聚異三聚氰酸酯硬泡沫和彈性體發泡材料絕熱系統對比試驗

唐 浩

(阿樂斯絕熱材料廣州有限公司研發中心 廣州 511447)

聚異三聚氰酸酯硬泡沫和彈性體發泡材料絕熱系統對比試驗

唐 浩

(阿樂斯絕熱材料廣州有限公司研發中心 廣州 511447)

介紹了聚異三聚氰酸酯硬泡沫和彈性體發泡材料的生產工藝及性能數據，對兩種材料進行深冷低溫連續試驗、真空吸水率試驗和受力沖擊模擬試驗。觀察試驗現象記錄試驗數據，并比較兩種材料在深冷低溫下絕熱效果，防潮性和受力沖擊性能，分析了各自在使用上的優勢與不足。

泡沫絕熱材料 聚異三聚氰酸酯硬泡沫 彈性體發泡材料 性能特點 絕熱效果

06-0052-05

1 引言

目前絕熱工程中有機絕熱材料主要是聚異三聚氰酸酯硬泡沫、彈性體發泡材料和聚苯乙烯等，在低溫絕熱工程中，前兩種材料運用較為廣泛。本文在3個不同試驗研究基礎上，對聚異三聚氰酸酯硬泡沫和彈性體發泡材料絕熱系統(以下簡稱彈性絕熱系統)特點和優劣做出比較分析。為LNG裝置及其它低溫設備絕熱材料選擇使用提供理論數據參考和低溫環境模擬演示，有助于設計人員和用戶經濟有效地選用絕熱材料，以降低成本節約能源，提高裝置生產效率。

2 試驗材料介紹

聚異三聚氰酸酯硬泡沫和彈性體發泡材料按結構分類，都屬于多孔類絕熱材料，也稱泡沫絕熱材料。這是一種固體基質連續而氣孔不連續的絕熱材料，在生產過程中利用發泡劑等物質產生氣泡，形成許多孔隙將空氣隔絕。在封閉狀態下空氣的導熱系數為0.023 W/(m·K)，小于0.064 W/(m·K)(保冷材料的平均溫度低于27℃時，其導熱系數不應大于0.064 W/(m·K)［1］，因此，泡沫絕熱材料內部隔絕的空氣使整個材料成為絕緣體，具有絕熱功能［2］。

聚異三聚氰酸酯也稱聚異氰脲酸酯，Polyisocyanurate，簡稱PIR，系由異氰酸鹽(Isocyanate)經三量化觸媒作用后與聚醚為主原料，再加上觸媒、防火劑及環保型發泡劑，經專門配方和嚴格工藝條件下充分混合、反應、發泡生成的泡沫聚合體。PIR具有獨立的密閉細胞結構，適用絕熱溫度范圍-196℃—+120℃，可以用于LNG、液態乙烯、液化空氣、LPG冷庫、液態CO2、液氨等能源化工介質或建筑物或空調暖通。PIR密度小質量輕，但表面很容易產生粉塵，所以安裝人員需要佩戴呼吸防護用品以減少吸入粉塵［3］。

彈性體發泡材料以橡膠為基材，加入發泡劑、阻燃劑和硫化劑等添加劑，經過密煉、開練、冷卻、擠出和發泡之后，內部產生許多封閉的小氣孔，從而具有絕熱效果，有板材和管材2種，厚度(管徑)可以根據需要生產。彈性體發泡材料是一種柔性材料，具有很好的伸縮回彈性，現場使用刀具和膠水進行裁剪包裹和粘貼即可安裝，施工非常方便。

彈性體發泡材料D采用耐低溫的二烯烴聚合物橡膠為基材，該共聚物是一種飽和橡膠，主鏈是由化學穩定的飽和烴組成，只是在側鏈含有不飽和雙鍵，分子鏈在寬的溫度范圍內保持柔軟，因此該產品在低溫下維持柔性，可大幅減少溫度應力。彈性體發泡材料T以NBR丁腈橡膠聚合物為基材，經過一系列加工制造而成。丁腈橡膠是由丁二烯(CH2=CH-CH=CH2)和丙烯腈(CH2=CH-CN)經乳液共聚而制得的一種高分子彈性體。丁腈橡膠以優異的耐油性著稱同時耐磨性較高，耐熱性較好，粘接力強。其缺點是耐低溫性差、耐臭氧性差，電性能低劣，彈性稍低［4］。表1為PIR和彈性體發泡材料物理性能，PIR硬泡沫和彈性體發泡材料都是有機高分子材料，這使它們在防火測試上無法與無機絕熱材料比較。但在生產過程中，在配方中加入適當配比的阻燃劑可以有效地提高它們防火性能。

表1 PIR和彈性體發泡材料物理性能參考Table 1 PIR and flexible foamed material physical properties reference

3 試驗方法說明、操作和試驗結果

3.1 深冷低溫下絕熱效果試驗

深冷低溫下絕熱的目的是為了減少冷量損失(熱量侵入)或控制冷量損失，確保保冷層外表面溫度高于環境的露點溫度，防止外表面結露維持設備管道正常運行。同時，可以節約能源，提升設備生產能力并且改善勞動條件防止操作人員凍傷［2］。

3.1.1 試驗方法及操作

本試驗裝置是由杜瓦瓶和一根外徑為89 mm的水平不銹鋼304管(其中用于試驗的部分長度為2.1 m)以及安裝在該段管上的壓力表和閥門組成，壓力表用來監測管道內壓力，通過調節閥門改變液氮流量控制溫度。配上熱電偶和無紙化記錄儀監測讀取溫度數據。

試驗時，通過金屬軟管將杜瓦瓶與不銹鋼管連接，之后打開杜瓦瓶出口閥使液氮進入不銹鋼管。液氮的沸點是-196℃，進入不銹鋼管的液氮使不銹鋼管外壁溫度下降，利用熱電偶監測溫度變化，通過無紙化記錄儀讀數。當溫度降到 -165℃時，保持-165℃ ±10℃不少于24個小時使材料冷透，然后觀察材料表現并記錄數據，進行絕熱效果比較。

圖1所示為在試驗中(環境溫度32℃，濕度54%)所使用的材料樣品，分別是:(1)厚100 mm，長1 000 mm的PIR硬泡沫，內外各放1個熱電偶;(2)彈性絕熱系統，這個系統由一層D材料加3層T材料組成。內層D材料確保系統深冷低溫下優良的機械性能，外層T材料卻確保系統卓越的絕熱性能和良好的經濟效益。具體為:厚13 mm，長為1 000 mm的彈性體發泡材料D安裝在最內層，外面再包裹3層彈性體發泡材料T，每層厚度25 mm，長度分別為800 mm，600 mm和400 mm，不同的長度為了便于觀察各層在試驗時變化，系統總厚度為13+25×3=88 mm，最內層和最外層各放1個熱電偶，共2個，如圖2所示裝在不銹鋼管上。

圖2 安裝在管道上的泡沫材料，聚異三聚氰酸酯硬泡沫和彈性絕熱系統Fig.2 Installed foamed materials，polyisocyanurate solid foam and flexible foamed material insulation system

3.1.2 試驗結果

圖3是從無紙化記錄儀截取兩種材料由內層到外層溫度的顯示。第一行是PIR硬泡沫部分溫度，內層為-167℃，外層為33℃，并且外表面保持干燥。第二行是彈性絕熱系統溫度，內層為-167℃，外層為32℃。系統中最內層和次內層外表面結露，第三層和第四層外表面一直保持干燥狀態。表面結露是因為表面溫度低于當時露點溫度，說明厚度為D13 mm+T25 mm不能滿足當時工況下的絕熱要求，需要增加保溫層厚度。考慮到54%的濕度是一個相對平均值較低的濕度，所以試驗中在38 mm厚度基礎上多增加了50 mm的彈性體發泡材料T。

圖2 無紙記錄儀讀數Fig 2 Record data

圖4 試驗前后安裝在管道上的PIR對比Fig.4 Comparison of PIR before and after test

圖5 彈性體發泡材料D帶壓安裝示意圖Fig.5 Installation sketch map of flexible foamed material

試驗中進一步觀察兩種材料，由于熱脹冷縮原因，PIR和彈性絕熱系統均有一定程度收縮。通過圖4可以看出，PIR在試驗前后收縮很明顯，需要采用軟質材料做伸縮縫處理，否則接縫處由于熱脹冷縮會產生收縮導致開裂，影響保冷效果［5］。彈性體發泡材料遇冷也存在收縮問題，但因其具有很好的彈性，在安裝時只需按推薦的預留長度，采取帶壓的方式進行每層彈性體材料安裝，即可解決系統的收縮問題，參看圖5彈性體發泡材料D帶壓安裝示意圖。

3.2 真空吸水率試驗

真空吸水率原理:閉孔材料指閉孔率達90%的材料。因此，將其浸泡在水中時，只是在表面被切開的氣孔里和少部分開孔里積水，由于氣孔微小，水不易充滿孔隙，而在一定的真空度下，水可迅速進入孔隙，從而快速、準確達到測量目的［6］。

按照GBT/17794-2008所示方法，對PIR和彈性體發泡材料T進行真空吸水率測試。需要說明的是:GB/T17794-2008適用于柔性泡沫橡塑絕熱制品，試驗所用PIR不屬于該類制品。但根據真空吸水率測試原理，結合SH/T3522-2003對絕熱材料防潮要求，真空吸水率測試結果可以作為對兩種材料防潮性能的一個參考。

依照GB/T17794-2008所示方法，PIR和彈性體發泡材料T真空吸水率分別為46.51%和3.92%。

3.3 受力沖擊試驗

模擬在絕熱材料使用過程中可能受到外力作用沖擊的情況，例如人為踩踏或工具雜物掉落。試驗時用一個橡膠錘用力快速敲擊3種絕熱材料，觀察試驗現象并進行力學性能比較。如圖6所示，PIR在受到橡膠錘用力快速敲擊后外表面損壞嚴重，彈性體發泡材料表面則沒有太大變化。

圖6 受力沖擊試驗前后對比Fig.6 Comparison of PIR before and after force impact

4 結果分析

4.1 深冷低溫下絕熱效果比較分析

PIR硬泡沫和彈性絕熱系統安裝在-165℃管道表面24小時之后，兩種材料本身都無異常，說明它們都可以在-165℃環境中使用，這個溫度也接近LNG的液化溫度。兩種材料最外層溫度分別為:33℃和32℃都接近當時的環境溫度，說明在溫度-165℃外徑89 mm的管道上，厚度100 mm的PIR和厚度為88 mm的彈性絕熱系統具有相同的絕熱效果。結合圖7可以看出，在深冷環境下彈性體發泡材料D導熱系數呈線性陡降趨勢，與PIR導熱系數實際非常接近，因此液氮管路安裝厚度也接近。在低溫管道上使用絕熱材料減少了工作中冷量的損失以及防止操作人員凍傷。在實際工業絕熱運用中，因管內介質溫度不同，管道直徑大小不等長短不同，具體的絕熱材料包裹厚度，需要根據給定的條件進行計算。

圖7 導熱系數與溫度對應曲線Fig.7 Corresponding curve between thermal conductivity and temperature

4.2 防潮性能比較分析

絕熱工程如果受潮內部就會有大量水汽滲入，產生凝結水或結冰現象，以致絕熱材料的導熱系數增大絕熱效果急劇下降。PIR較彈性體發泡材料T更易吸水，所以在使用時對防潮層要求非常高，常用石油瀝青或改性瀝青玻璃布、石油瀝青瑪蹄酯玻璃布等做防潮層［2］。彈性體發泡絕熱系統在安裝時，需要在粘接處滿涂膠水，層與層之間端頭再涂5 cm長膠水，不再需要額外防潮層便可有效防止潮氣侵入。

4.3 受力沖擊性能比較分析

PIR在受到一定外力沖擊下不能及時分散外力，其外表面損壞嚴重，空氣中水汽會很快侵入PIR內部，這樣會嚴重影響其絕熱效果;彈性體發泡材料內部有很多獨立封閉的小泡孔，在受力沖擊時每個獨立的小泡孔都能吸收分散外力，在整體上表現為回彈收縮。所以其形狀不受破壞內部泡孔保持完好，因此絕熱效果也不會受到影響。

5 結語

通過上述3個試驗，更進一步了解PIR和彈性絕熱系統性能。由于各PIR生產廠家原材料和生產工藝不同，PIR性能也不完全相同。單從絕熱性能比較，PIR在低溫下導熱系數低于彈性體發泡材料，但其吸水率較大，受外力沖擊表面容易受到破壞，所以施工時在防護防潮層和接縫處需要做一些特殊處理。

彈性絕熱系統有著優異的防水防潮性能，并且柔軟。受外力沖擊可以均勻分散外力起到保護表面的作用。在絕熱效果方面，88 mm厚度的彈性絕熱系統與厚度100 mm的 PIR，在外徑89 mm介質溫度-165℃的管道上具有相同的絕熱效果。由于彈性體發泡材料是以橡膠為基材制造而成，長時間暴露在陽光下使用一段時間后會出現老化，所以在使用時還需在外層加上一防護層，防止陽光直接照射，延長使用壽命。目前，中國大連LNG項目和山西晉城液化天然氣工廠已經采用了彈性絕熱系統。

1 國家技術監督局，中華人民共和國建設部.工業設備及管道絕熱工程設計規范(GB/T50264-1997)［S］.北京:中國計劃出版社，1997.

2 張德姜.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊(第4版)［M］.北京:中國石化出版社，2009.

3 朱呂民，劉益軍.聚氨酯泡沫塑料(第3版)［M］.北京:化學工業出版社，2005.

4 謝遂志，劉登祥，周鳴岱.橡膠工業手冊(修訂版第一分冊)［M］.北京:化學工業出版社，1989.

5 張敏丹.LNG低溫輸送管路的絕熱保冷［J］.深冷技術，2005(5):18-21.

6 中國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.柔性泡沫橡塑絕熱制品(GB/T17794-2008)［S］.北京:中國標準出版社，2008.

7 中國國家發展和改革委員會.石油化工隔熱工程施工工藝標準(SH/T3522-2003)［S］.北京:中國石化出版社，2003.

Comparison test of insulation system about polyisocyanurate solid foamed and flexible foamed material

Tang Hao

(Armacell Insulation Material Guangzhou Co.，Ltd.，Guangzhou 511447，China)

Production technology and performance data of polyisocyanurate solid foam and flexible foamed material were introduced.Cryogenic testing，vacuum water absorption test and simulating force from point impact test of the two insulation materials were conducted to compare insulation effect，moistureproof and anti-impact capabilities.The properties data were combined，advantage and disadvantage of the two materials in usage were analyzed.

foamed insulation materials;polyisocyanurate solid foam;flexible foamed material;performance;insulation effect

TB64

A

1000-6516(2011)

2011-08-01;

2011-09-16

唐 浩，男，29歲，助理工程師。