絕熱材料最高使用溫度檢驗(yàn)方法的研究

郁佳胤(上海建科檢驗(yàn)有限公司，上海 201108)

1 引言

節(jié)能已成為世界關(guān)注的問題。絕熱保溫材料是節(jié)能措施的重要保證，其主要分為有機(jī)類、無機(jī)類和有機(jī)與無機(jī)復(fù)合類，品種主要包括聚苯乙烯泡沫板、硬質(zhì)聚氨酯制品、礦物棉、膨脹珍珠巖制品、膨脹蛭石制品、泡沫玻璃、硅酸鈣制品、復(fù)合硅酸鹽制品等。這些產(chǎn)品大多是由有機(jī)膠粘劑粘結(jié)而成，在高溫情況下易發(fā)生老化，所以對(duì)絕熱材料最高使用溫度的評(píng)估顯得尤為重要。

在GB/T4132-1996《絕熱材料及相關(guān)術(shù)語》[1]中，最高使用溫度（maximum service temperature）的定義：在保證正常使用的條件下，材料所能承受的最高溫度。由于最高使用溫度受到材料成分、厚度、使用環(huán)境、溫度梯度及高溫理化性能等多項(xiàng)因素影響，國際上目前還沒有一種統(tǒng)一的試驗(yàn)方法適用于所有類型絕熱材料的最高使用溫度測試。本研究嘗試設(shè)計(jì)一種絕熱材料最高使用溫度檢驗(yàn)設(shè)備及方法，以應(yīng)用于多種絕熱材料的檢測。

2 絕熱材料最高使用溫度檢驗(yàn)方法簡介

國家建材局標(biāo)準(zhǔn)化研究所李金平曾在《絕熱材料最高使用溫度測定方法及存在問題》[2]文中將最高使用溫度試驗(yàn)方法分成3 類:1)根據(jù)熱荷重厚度收縮率確定最高使用溫度；2)根據(jù)線收縮率確定最高使用溫度；3)根據(jù)抗壓強(qiáng)度收縮率確定最高使用溫度。

借鑒于國外發(fā)達(dá)國家及組織的絕熱材料最高使用溫度測試標(biāo)準(zhǔn)，筆者將最高使用溫度試驗(yàn)方法的分類方式歸納為以下三種。按照絕熱材料實(shí)際使用形式可分成板（塊）狀或管狀測試方法；按照加熱方式可以分為單面加熱和均勻加熱；按照測試方法原理又可以分為熱荷重收縮溫度試驗(yàn)方法、勻溫灼燒方法、熱表面特性實(shí)驗(yàn)方法。其中熱表面特性方法是模擬絕熱材料實(shí)際應(yīng)用情況，即其熱表面溫度接近最高使用溫度，冷表面在室溫附近（不超過90℃)，并持續(xù)96h 時(shí)間，觀察試驗(yàn)期間材料的變化和出現(xiàn)的現(xiàn)象，從而確定材料的最高使用溫度，表1 列出了幾種基于此原理的幾種具體測試方法。

3 設(shè)備及裝置

設(shè)備主要包括馬弗爐、熱荷重收縮測試儀、WRT-900 熱面特性試驗(yàn)儀、烘箱、導(dǎo)熱系數(shù)測試儀、游標(biāo)卡尺等。

其WRT-900 熱面特性試驗(yàn)儀是依據(jù)熱表面特性原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17430-1998[7]的要求。其爐體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，加熱裝置、硅碳棒支架及支撐桿由同質(zhì)耐熱不銹鋼制成，確保了金屬材料的熱膨脹系數(shù)一致，減少其在高溫下的變形。其加熱功率由可控硅供給。加熱裝置電偶訊號(hào)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)定時(shí)采集，并與給定（預(yù)定）值比較，確定并調(diào)節(jié)可控硅控制訊號(hào)，改變硅碳棒加熱管的加熱功率。

4 實(shí)驗(yàn)部分

4.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用編號(hào)為BW11-007-1、BW11-007-2的巖棉板、BW11-007-3 玻璃棉氈三種不同的絕熱保溫材料分別進(jìn)行熱表面特性試驗(yàn)、熱荷重法和加熱永久性試驗(yàn)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以對(duì)比其檢測結(jié)果。其中，熱表面特性試驗(yàn)和加熱永久性試驗(yàn)是在給定試驗(yàn)溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，熱荷重法是在一定載荷逐漸升溫條件下進(jìn)行試驗(yàn)的。

圖1 WRT-900 熱面特性試驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)圖

4.2 實(shí)驗(yàn)過程

熱表面特性試驗(yàn)：將標(biāo)準(zhǔn)試樣放在熱面特性試驗(yàn)儀的加熱板上，按一定的升溫速率對(duì)試樣加熱，加熱到設(shè)定溫度后保溫96h，觀察現(xiàn)象，記錄試件內(nèi)部及表面溫度變化，然后冷卻到室溫，觀察并記錄試樣在試驗(yàn)前后的性質(zhì)變化。更改加熱最高溫度，重復(fù)試驗(yàn)，以確定試樣的最高使用溫度。

熱荷重試驗(yàn)：在490Pa的壓力下測量試樣厚度后，將試樣放入加熱容器內(nèi)，荷重板和荷重棒在全部試驗(yàn)過程中施加在試樣上。由坩堝電阻爐直接加熱加熱容器，熱量通過加熱容器均勻地傳給試樣。不同種類的試樣，按給定不同的溫度程序進(jìn)行加熱，開始加熱時(shí)，加熱升溫速率為5℃/min，每隔lOmin 記錄一次溫度和顯示儀示值。當(dāng)溫度升到比試樣預(yù)定的最高使用溫度約低200℃時(shí)，加熱升溫速率3℃/min，每隔3min記錄一次爐內(nèi)溫度和顯示儀示值。直至試樣厚度收縮率等于或超過10%為止，試樣厚度收縮率d(%)計(jì)算公式如式（1）。

式中：A-室溫加荷重時(shí)試樣厚度（mm）；

B-溫度t 時(shí)試樣厚度（mm）。

加熱永久線變化試驗(yàn)法：在標(biāo)準(zhǔn)試樣上表面離邊緣10～15mm 處插入4 根鉑絲作為標(biāo)志，然后將試樣放入已預(yù)熱到試驗(yàn)溫度的加熱爐中。當(dāng)爐溫再達(dá)到試驗(yàn)溫度時(shí)，開始保溫，在試驗(yàn)溫度±10℃下保溫24h。冷卻后測量并計(jì)算試樣每一邊的加熱永久線變化Lc（%），計(jì)算公式如式（2）。

式中：Ln-加熱前試件鉑絲之間距離（mm）；

L0-加熱后鉑絲之間距離（mm）。

4.3 結(jié)果與討論

4.3.1 熱表面特性

由表3可看出加熱后所有試樣的質(zhì)量都降低，導(dǎo)熱系數(shù)都增加，而BW11-007-1 絕熱材料的厚度增加，BW11-007-2 和BW11-007-3 絕熱材料的厚度降低；BW11-007-1 絕熱材料的質(zhì)量及厚度變化率均小于5.0%，但導(dǎo)熱系數(shù)變化率大于5.0%，表明其材料最高使用溫度要略小于800℃；BW11-007-2 絕熱材料試驗(yàn)過程中出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，表明其最高使用溫度小于750℃；BW11-007-3 絕熱材料的各性能參數(shù)變化率均小于5.0%，其最高使用溫度可達(dá)到538℃；試驗(yàn)過程中試件表面溫度變化如圖2-4 所示，BW11-007-1、W11-007-2、W11-007-3 絕熱材料測試過程中各層溫度變化正常，沒有出現(xiàn)材料內(nèi)部溫度超過熱面溫度的現(xiàn)象，且與空氣接觸的最上層試件上表面溫度始終沒有超過90℃。

表1 幾種絕熱材料最高使用溫度測試方法對(duì)比[3-6]

圖2 BW11-007-1 試樣溫度變化曲線圖

圖3 BW11-007-2 試樣溫度變化曲線圖

圖4 BW11-007-3 試樣溫度變化曲線圖

表2 熱面特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4.3.2 熱荷重

圖5 熱荷重試驗(yàn)厚度收縮率曲線圖

三種絕熱材料的厚度收縮率與溫度關(guān)系圖如圖5 所示，可以看出，BW11-007-1、BW11-007-2 巖棉類絕熱材料的厚度收縮率曲線相似，在大約600～700℃發(fā)生突變，厚度降低很快，主要是由于材料內(nèi)部粘結(jié)劑揮發(fā)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，致使材料性質(zhì)發(fā)生了改變；BW11-007-3玻璃棉類絕熱材料的厚度收縮近似于線性變化，厚度比較均勻地降低，沒有突變發(fā)生，有較高的安全范圍。其厚度收縮率分別為10%、20%、30%時(shí)的溫度列于表3 中。可以明顯看出厚度收縮率從10%升高到20%及30%時(shí)，BW11-007-1 和BW11-007-2 絕熱材料溫度升高不是很大，溫差在25℃以內(nèi)，而BW11-007-3 絕熱材料的溫度變化較大，最大溫差達(dá)到了77℃。

表3 不同絕熱材料的收縮溫度值

4.3.3 加熱永久線變化

對(duì)于絕熱材料的加熱永久線變化，如參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16400-2003[8]的規(guī)定應(yīng)≤5.0%，但從表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表上可看出，BW11-007-1 和BW11-007-2 絕熱材料的加熱永久線變化都超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并且BW11-007-2 達(dá)到了16.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；而BW11-007-3 絕熱材料符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，加熱永久線變化只有1.1%。

表4 加熱永久線變化試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4.3.4 測試方法對(duì)比

熱表面特性測試和加熱永久線變化測試都是在相同的試驗(yàn)溫度下進(jìn)行的，其測試結(jié)果都表明BW11-007-1 絕熱巖棉板的最高使用溫度要略小于800℃，BW11-007-2 絕熱巖棉板小于750℃，而BW11-007-3 絕熱玻璃棉氈的最高使用溫度可以達(dá)到538℃。此兩種方法的測試結(jié)果比較一致，可綜合起來評(píng)價(jià)絕熱材料的最高使用溫度，加熱永久線變化可以作為絕熱材料最高使用溫度評(píng)價(jià)的一個(gè)方面。

從三種測試方法的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于BW11-007-1 絕熱巖棉板，熱表面特性測試和加熱永久線變化測試結(jié)果顯示其最高使用溫度略小于800℃，熱荷重測試結(jié)果顯示厚度收縮10%時(shí)的溫度為669℃，小于800℃，與熱表面特性測試和加熱永久線變化測試結(jié)果相符；BW11-007-2 絕熱巖棉板熱表面特性測試顯示試驗(yàn)中有冒煙現(xiàn)象，加熱永久線變化大于5.0%，表明最高使用溫度要小于750℃，熱荷重測試顯示厚度收縮10%時(shí)溫度為707℃，測試結(jié)果相一致；BW11-007-3 玻璃棉氈絕熱材料，熱表面特性測試和加熱永久線變化測試結(jié)果顯示使用溫度可達(dá)538℃，而熱荷重測試中試樣厚度收縮10%時(shí)的溫度為348℃，明顯小于538℃，即使厚度收縮率達(dá)到30%時(shí)，試件測試溫度也只有499℃，因此測試結(jié)果存在一定的矛盾性。通過三種測試方法的分析結(jié)果，無法得到一種絕熱材料最高使用溫度的具體值，只能得到一個(gè)定性的結(jié)果或溫度范圍，沒有一個(gè)能把三種方法統(tǒng)一起來的標(biāo)準(zhǔn)；熱荷重測試和加熱永久線變化測試只針對(duì)于材料變化的一個(gè)性質(zhì)，即最高使用溫度的確定只取決于厚度收縮率或永久線變化，并且只適合于某些種類的絕熱材料；而熱表面特性測試關(guān)注于多個(gè)性質(zhì)變化，綜合考慮多種性能，測試過程更接近于絕熱材料實(shí)際使用時(shí)的情況，并能測試多種類型的絕熱材料。

5 結(jié)論

使用三種測試方法對(duì)不同類型的絕熱材料進(jìn)行了最高使用溫度的試驗(yàn)研究，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和對(duì)比，得出以下結(jié)論：

1）巖棉板類絕熱材料的最高使用溫度要大于玻璃棉氈類絕熱材料最高使用溫度，巖棉板絕熱材料達(dá)到最高使用溫度后強(qiáng)度急劇降低，危險(xiǎn)性較大，而玻璃棉氈絕熱材料在達(dá)到最高使用溫度后強(qiáng)度降低比較緩慢，兩種絕熱材料強(qiáng)度的降低都是由于高溫時(shí)粘結(jié)劑揮發(fā)致使絕熱材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化所導(dǎo)致。

2）綜合三種絕熱材料最高使用溫度測試方法，熱表面特性測試技術(shù)更接近于絕熱材料實(shí)際使用時(shí)的情況，測試結(jié)果可以有效評(píng)價(jià)絕熱材料最高使用溫度，但國內(nèi)現(xiàn)在還沒有一個(gè)將熱表面測試技術(shù)與熱荷重測試技術(shù)相結(jié)合的測試標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)研究機(jī)構(gòu)和單位可以在此方面進(jìn)行深入研究。

[1]GB/T 4132-1996.絕熱材料及相關(guān)術(shù)語[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1996

[2]李金平.絕熱材料最高使用溫度測定方法及存在的問題[J].保溫材料與節(jié)能技術(shù),1993,(3):22-25

[3]ASTM C411-2005.Standard Test Method for Hot-Surface Performance of High-Temperature Thermal Insulation[S].

[4]ISO 8142-1990.Thermal insulation-bonded preformed man-made mineral fibre pipe sectionsspecification[S].

[5]BS EN 14706-2005.Thermal insulation products for building equipment and industrial installations-Determination of maximum service temperature[S].

[6]BS EN 14707-2005.Thermal insulating products for building equipment and industrial installations-Determination of maximum service temperature for preformed pipe insulation[S].

[7]GB/T 17430-1998.絕熱材料最高使用溫度的評(píng)估方法[S].

[8]GB/T 16400-2003.絕熱用硅酸鋁棉及其制品[S].