开孔聚氨酯真空绝热板

原创 节能专员立青   绿建节能方向标  

北京市居住建筑节能设计标准要升级为80%标准了，相信很多节能届朋友都投入了很大的关注，有人欢喜有人忧。标准升级了，有些厂商的产品不够格，面临淘汰的风险。而有些走高端产品路线的企业，则急切的期盼着这份标准的落地执行，好让自家的产品在短期内有更多的应用机会。

保温材料越厚，得房率越低。

咱们知道，北京市推广被动式超低能耗建筑，超过当地基准节能标准的保温厚度以上的部分，不再计容。那么，在基准节能标准以内的部分，保温厚度仍然要计容。也就是说，你的项目，不管是设计了110mm厚的聚苯板，还是130mm厚的岩棉条，这个厚度是要计入建筑面积的，要计入到销售房屋的面积里。北京市的房价如果是6万元一个平方，那么外保温厚度增加引起的面积有一个平方，就相当于多花6万块钱来购买这个外保温系统，可能你们家外墙外保温的工程造价不过才一万块钱。下面是对比了在建筑面积同为100平方米的情况下，不同的保温材料厚度对建筑面积的影响，为了便于计算，咱们没有考虑公摊面积，只计算了保温厚度。

可见，选择不同保温厚度，在100平方米的建筑面积情况下，大约会有一个平方的建筑面积的影响。不算很大，对于单独的业主来说，这点面积还是能够承受的了。不过，现实中大多数户型设计不像上面这个简图四四方方，得房率有这么高。现实的建筑，平面布局比较复杂，因为增厚保温所带来的建筑面积影响比这个要大，可能有三个平方的面积损失。

可以预测，这份标准开始执行后，将会促使设计师们，在建筑体型设计（外表系数控制）以及保温材料选型方面下更大的功夫。只要北京市不出台“保温厚度不计容”的正式规定，咱们就得考虑保温厚度对建筑面积的影响。高性能保温材料的选择越来越成为设计师们青睐的产品。

传统的保温材料是通过增加气相空隙率、减小导热系数和换热系数来实现隔热的机理。真空绝热板（Vacuum Insulated Panels，VIPs）是一种新型高效的绝热保温材料，以真空技术为基础，增加其传热热阻为普通绝热材料的5~8 倍，其导热系数可低达0.002~0.004 W/(m·K)，具有良好的绝热性能。VIPs 不含消耗臭氧层物质（ODS），对环境的污染小、高效节能、优良的绝热性能使其成为当前世界上最先进的保温材料。

开孔聚氨酯是真空绝热板普遍采用的一种芯层材料

微尺度空间结构

开孔聚氨酯泡沫由固体基质和泡孔组成，在开孔剂作用下，材料内部会出现大量连续分布的泡孔，泡孔与泡孔之间相通。孔隙中的气体可以在泡孔流动中，便于驱除固封在泡孔中的发泡剂及水蒸气等，由于泡孔之间相互连通，有助于驱除泡孔中的气体。泡孔的固体基质部分有一定的机械强度，在抽真空时起支撑作用避免塌陷。

此类型的聚氨酯硬质泡沫可用于作为真空绝热板的芯材，广泛应用于绝热保温领域中。如图1 所示为扫描电子显微镜拍摄的开孔聚氨酯硬质泡沫的微尺度空间结构。由图1 可知，该材料的微观结构由泡孔和固体填充基质组成。泡孔大多呈椭球形，分布较连续，孔径集中在120μm~210 μm，平均骨架长度为110 μm。

开孔聚氨酯泡沫真空下等效导热系数

理论计算与实验结果的比较

本文选择厚度为20 mm，开孔率为98%，孔径为130 μm、150 μm、170 μm、190 μm、210 μm 的开孔聚氨酯泡沫编号为No.1、No.2、No.3、No.4、No.5 进行理论计算和实验。理论值按照式(13)计算，实验选定上述开孔聚氨酯泡沫为芯材制作了5 块真空绝热板，聚氨酯泡沫固体基质导热系数λfoam=0.5832 W/(m·K) ， 空隙中空气的导热系数λ0=0.0229 W/(m·K) ， 样板导热系数参照标准GB/T 3399-2009，采用热平板保护法测取。

设置热板水浴温度为35 ℃，冷板水浴温度为15 ℃。实验中忽略边界热桥效应的影响，测得的导热系数为真空绝热板中心区域导热系数。由于真空绝热板板内终压与设定值之间存在偏差，文中采用反真空法测取和标定板内的终压。表1 所示为实验结果，并对比分析理论计算和实验测试结果。

由表1 可知，当压力低于25 Pa 时，VIPs 的导热系数计算值和实测值之间相差不大，基本在5%以下。当板内的压力大于100 Pa 后，实际测量VIPs导热系数急剧增加。且实测值与理论计算值之间的偏差随着板内压力的上升而增大。综上所述：当VIPs 内气体压力较低时，理论模型和实测值基本吻合，随着压力的上升，理论计算和实验结果均存在相同的压力变化趋势。

具有优良的缓冲抗震性能、成型迅速、操作简单、易于成型。

现场发泡可按物品的形状成型，因而不需要模具或只需要简易木模，有效地降低产品运输中的破损率。

北京电子工艺技术研究中心1985年研制成功GF-1自清洁、温控聚氨酯发泡机；BTR-9聚氨酯包装组合料（密度9kg/m3），1990年BTR-6,1993年BTR-6FF（全水体系）

包装料配方：330N          24.9

                     835DL        22.4

                     L-580        1.39

                     C-174       0.99

                     DabcoT     1.29

                     DEOA        1.19

                     Z1             12.97

                     Z2             14.9

备注：Z1：司盘80+水；Z2：704+水。配方设计思路：1、软泡（高回弹）聚醚+硬泡聚醚（一直以来，包装料被称为“半硬泡”（国内），采取的技术路线，需要解决聚醚分层问题）2、硬泡聚醚（国外资料显示，包装料归于硬泡类，实践结果：完全可以做到，没有分层的“麻烦”）

聚氨酯包装料的话题可做专辑分享

钢/聚氨酯/钢复合板材是由钢板、聚氨酯、钢板组成的三层结构复合材料。其上下为钢板, 相对较薄, 中间为聚氨酯芯层, 厚度相对大。表层的作用主要是提高板材的拉伸强度、表面抗冲击能力以及分布载荷的作用;芯层的主要作用在于保证强度的情况下减轻质量, 提高弯曲刚度。该板材兼有所构成复合结构钢板材金属的优点, 并同时具有比强度高、比刚度大、密度低、减振、隔音隔热、抗疲劳、耐腐蚀等优点, 是其他板材所不具有的, 可作为能承受较大外力的结构组件, 可以替代钢质构件广泛地应用于国防军事( 航空母舰)、航空航天、船舶制造、汽车、桥梁、建筑、海洋钻井平台、电机电器以及道路交通等领域, 具有广泛的应用前景。

钢/聚氨酯/钢复合板材的制造

钢板的准备

对试验用钢块分别采用溶剂清洗、喷砂及等离子表面处理, 其中溶剂采用三氯乙烯除去表面油脂后烘干备用;喷砂处理采用粒度均匀、硬度高、磨削力强、颗粒形状呈等积状的金刚砂作为磨料, 在0.6 ～0.7 MPa 压力下做喷砂处理, 其粗糙度应至少达到60μm, 清洁度为Sa2.5 ;等离子表面处理采用大气低温等离子处理机进行。实验主要参数为:射频电压AC220 V ( ±20 %) , 频率:30 ～ 50 kHz, 气体流率0.30 mL/min, 处理时间3 min 。

钢/聚氨酯/钢复合板材的制造

将聚氨酯黏液快速搅拌混合, 脱泡后浇注到由表面处理好的钢板围成的模具中, 由于聚氨酯的加聚反应放热, 体系温度上升并达到凝胶状态, 室温下静置24 h 后完成固化, 测试前在室温下熟化一周可以保证聚氨酯的二次反应完全并且建立微相结构。

钢板表面处理工艺对钢/聚氨酯/钢复合板材黏合性能的影响

作为结构材料, 钢/聚氨酯/钢复合板材应具有很高的承载能力。在夹层复合板材中, 作为芯材的聚氨酯起连接上下金属层板的作用, 传递金属面板所承受的剪切力, 使芯材和金属板成为一个整体来承受复合层板可能承受的全部载荷, 因此聚氨酯和钢板间的良好的黏合性能至关重要。

复合板材层与层之间的黏合强度越高, 复合板材制品的综合性能越好。复合板材承受载荷的能力在很大程度上和表层与芯层黏合强度有关, 黏合强度越大承受载荷的能力越强。表层与芯层间的黏合强度也是影响复合板材疲劳性能的一个重要因素, 其黏合强度越高, 复合板材的抗疲劳性能越好。复合板材的脱层缺陷的产生主要是由于每层的变形的微观模式不同而造成的, 提高层与层之间的黏合强度, 在一定程度上可以控制脱层缺陷的产生。而材料间的黏合性能则与钢板表面状态紧密相关, 因此钢板表面处理工艺是制造钢/聚氨酯/钢复合板材的关键工艺之一。

由表3 中数据可见, 溶剂清洗、喷砂及等离子表面处理三种处理方式中以等离子处理后的钢板黏合效果最佳。究其原因在于, 即便经过溶剂清洗, 钢板表面仍然有可能残留少量有机污染物和清洗用的溶剂以及氧化膜, 难以得到满意的黏合强度。喷砂处理能够清除金属表面的锈层杂质, 露出新鲜表面, 增加表面粗糙度, 即增加其表面积, 有利于聚氨酯浇注时对其钢板表面的浸润, 使黏合强度有较大幅度的提升, 但是喷砂工艺带来的

大量砂、锈和有机物等粉尘, 不仅污染环境, 而且不利于施工人员的身体健康而难以获得大规模应用。等离子处理后的钢板表面能明显增大(从35 ～ 40 J/m2 提高到60 ～ 70 J/m2) , 而且由于等离子体对钢板表面的轰击、刻蚀去除钢板表面的污染物, 并借助化学反应提高钢板表面的清洁度, 改善聚氨酯与钢板间范德华力的形成。其中图2 中等离子处理前后基材表面谱图在碳氢化合物的典型伸缩振动吸收峰3 100 ～ 2 800 cm-1

处的改变, 进一步证实了等离子处理能够彻底去除钢板表面所吸附的碳氢化合物。

在操作工艺上, 等离子处理设备容易实现生产现场的自动控制, 而且具有不引入其他物质、不污染环境、能够有效地改善基材表面性能, 处理效果稳定, 最终制品黏合性能优异的优点。因此尽管一次性投资较高, 但是作为大规模生产设备的一次投入可以保证以后整个生产过程的简单、清洁、高效, 仍然具有实用推广价值。

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