聚异三聚氰酸酯硬泡沫和弹性体发泡材料绝热系统对比试验

唐 浩

(阿乐斯绝热材料广州有限公司研发中心 广州 511447)

聚异三聚氰酸酯硬泡沫和弹性体发泡材料绝热系统对比试验

唐 浩

(阿乐斯绝热材料广州有限公司研发中心 广州 511447)

介绍了聚异三聚氰酸酯硬泡沫和弹性体发泡材料的生产工艺及性能数据，对两种材料进行深冷低温连续试验、真空吸水率试验和受力冲击模拟试验。观察试验现象记录试验数据，并比较两种材料在深冷低温下绝热效果，防潮性和受力冲击性能，分析了各自在使用上的优势与不足。

泡沫绝热材料 聚异三聚氰酸酯硬泡沫 弹性体发泡材料 性能特点 绝热效果

06-0052-05

1 引言

目前绝热工程中有机绝热材料主要是聚异三聚氰酸酯硬泡沫、弹性体发泡材料和聚苯乙烯等，在低温绝热工程中，前两种材料运用较为广泛。本文在3个不同试验研究基础上，对聚异三聚氰酸酯硬泡沫和弹性体发泡材料绝热系统(以下简称弹性绝热系统)特点和优劣做出比较分析。为LNG装置及其它低温设备绝热材料选择使用提供理论数据参考和低温环境模拟演示，有助于设计人员和用户经济有效地选用绝热材料，以降低成本节约能源，提高装置生产效率。

2 试验材料介绍

聚异三聚氰酸酯硬泡沫和弹性体发泡材料按结构分类，都属于多孔类绝热材料，也称泡沫绝热材料。这是一种固体基质连续而气孔不连续的绝热材料，在生产过程中利用发泡剂等物质产生气泡，形成许多孔隙将空气隔绝。在封闭状态下空气的导热系数为0.023 W/(m·K)，小于0.064 W/(m·K)(保冷材料的平均温度低于27℃时，其导热系数不应大于0.064 W/(m·K)［1］，因此，泡沫绝热材料内部隔绝的空气使整个材料成为绝缘体，具有绝热功能［2］。

聚异三聚氰酸酯也称聚异氰脲酸酯，Polyisocyanurate，简称PIR，系由异氰酸盐(Isocyanate)经三量化触媒作用后与聚醚为主原料，再加上触媒、防火剂及环保型发泡剂，经专门配方和严格工艺条件下充分混合、反应、发泡生成的泡沫聚合体。PIR具有独立的密闭细胞结构，适用绝热温度范围-196℃—+120℃，可以用于LNG、液态乙烯、液化空气、LPG冷库、液态CO2、液氨等能源化工介质或建筑物或空调暖通。PIR密度小质量轻，但表面很容易产生粉尘，所以安装人员需要佩戴呼吸防护用品以减少吸入粉尘［3］。

弹性体发泡材料以橡胶为基材，加入发泡剂、阻燃剂和硫化剂等添加剂，经过密炼、开练、冷却、挤出和发泡之后，内部产生许多封闭的小气孔，从而具有绝热效果，有板材和管材2种，厚度(管径)可以根据需要生产。弹性体发泡材料是一种柔性材料，具有很好的伸缩回弹性，现场使用刀具和胶水进行裁剪包裹和粘贴即可安装，施工非常方便。

弹性体发泡材料D采用耐低温的二烯烃聚合物橡胶为基材，该共聚物是一种饱和橡胶，主链是由化学稳定的饱和烃组成，只是在侧链含有不饱和双键，分子链在宽的温度范围内保持柔软，因此该产品在低温下维持柔性，可大幅减少温度应力。弹性体发泡材料T以NBR丁腈橡胶聚合物为基材，经过一系列加工制造而成。丁腈橡胶是由丁二烯(CH2=CH-CH=CH2)和丙烯腈(CH2=CH-CN)经乳液共聚而制得的一种高分子弹性体。丁腈橡胶以优异的耐油性著称同时耐磨性较高，耐热性较好，粘接力强。其缺点是耐低温性差、耐臭氧性差，电性能低劣，弹性稍低［4］。表1为PIR和弹性体发泡材料物理性能，PIR硬泡沫和弹性体发泡材料都是有机高分子材料，这使它们在防火测试上无法与无机绝热材料比较。但在生产过程中，在配方中加入适当配比的阻燃剂可以有效地提高它们防火性能。

表1 PIR和弹性体发泡材料物理性能参考Table 1 PIR and flexible foamed material physical properties reference

3 试验方法说明、操作和试验结果

3.1 深冷低温下绝热效果试验

深冷低温下绝热的目的是为了减少冷量损失(热量侵入)或控制冷量损失，确保保冷层外表面温度高于环境的露点温度，防止外表面结露维持设备管道正常运行。同时，可以节约能源，提升设备生产能力并且改善劳动条件防止操作人员冻伤［2］。

3.1.1 试验方法及操作

本试验装置是由杜瓦瓶和一根外径为89 mm的水平不锈钢304管(其中用于试验的部分长度为2.1 m)以及安装在该段管上的压力表和阀门组成，压力表用来监测管道内压力，通过调节阀门改变液氮流量控制温度。配上热电偶和无纸化记录仪监测读取温度数据。

试验时，通过金属软管将杜瓦瓶与不锈钢管连接，之后打开杜瓦瓶出口阀使液氮进入不锈钢管。液氮的沸点是-196℃，进入不锈钢管的液氮使不锈钢管外壁温度下降，利用热电偶监测温度变化，通过无纸化记录仪读数。当温度降到 -165℃时，保持-165℃ ±10℃不少于24个小时使材料冷透，然后观察材料表现并记录数据，进行绝热效果比较。

图1所示为在试验中(环境温度32℃，湿度54%)所使用的材料样品，分别是:(1)厚100 mm，长1 000 mm的PIR硬泡沫，内外各放1个热电偶;(2)弹性绝热系统，这个系统由一层D材料加3层T材料组成。内层D材料确保系统深冷低温下优良的机械性能，外层T材料却确保系统卓越的绝热性能和良好的经济效益。具体为:厚13 mm，长为1 000 mm的弹性体发泡材料D安装在最内层，外面再包裹3层弹性体发泡材料T，每层厚度25 mm，长度分别为800 mm，600 mm和400 mm，不同的长度为了便于观察各层在试验时变化，系统总厚度为13+25×3=88 mm，最内层和最外层各放1个热电偶，共2个，如图2所示装在不锈钢管上。

图2 安装在管道上的泡沫材料，聚异三聚氰酸酯硬泡沫和弹性绝热系统Fig.2 Installed foamed materials，polyisocyanurate solid foam and flexible foamed material insulation system

3.1.2 试验结果

图3是从无纸化记录仪截取两种材料由内层到外层温度的显示。第一行是PIR硬泡沫部分温度，内层为-167℃，外层为33℃，并且外表面保持干燥。第二行是弹性绝热系统温度，内层为-167℃，外层为32℃。系统中最内层和次内层外表面结露，第三层和第四层外表面一直保持干燥状态。表面结露是因为表面温度低于当时露点温度，说明厚度为D13 mm+T25 mm不能满足当时工况下的绝热要求，需要增加保温层厚度。考虑到54%的湿度是一个相对平均值较低的湿度，所以试验中在38 mm厚度基础上多增加了50 mm的弹性体发泡材料T。

图2 无纸记录仪读数Fig 2 Record data

图4 试验前后安装在管道上的PIR对比Fig.4 Comparison of PIR before and after test

图5 弹性体发泡材料D带压安装示意图Fig.5 Installation sketch map of flexible foamed material

试验中进一步观察两种材料，由于热胀冷缩原因，PIR和弹性绝热系统均有一定程度收缩。通过图4可以看出，PIR在试验前后收缩很明显，需要采用软质材料做伸缩缝处理，否则接缝处由于热胀冷缩会产生收缩导致开裂，影响保冷效果［5］。弹性体发泡材料遇冷也存在收缩问题，但因其具有很好的弹性，在安装时只需按推荐的预留长度，采取带压的方式进行每层弹性体材料安装，即可解决系统的收缩问题，参看图5弹性体发泡材料D带压安装示意图。

3.2 真空吸水率试验

真空吸水率原理:闭孔材料指闭孔率达90%的材料。因此，将其浸泡在水中时，只是在表面被切开的气孔里和少部分开孔里积水，由于气孔微小，水不易充满孔隙，而在一定的真空度下，水可迅速进入孔隙，从而快速、准确达到测量目的［6］。

按照GBT/17794-2008所示方法，对PIR和弹性体发泡材料T进行真空吸水率测试。需要说明的是:GB/T17794-2008适用于柔性泡沫橡塑绝热制品，试验所用PIR不属于该类制品。但根据真空吸水率测试原理，结合SH/T3522-2003对绝热材料防潮要求，真空吸水率测试结果可以作为对两种材料防潮性能的一个参考。

依照GB/T17794-2008所示方法，PIR和弹性体发泡材料T真空吸水率分别为46.51%和3.92%。

3.3 受力冲击试验

模拟在绝热材料使用过程中可能受到外力作用冲击的情况，例如人为踩踏或工具杂物掉落。试验时用一个橡胶锤用力快速敲击3种绝热材料，观察试验现象并进行力学性能比较。如图6所示，PIR在受到橡胶锤用力快速敲击后外表面损坏严重，弹性体发泡材料表面则没有太大变化。

图6 受力冲击试验前后对比Fig.6 Comparison of PIR before and after force impact

4 结果分析

4.1 深冷低温下绝热效果比较分析

PIR硬泡沫和弹性绝热系统安装在-165℃管道表面24小时之后，两种材料本身都无异常，说明它们都可以在-165℃环境中使用，这个温度也接近LNG的液化温度。两种材料最外层温度分别为:33℃和32℃都接近当时的环境温度，说明在温度-165℃外径89 mm的管道上，厚度100 mm的PIR和厚度为88 mm的弹性绝热系统具有相同的绝热效果。结合图7可以看出，在深冷环境下弹性体发泡材料D导热系数呈线性陡降趋势，与PIR导热系数实际非常接近，因此液氮管路安装厚度也接近。在低温管道上使用绝热材料减少了工作中冷量的损失以及防止操作人员冻伤。在实际工业绝热运用中，因管内介质温度不同，管道直径大小不等长短不同，具体的绝热材料包裹厚度，需要根据给定的条件进行计算。

图7 导热系数与温度对应曲线Fig.7 Corresponding curve between thermal conductivity and temperature

4.2 防潮性能比较分析

绝热工程如果受潮内部就会有大量水汽渗入，产生凝结水或结冰现象，以致绝热材料的导热系数增大绝热效果急剧下降。PIR较弹性体发泡材料T更易吸水，所以在使用时对防潮层要求非常高，常用石油沥青或改性沥青玻璃布、石油沥青玛蹄酯玻璃布等做防潮层［2］。弹性体发泡绝热系统在安装时，需要在粘接处满涂胶水，层与层之间端头再涂5 cm长胶水，不再需要额外防潮层便可有效防止潮气侵入。

4.3 受力冲击性能比较分析

PIR在受到一定外力冲击下不能及时分散外力，其外表面损坏严重，空气中水汽会很快侵入PIR内部，这样会严重影响其绝热效果;弹性体发泡材料内部有很多独立封闭的小泡孔，在受力冲击时每个独立的小泡孔都能吸收分散外力，在整体上表现为回弹收缩。所以其形状不受破坏内部泡孔保持完好，因此绝热效果也不会受到影响。

5 结语

通过上述3个试验，更进一步了解PIR和弹性绝热系统性能。由于各PIR生产厂家原材料和生产工艺不同，PIR性能也不完全相同。单从绝热性能比较，PIR在低温下导热系数低于弹性体发泡材料，但其吸水率较大，受外力冲击表面容易受到破坏，所以施工时在防护防潮层和接缝处需要做一些特殊处理。

弹性绝热系统有着优异的防水防潮性能，并且柔软。受外力冲击可以均匀分散外力起到保护表面的作用。在绝热效果方面，88 mm厚度的弹性绝热系统与厚度100 mm的 PIR，在外径89 mm介质温度-165℃的管道上具有相同的绝热效果。由于弹性体发泡材料是以橡胶为基材制造而成，长时间暴露在阳光下使用一段时间后会出现老化，所以在使用时还需在外层加上一防护层，防止阳光直接照射，延长使用寿命。目前，中国大连LNG项目和山西晋城液化天然气工厂已经采用了弹性绝热系统。

1 国家技术监督局，中华人民共和国建设部.工业设备及管道绝热工程设计规范(GB/T50264-1997)［S］.北京:中国计划出版社，1997.

2 张德姜.石油化工装置工艺管道安装设计手册(第4版)［M］.北京:中国石化出版社，2009.

3 朱吕民，刘益军.聚氨酯泡沫塑料(第3版)［M］.北京:化学工业出版社，2005.

4 谢遂志，刘登祥，周鸣岱.橡胶工业手册(修订版第一分册)［M］.北京:化学工业出版社，1989.

5 张敏丹.LNG低温输送管路的绝热保冷［J］.深冷技术，2005(5):18-21.

6 中国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.柔性泡沫橡塑绝热制品(GB/T17794-2008)［S］.北京:中国标准出版社，2008.

7 中国国家发展和改革委员会.石油化工隔热工程施工工艺标准(SH/T3522-2003)［S］.北京:中国石化出版社，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岁，助理工程师。