，直到其重量不变时开始进行导热系数的测量。用这个装置，可通过设置不同的空气温度（高达523开氏温度）来干燥材料。这个装置依靠一个内置的通风设备的热循环而工作。实验运用一台2000的热流计测量聚苯乙烯样品的导热系数。这个设备的设计目的在于确定保温材料

5、的导热系数与ASTM（美国材料实验协会）标准的C518协议和国际标准化组织的8301协议相一致。实验时，把几何面积为30×30，几何高度分别为5，8和10的白色和灰色样品放于干燥装置两板之间的测试区进行材测量，每种样品的测量保持不同的温度（T1=285K,T2=295K,Tmean=290K)。另一组实验对5厚的白色EPS板和5厚的灰色EPS板的合并板进行了测量。在Holometrix 运用装置中，通过进行实验，如果在整个样本的测量过程中仪器能够实现热平衡并且建立有规律的温度梯度，那么导热系数也就确定了。为了确定一个样品的导热系数，要求进行3个独立的实验进行测量。所测材料的导热系数为

6、三个测量值的平均值。为了解Holometrix 设备的测量方法如下意见是不可或缺的。热流量（q）的大小取决于以下几个因素：（a）样品的导热系数（=k）（b）样品的厚度（x）（c）样品测量过程中的温度差（T）（d）热量覆盖的区域当实验区段达到热平衡时，傅立叶热流方程式（公式1）给出这些因素之间的关系。用一个或两个热流传感器测量样品的热流，一个热流传感器的信号与通过传感器的热流是成比例关系的。在-2000 HFM仪器中，热流传感器的区域表示热流达到的区域，这对所有的样品都是一样的，因此热流为（公式2）：q=NV （2）式中（kg/m3）为质量密度，c（J/kgK）为比热（对于聚苯乙烯，c=1460

7、J/kgK）。3 结果和讨论3.1 密度的作用可发性聚苯乙烯材料的导热系数的调查研究。把具有不同质量密度的EPS板收集于表中并绘图，见表1和图1。从其他研究者的论文中我们可以知道，随着密度的降低，其导热系数也随之降低。其主要原因是随着密度的增大，空气含气量和空气夹杂物尺寸减小了。在这种情况下,通过样品的热流就由固体粒子的热传导来引导，同时，空气对流就变得微不足道了。为了估算质量密度与导热系数之间的关系，在低密度和高密度样品实验中使用两种不同的线性拟合。两条关系线的斜率都有明显地降低。为了显现出密度的作用，即空气含量的影响，我们作一个假定的计算。如果一个关系线被修正，则具有最大密度（max=25

8、.964kg/m3）的样品的密度值和导热系数值作为比较值。用公式5和6我们可以估算校准因子n，而通过校准因子我们可以知道空气含量及气孔孔径；同时可以知道，导热系数随着密度减小而增加的百分比，（%）。（%）值列于表中并绘制成图，见表2和图2。从表2中的数据可以看出，导热系数增加的百分比随着密度因子的增加而增加。从图中可以观察到，最大密度的样品和密度为10kg/m3的样品其导热系数增长报分数相差大约60%。在这个密度差范围内，低密度材料的的导热系数值仅比最低值min高出40%。然而，测量得知，40%的密度差值，其导热系数的改变仅有20%。3.2 样品厚度的作用已经知道，导热系数应该与样品的厚度没有

9、直接的关系。毕竟，我们已经测量了不同厚度的EPS样品的导热系数。如表3所示是具有不同质量密度的纯EPS材料，从中选出灰色样品和其他四个样品，分别以8cm和10cm的厚度进行测量。首先，从表3和图3中相似的现象可以知道，对于每个厚度（5cm，8cm和10cm）的样品来说，导热系数随着密度的增加而降低，和上面提到的情况类似。最小的导热系数值是灰色聚苯乙烯材料，它是具有最小密度和最小导热系数的最好的EPS保温材料。图3中，所有密度值的关系线明显的拐弯，8cm厚的样品具有最大的热流量。一般来说，10cm厚的样品的导热系数处于5cm和8cm厚的样品的导热系数5cm和8cm之间。计算每个EPS样品的导热系

10、数值，如果出现偏差小于8%，那么我们就不能过多地重视这些物理现象。可能大家已经知道，导热系数与样品的厚度没有直接的关系，其原因可能是材料自身的属性和测量的方法的不同。具有相同密度的样品的导热系数的平均值可以经过计算而得。3.3 灰色样品的作用在这一小节里，我们给出了对每个白色样品与一个灰色（石墨增强）聚苯乙烯样品接合而成的样品的测量。灰色EPS材料的最好的保温性能之一，是它能依靠红外反射和碳粒子吸收，从而使其内部具有杰出的抗热传导性。灰色EPS板的保温性能比传统的白色的可发性聚苯乙烯优越1520%。如果测量一个5cm厚的白色EPS材料导热系数和一个5cm厚的灰色EPS材料的导热系数，则可以得到

11、样品厚度之和即10cm厚的样品的导热系数。比较用这种方式而得的导热系数值，可以发现它有一个改善率，如表4所示。从表中可以看出，质量密度具有14kg/m3的样品的导热系数的改变程度最大，几乎接近边缘（距离边缘大约5%），样品导热系数的改变比密度为20kg/m3的样品还大。如果绘制导热系数的改变量与原始单纯的白色样品的密度之间的关系，则我们可以得到有一个指数函数的关系线（见图4）。在图4中，可以看出，导热系数与密度的反比关系有明显的改善。4 结论质量密度和样品厚度对EPS材料导热系数的影响已经通过 Holometrix 设备进行了研究。各种不同密度的EPS材料的导热系数在操作平均温度为290开氏温

12、度下进行了测量。我们发现，和之前人们所发现的一样，样品密度在1025kg/m3的范围内时，导热系数随着密度的增加而降低，也可以根据导热系数值来计算热扩散系数值。创造一个假定的模型来估算密度对导热系数改变值的影响。我们也做了厚度依赖实验，并没有观察到任何的导热系数的偏差。此外，我们也做了白色EPS材料与灰色聚苯乙烯组合之后的导热系数的改变实验，为了确定石墨增强聚苯乙烯材料对白色EPS材料导热系数的影响，我们给出了一个指数函数。总之，材料的导热系数与样品的厚度没有直接的关系，但与R值的关系非常大。通过计算R值的大小，确定高效保温的最小厚度大约为10cm，对于我们的研究结果的最佳热阻可以通过5cm厚

13、白色EPS 200与5cm厚灰色EPS的结合板的运用来达到。致谢 作者非常感谢cellplast塑料有限公司的支持。(H-4200, Hajdu´szoboszlo,Szova´ti str 3/b)为了确保聚苯乙烯样品。工作/刊物有两个项目的支持，分别是TA´ MOP 4.2.1/B-09/1/KONV-2010-0007项目和TA´ MOP 4.2.4. A/1-11-1-20120001项目。材料这两个项目是由欧洲联盟和欧洲社会基金共同赞助的。参考文献1.Mar JD,利托夫斯基E,克莱曼J（2008）潮湿保温材料导电性和表观导热系数的建模和数据库

14、开发。J建立物理学报32（1）：9-312.Yucel KT，Basyigit C，OZEL C（2009）作为建筑和保温材料的发泡聚苯乙烯的保温性能 信息来源：.mk/al/wp-content/uploads/ 2009/06/Thermal-Insulation-properties. PDF 访问于2011年11月28日3.Hourston DJ，SongM，Hammiche A，波洛克HM，Reading M（1996）调制差示扫描量热法：聚苯乙烯物理老化的研究。聚合物37（2）：2432474.麦考密克 HW, 布劳尔FM, 健 L (1959) 分子量分布对聚苯乙烯物理性能的影响。J高分子学报39（135）：871005.Xiao M, Sun L, Liu J, Li Y, Gong K (2006) 聚苯乙烯/石墨纳米聚合材料的合成与性能。聚合物43（8）：224522486.摩根AB，哈里斯RH,柏木T，Chyall LJ，吉尔曼JW（2002）聚苯乙烯层状硅酸盐（粘土）纳米复合材料的易燃性：碳的形成。防火