建筑用含PEG硬質聚氨酯泡沫材料的性能研究

劉廣斌

(楊凌職業技術學院，陜西 楊凌 712100)

聚氨酯在建筑節能中的應用雖然廣泛，但也存在價格高、煙霧毒性大、消防安全等問題。毫無疑問，高隔熱、防火、低煙密度的硬質聚氨酯泡沫塑料保溫品是我們追求的目標。聚乙二醇(PEG)化合物和混合物具有許多特性，使其適用于建筑物的熱應用，如具有高熔融熱、相變重復性、化學穩定性、無腐蝕性和低成本。

本研究的目的是開發一系列與3種類型的PEG結合的聚氨酯硬質泡沫塑料，作為具有增強熱容的新型隔熱材料。為了研究聚乙二醇(PEG)聚氨酯泡沫塑料的熱性能，首先進行了差示掃描量熱儀(DSC)測試，通過與相應的PEG值進行比較，為產品的實際增焓提供信息。然后，在考慮室內與環境可能相互作用的模擬實驗室條件下，設計了一個雙層混凝土-聚氨酯泡沫塑料系統，利用對模擬環境溫度變化敏感的計算機輔助熱測量裝置，檢測了該應用的不同系統組合的保溫性能。此外，還對PU-PEG復合材料的滲漏性進行了測試，以探究其耐久性。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

3種型號的聚乙二醇，分別是PEG600、PEG1000、PEG1500，都是默克公司生產的分析純化學品。PU泡沫塑料的厚度為0.02 m，密度為18 kg/m。以0.1 mol/L甘油醛為粘結劑。此外，硅酸鹽水泥和骨料被用于混凝土容器的設計。

1.2 實驗方法

聚乙二醇浸漬聚氨酯泡沫塑料的研制

制備每個PU泡沫樣品以覆蓋混凝土容器的側面和底部，然后將其保持在60 ℃以防止其在聚乙二醇浸漬完成之前受潮。制備質量分數為30%的PEG水溶液。將50 mLPEG等分試樣與2 mL 濃度0.1 mol/L甘油醛充分混合，然后使用自動移液管將其逐滴添加到泡沫中，以使液體混合物均勻分布在表面上。通過添加50 mL水和2 mL甘油醛溶液制備PU對照樣品。通過在表面上滾動載荷為10 N的不銹鋼圓筒5 min，保持PEG溶液均勻鋪展到PU泡沫結構中。之后，所有試樣保持在5 ℃過夜以改善結構中共價鍵的結合。接下來，將樣品放入粗濾紙中，在10 N的相同負載下等待1 h，以去除多余的水相。最后在20℃下將試樣置于空氣環境中2 d。

DSC測試

為了表征純PEG和含有PEG的PU泡沫的熱性能，在Perkinlemer型DSC上進行分析；在認可的實驗室條件下，對儀器進行了重新校準，以便在不同的大氣中進行測量。在PEG分析過程中，將試樣氮氣以10 ℃/min的升溫速率從5 ℃加熱到60 ℃，以觀察它們在無氧環境下的實際相變焓。對每個PEG進行3次DSC分析，通過DSC測試了4種不同的PU-PEG復合材料。以△值表示相變焓，該值由計算的能量面積(單位：mJ)除以樣品質量(單位：g)得出，樣品質量是直接從DSC分析中獲得的。

計算機輔助熱測量裝置

(1)模制混凝土容器。將硅酸鹽水泥、細骨料和水按2∶6∶1的比例混合，然后將混合物倒入雙壁空心圓柱形模具中，以建造混凝土容器。養護1個月后，獲得的混凝土質量為859.8 g，密度為2 400 kg/m，內部容積為232.3 cm，比熱容0.750 J/(g·℃)，導熱系數1.6 W/(m·K)取自類似密度混凝土的文獻。用于關閉容器的蓋子(62 g)和用于防止水滲入混凝土的內部覆蓋物(17 g)均由PET組成，比熱容1.03 J/(g·℃)，導熱系數0.151.6 W/(m·K)；

(2)熱測量裝置。為預測所開發的PU-PEG復合材料對系統隔離的貢獻，與混凝土本身或混凝土與PU控制組合所實現的隔離進行比較，恒定加熱條件以2 ℃/min、100 r/min的轉速攪拌。測量裝置的熱電偶用于測量外表面溫度，以便在相同的初始和最終溫度下開始和結束每個試驗，該溫度幾乎等于開始時的環境溫度。具體而言，通過同時記錄內介質和外表面的溫度開始試驗，直到達到后者的預定最終溫度。根據相應的內部介質溫差，水的比熱容4.18 J/(g·K) 并對其質量(220 g)進行了計算，估算了內部介質的焓變。這種方法允許根據水當量值比較內部介質的焓變化，這是量熱型實驗中的一個相關和一般過程。因此，可以在受控條件下進行試驗，即恒定加熱和攪拌、恒定水質量、熱電偶的精確定位，以及在溫度(20±2)℃和相對濕度(65±5)%的標準大氣條件下測量預定外表面。

泄漏試驗

通過離心剪切力試驗研究了泡沫的泄漏行為。將含有PEG的PU片材切成約2 g的小塊，將制備好的樣品和10 mL水放入試管中，在室溫下以轉速400 r/min離心4 h，之后在冰箱溫度4 ℃條件下儲存過夜；然后目視檢查上清液是否存在油-水相分離，由此判定是否存在PEG泄漏。

2 結果和討論

2.1 聚乙二醇的熱性能

PEG600、PEG1000和PEG1500的樣品質量分別為21.8、12.1和9.2 mg時，DSC結果如圖1～圖3所示。其相變的△值都相當大，因此PEG適合吸熱或放熱。3次加熱后，所有3種PEG的熔融焓和相變溫度值幾乎保持不變，表明它們的熱循環穩定性對于作為PCM長期使用至關重要。

圖1 PEG600在10 ℃/min升溫下連續3次加熱的DSC圖Fig.1 DSC graph of PEG600 heated at 10 ℃/min for three consecutive heatings

圖2 PEG1000在10 ℃/min升溫下連續3次加熱的DSCFig.2 DSC graph of PEG1000 heated at 10 ℃/min for three consecutive heatings

圖3 PEG1500在10 ℃/min升溫下連續3次加熱的DSC圖Fig.3 DSC graph of PEG1500 heated at 10 ℃/min for three consecutive heatings

2.2 PU-PEG復合材料的DSC分析結果

圖4(a)～(d)顯示了含有PEG的硬質PU泡沫材料的DSC結果。獲得的PUⅠ～PUⅣ的DSC相變區間與PEG600、PEG1000和PEG1500的相變區間一致，并且觀察到的焓變化是不同的。與PEG相比，相變間隔的變化可歸因于由不同特性材料組成的混合結構的響應。圖4(a)～(c)中PUⅠ～PUⅢ的DSC曲線顯示了相當大的焓值，即62.3、76.7和138.1 J/g，與PEG 600、PEG1000和PEG1500的DSC結果相當，在硬質PU泡沫材料中混合3種不同的PEG會導致相變區間范圍加寬，PEG在復合結構中成功地實現了相變，并顯著地決定了最終材料的蓄熱能力。

(a)PEG600(PUⅠ，樣品質量為4.49 mg)

2.3 計算機輔助熱測量結果

圖5為總結了模擬試驗系統中開發的PU-PEG復合材料的熱行為，TC、TPU和TPUⅠ/TPUⅡ/TPUⅢ/TPUⅣ被不同的系統包圍，即單獨的混凝土、PU控制覆蓋混凝土和PUⅠ～PUⅣ泡沫覆蓋混凝土。當僅將混凝土用作內外介質之間的界面時，與混凝土的導熱系數相關，內介質的溫度與外表面的溫度平行升高。在聚氨酯泡沫包圍的系統中，水溫(TPU)保持在相當窄的范圍內，例如從5.8～13.5 ℃、針對外部溫度的巨大變化，比如從22.3～51.6 ℃、根據泡沫的絕緣功能，夾帶大量靜止空氣，其特征是TPU曲線隨時間變化的斜率，低于TOS和TC；結果如圖5所示。

圖5 PU-PEG復合材料包裹混凝土容器的溫度-時間曲線與單獨混凝土和PU控制泡沫覆蓋混凝土的溫度-時間曲線比較(升溫速率2 ℃/min)Fig.5 Comparison of temperature-time curves of PU-PEG composite-wrapped concrete container with that of concrete alone and PU-controlled foam-covered concrete(with a heating rate of 2 ℃/min)

由圖5可以看出，在PU-PEG復合材料覆蓋的所有系統中，當以恒定速率加熱時，內部溫度在一定的溫度區間內幾乎保持不變，其與時間水平軸的平行線或多或少。當外表面溫度從22.3 ℃變為35.6 ℃時，在含有44%PEG 600的PUⅠ試驗中，所提供的隔熱變得明顯，與PCM本身以及復合PUⅠ的相變間隔一致；水溫保持在非常低的值0.9～1.0 ℃，略有變化1.0～1.3 ℃。在此期間，外表面溫度進一步升高至51.6 ℃，這與結構中的PCM內容相關；表明可以通過一些PEG600分子的固-液相變發生的熔融潛熱以及其液相吸收的熱量來實現。在對PUⅡ～PUⅣ進行的試驗中，對于35.6～51.6 ℃的較高外表面溫度，所需的熱緩沖效果甚至是明顯的。因此，這些結果與DSC結果一致，表明在22 ℃以上有較大的熔融潛熱，具體如圖4(b)～(d)所示。

2.4 PU-PEG復合材料的泄漏檢測

泡沫樣品的泄漏行為是決定潛在應用和耐久性的重要特性。離心剪切力試驗后，在溫度4 ℃的上清液中未檢測到油-水相分離，從而驗證了復合樣品的耐泄漏性。此外，在12 kPa靜載荷下壓縮樣品2 d后，未觀察到含有PEG的PU泡沫的質量有顯著變化，濾紙上也沒有明顯的PEG污漬。說明PEG改性的硬質聚氨酯復合泡沫材料中的PEG不會發生泄漏。

3 結語

在這項研究中，測試了一種將PEG作為PCM集成到泡沫型絕緣材料中的新方法。使用了3種不同型號的PEG，因此這些開發的材料可能具有不同的熔化溫度范圍。對PU-PEG復合材料的DSC分析表明，在一定的溫度區間內，PU-PEG復合材料具有較高的熱焓，表明PEG的加入可以提高PU泡沫的吸熱/釋放能力。對新材料的熱分析也證明所含的PCM都是活性的，所制備的PU-PEG復合材料有助于隔熱材料的設計。此外，含有PEG的PU泡沫塑料可以被認為是防漏的，這對其工業應用是有希望的。在我們的特殊裝置中，觀察到與純絕緣材料相比，熱緩沖增強。通過在試驗系統中用PU-PEG復合材料包裹混凝土，降低了外部環境的傳熱，從而將內部溫度變化降至最低。在非隔離容器中測量的內介質溫差△為32.6 ℃；而在所有其他隔離容器中，內部介質的溫度變化非常小，聚氨酯復合材料樣品PUⅠ～PUⅣ的內介質溫差△分別為0.4、6.8、0.2和5.6 ℃。

由此可得出，含有53%PEG1500的PUⅢ在各個方面都表現出令人滿意的性能，并且具有適合進一步工業應用的蓄熱和熱穩定性特征。含有38%PEG600/PEG1000/PEG1500的PUⅣ樣品也顯示出良好的熱特性和耐久性。當外部溫度升高或降低時，3個PEG的混合物適用于防止不連續的熱調節。PUⅠ在中等環境溫度條件下表現出相當有效的熱調節；而PUⅡ適用于溫和和炎熱環境中的溫度控制。含有PEG的PU泡沫塑料可以被認為是防漏的，這對于含有PEG的PU的工業生產是有希望的。在混凝土墻體模擬實驗中測得的熱容值驗證了這些樣品的增強熱容。總之，PU-PEG泡沫塑料復合材料被認為是設計不同形式建筑物保溫隔熱系統的理想材料。