绝热材料最高使用温度检验方法的研究

郁佳胤(上海建科检验有限公司，上海 201108)

1 引言

节能已成为世界关注的问题。绝热保温材料是节能措施的重要保证，其主要分为有机类、无机类和有机与无机复合类，品种主要包括聚苯乙烯泡沫板、硬质聚氨酯制品、矿物棉、膨胀珍珠岩制品、膨胀蛭石制品、泡沫玻璃、硅酸钙制品、复合硅酸盐制品等。这些产品大多是由有机胶粘剂粘结而成，在高温情况下易发生老化，所以对绝热材料最高使用温度的评估显得尤为重要。

在GB/T4132-1996《绝热材料及相关术语》[1]中，最高使用温度（maximum service temperature）的定义：在保证正常使用的条件下，材料所能承受的最高温度。由于最高使用温度受到材料成分、厚度、使用环境、温度梯度及高温理化性能等多项因素影响，国际上目前还没有一种统一的试验方法适用于所有类型绝热材料的最高使用温度测试。本研究尝试设计一种绝热材料最高使用温度检验设备及方法，以应用于多种绝热材料的检测。

2 绝热材料最高使用温度检验方法简介

国家建材局标准化研究所李金平曾在《绝热材料最高使用温度测定方法及存在问题》[2]文中将最高使用温度试验方法分成3 类:1)根据热荷重厚度收缩率确定最高使用温度；2)根据线收缩率确定最高使用温度；3)根据抗压强度收缩率确定最高使用温度。

借鉴于国外发达国家及组织的绝热材料最高使用温度测试标准，笔者将最高使用温度试验方法的分类方式归纳为以下三种。按照绝热材料实际使用形式可分成板（块）状或管状测试方法；按照加热方式可以分为单面加热和均匀加热；按照测试方法原理又可以分为热荷重收缩温度试验方法、匀温灼烧方法、热表面特性实验方法。其中热表面特性方法是模拟绝热材料实际应用情况，即其热表面温度接近最高使用温度，冷表面在室温附近（不超过90℃)，并持续96h 时间，观察试验期间材料的变化和出现的现象，从而确定材料的最高使用温度，表1 列出了几种基于此原理的几种具体测试方法。

3 设备及装置

设备主要包括马弗炉、热荷重收缩测试仪、WRT-900 热面特性试验仪、烘箱、导热系数测试仪、游标卡尺等。

其WRT-900 热面特性试验仪是依据热表面特性原理进行设计，符合标准GB/T 17430-1998[7]的要求。其炉体结构图如图1 所示，加热装置、硅碳棒支架及支撑杆由同质耐热不锈钢制成，确保了金属材料的热膨胀系数一致，减少其在高温下的变形。其加热功率由可控硅供给。加热装置电偶讯号由计算机系统定时采集，并与给定（预定）值比较，确定并调节可控硅控制讯号，改变硅碳棒加热管的加热功率。

4 实验部分

4.1 实验材料

采用编号为BW11-007-1、BW11-007-2的岩棉板、BW11-007-3 玻璃棉毡三种不同的绝热保温材料分别进行热表面特性试验、热荷重法和加热永久性试验法进行实验，以对比其检测结果。其中，热表面特性试验和加热永久性试验是在给定试验温度下进行实验的，热荷重法是在一定载荷逐渐升温条件下进行试验的。

图1 WRT-900 热面特性试验仪结构图

4.2 实验过程

热表面特性试验：将标准试样放在热面特性试验仪的加热板上，按一定的升温速率对试样加热，加热到设定温度后保温96h，观察现象，记录试件内部及表面温度变化，然后冷却到室温，观察并记录试样在试验前后的性质变化。更改加热最高温度，重复试验，以确定试样的最高使用温度。

热荷重试验：在490Pa的压力下测量试样厚度后，将试样放入加热容器内，荷重板和荷重棒在全部试验过程中施加在试样上。由坩埚电阻炉直接加热加热容器，热量通过加热容器均匀地传给试样。不同种类的试样，按给定不同的温度程序进行加热，开始加热时，加热升温速率为5℃/min，每隔lOmin 记录一次温度和显示仪示值。当温度升到比试样预定的最高使用温度约低200℃时，加热升温速率3℃/min，每隔3min记录一次炉内温度和显示仪示值。直至试样厚度收缩率等于或超过10%为止，试样厚度收缩率d(%)计算公式如式（1）。

式中：A-室温加荷重时试样厚度（mm）；

B-温度t 时试样厚度（mm）。

加热永久线变化试验法：在标准试样上表面离边缘10～15mm 处插入4 根铂丝作为标志，然后将试样放入已预热到试验温度的加热炉中。当炉温再达到试验温度时，开始保温，在试验温度±10℃下保温24h。冷却后测量并计算试样每一边的加热永久线变化Lc（%），计算公式如式（2）。

式中：Ln-加热前试件铂丝之间距离（mm）；

L0-加热后铂丝之间距离（mm）。

4.3 结果与讨论

4.3.1 热表面特性

由表3可看出加热后所有试样的质量都降低，导热系数都增加，而BW11-007-1 绝热材料的厚度增加，BW11-007-2 和BW11-007-3 绝热材料的厚度降低；BW11-007-1 绝热材料的质量及厚度变化率均小于5.0%，但导热系数变化率大于5.0%，表明其材料最高使用温度要略小于800℃；BW11-007-2 绝热材料试验过程中出现冒烟现象，表明其最高使用温度小于750℃；BW11-007-3 绝热材料的各性能参数变化率均小于5.0%，其最高使用温度可达到538℃；试验过程中试件表面温度变化如图2-4 所示，BW11-007-1、W11-007-2、W11-007-3 绝热材料测试过程中各层温度变化正常，没有出现材料内部温度超过热面温度的现象，且与空气接触的最上层试件上表面温度始终没有超过90℃。

表1 几种绝热材料最高使用温度测试方法对比[3-6]

图2 BW11-007-1 试样温度变化曲线图

图3 BW11-007-2 试样温度变化曲线图

图4 BW11-007-3 试样温度变化曲线图

表2 热面特性试验数据表

4.3.2 热荷重

图5 热荷重试验厚度收缩率曲线图

三种绝热材料的厚度收缩率与温度关系图如图5 所示，可以看出，BW11-007-1、BW11-007-2 岩棉类绝热材料的厚度收缩率曲线相似，在大约600～700℃发生突变，厚度降低很快，主要是由于材料内部粘结剂挥发导致结构发生了变化，致使材料性质发生了改变；BW11-007-3玻璃棉类绝热材料的厚度收缩近似于线性变化，厚度比较均匀地降低，没有突变发生，有较高的安全范围。其厚度收缩率分别为10%、20%、30%时的温度列于表3 中。可以明显看出厚度收缩率从10%升高到20%及30%时，BW11-007-1 和BW11-007-2 绝热材料温度升高不是很大，温差在25℃以内，而BW11-007-3 绝热材料的温度变化较大，最大温差达到了77℃。

表3 不同绝热材料的收缩温度值

4.3.3 加热永久线变化

对于绝热材料的加热永久线变化，如参照标准GB/T 16400-2003[8]的规定应≤5.0%，但从表4的试验数据表上可看出，BW11-007-1 和BW11-007-2 绝热材料的加热永久线变化都超过了标准规定，并且BW11-007-2 达到了16.8%，远远超出标准规定；而BW11-007-3 绝热材料符合标准的规定，加热永久线变化只有1.1%。

表4 加热永久线变化试验数据表

4.3.4 测试方法对比

热表面特性测试和加热永久线变化测试都是在相同的试验温度下进行的，其测试结果都表明BW11-007-1 绝热岩棉板的最高使用温度要略小于800℃，BW11-007-2 绝热岩棉板小于750℃，而BW11-007-3 绝热玻璃棉毡的最高使用温度可以达到538℃。此两种方法的测试结果比较一致，可综合起来评价绝热材料的最高使用温度，加热永久线变化可以作为绝热材料最高使用温度评价的一个方面。

从三种测试方法的试验结果可以看出，对于BW11-007-1 绝热岩棉板，热表面特性测试和加热永久线变化测试结果显示其最高使用温度略小于800℃，热荷重测试结果显示厚度收缩10%时的温度为669℃，小于800℃，与热表面特性测试和加热永久线变化测试结果相符；BW11-007-2 绝热岩棉板热表面特性测试显示试验中有冒烟现象，加热永久线变化大于5.0%，表明最高使用温度要小于750℃，热荷重测试显示厚度收缩10%时温度为707℃，测试结果相一致；BW11-007-3 玻璃棉毡绝热材料，热表面特性测试和加热永久线变化测试结果显示使用温度可达538℃，而热荷重测试中试样厚度收缩10%时的温度为348℃，明显小于538℃，即使厚度收缩率达到30%时，试件测试温度也只有499℃，因此测试结果存在一定的矛盾性。通过三种测试方法的分析结果，无法得到一种绝热材料最高使用温度的具体值，只能得到一个定性的结果或温度范围，没有一个能把三种方法统一起来的标准；热荷重测试和加热永久线变化测试只针对于材料变化的一个性质，即最高使用温度的确定只取决于厚度收缩率或永久线变化，并且只适合于某些种类的绝热材料；而热表面特性测试关注于多个性质变化，综合考虑多种性能，测试过程更接近于绝热材料实际使用时的情况，并能测试多种类型的绝热材料。

5 结论

使用三种测试方法对不同类型的绝热材料进行了最高使用温度的试验研究，对试验结果进行了分析和对比，得出以下结论：

1）岩棉板类绝热材料的最高使用温度要大于玻璃棉毡类绝热材料最高使用温度，岩棉板绝热材料达到最高使用温度后强度急剧降低，危险性较大，而玻璃棉毡绝热材料在达到最高使用温度后强度降低比较缓慢，两种绝热材料强度的降低都是由于高温时粘结剂挥发致使绝热材料内部结构发生变化所导致。

2）综合三种绝热材料最高使用温度测试方法，热表面特性测试技术更接近于绝热材料实际使用时的情况，测试结果可以有效评价绝热材料最高使用温度，但国内现在还没有一个将热表面测试技术与热荷重测试技术相结合的测试标准，有关研究机构和单位可以在此方面进行深入研究。

[1]GB/T 4132-1996.绝热材料及相关术语[S].北京:中国标准出版社,1996

[2]李金平.绝热材料最高使用温度测定方法及存在的问题[J].保温材料与节能技术,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.绝热材料最高使用温度的评估方法[S].

[8]GB/T 16400-2003.绝热用硅酸铝棉及其制品[S].