无机绝热材料导热系数影响因素的研究

张玉辉 穆秀君 隋承 鑫 彭 超 李贵强

（中国建筑材料科学研究总院 中国建材检验认证集团股份有限公司 ，北京 100024）

随着建筑行业对建筑能耗的要求越来越高，建筑节能对于节约能源消耗具有重要的意义，越来越得到重视。建筑节能就是在满足居住舒适性要求的前提下，在建筑中使用保温隔热的新型墙体材料和高能效比的采暖空调设备，达到节约能源、减少能耗、提高能源利用率的目的。在建筑材料中使用保温隔热材料是降低建筑能耗非常有效的措施。采用保温隔热材料降低建筑能耗在国外已经得到广泛的应用，我国对保温隔热材料的研究和使用也取得了显著的成效[1]。

保温隔热材料的品种繁多。按材质可分为无机绝热材料、有机绝热材料和金属绝热材料三大类。其中，无机绝热材料主要为岩（矿）棉及其制品、玻璃棉及其制品、膨胀珍珠岩及其制品、膨胀蛭石及其制品、加气混凝土、泡沫玻璃及其制品等。有机绝热材料包括聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、酚醛树脂泡沫、聚氯乙烯泡沫塑料及其制品等。金属绝热材料主要有铝箔、锡箔等。

导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度，在1秒内，通过1平方米面积传递的热量。保温隔热材料绝热性能最重要的指标就是材料的导热系数，导热系数越小，材料的热传导越难，其保温效果将会更好。一般来说，保温材料的共同特点是：质轻、疏松，成多孔状或纤维状，以其内部不流动的空气来阻隔热的传导。然而材料的导热系数取决于材料的成分、密度、内部结构、孔隙率和含水率的影响，同时也会随着温度、湿度的变化而改变，这都会影响其保温隔热效果[2~4]。

保温隔热材料多为含有一定水分的多孔介质结构，热工性能的变化具有一定的复杂性[5~9]。本文选取了几种不同的无机保温隔热材料，研究其在不同密度、温度和相对湿度条件下导热系数的变化，获得了保温隔热材料导热系数在不同密度、温度和相对湿度条件下的变化规律。

1 密度对无机绝热材料导热系数的影响

选用同一厂家采用相同工艺生产的不同密度的玻璃棉板和岩棉板。分别将玻璃棉板、岩棉板放在80℃烘箱中进行干燥，取出放在干燥器中冷却至室温。采用导热系数测定仪测量70℃时的导热系数。实验结果见表1。

表1 不同密度条件下无机绝热保温材料导热系数

从表1可以看出，玻璃棉板的导热系数随着密度的增大而逐渐减小，并且不同密度的玻璃棉板导热系数差别较大；密度从24kg/m3到56kg/m3的导热系数差别为0.0066 W/（m·K）。岩棉板的导热系数随着密度的增大也呈现减小的趋势。然而，不同密度的岩棉板导热系数差别不大；密度从60kg/m3到140kg/m3的导热系数差别为0.0025 W/（m·K）。

2 温度对无机绝热材料导热系数的影响

选择具有代表性的密度为48kg/m3玻璃棉板和100kg/m3岩棉板，研究不同温度条件下材料导热系数的变化。将玻璃棉板和岩棉板放在80℃烘箱中进行干燥，取出放在干燥器中冷却至室温。用导热系数测定仪测量10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃温度条件下的导热系数，实验结果见表2。

从表2可以看出，玻璃棉板和岩棉板的导热系数都随测试温度的升高而增大。这可能是由于温度的升高导致材料固体分子热运动增强，进而影响材料的导热系数，材料孔隙中的空气的导热和孔壁间的辐射作用也逐渐增强，导致了材料导热系数增大。

表2 不同温度条件下无机绝热保温材料导热系数

对玻璃棉板和岩棉板的导热系数随温度变化进行线性拟合，如图2所示。拟合得到48kg/m3玻璃棉板的导热系数随温度变化的斜率为1.40×10-4。拟合得到100kg/m3岩棉板导热系数随温度变化的斜率为1.31×10-4，这与其他文献的结果相吻合。

3 相对湿度对无机绝热材料导热系数的影响

选择密度为48kg/m3的玻璃棉板和100kg/m3的岩棉板，研究不同相对湿度条件对材料导热系数的影响。将玻璃棉板和岩棉板分别放在22℃，不同相对湿度条件下的恒温恒湿箱中进行状态调节，用导热系数测定仪测量材料25℃、70℃的导热系数，实验结果见表3。

图1 不同温度条件下无机绝热保温材料导热系数

表3 不同相对湿度条件下无机绝热保温材料导热系数

从表3可以看出，随着相对湿度的逐渐增大，玻璃棉板和岩棉板的导热系数都在逐渐增大。玻璃棉和岩棉都属于吸湿性材料，随着相对湿度的增大，材料的孔隙中含有的水蒸气和液态水等水分逐渐增多，由于水的导热系数约为0.581 W/（m·K），远大于空气的导热系数。因此，当材料受潮吸湿后的导热系数增大，降低其保温隔热效果。

4 结论

1)从实验可得出，在相同温度条件下，无机绝热材料玻璃棉板和岩棉板的导热系数随着密度的增大逐渐减小，但导热系数的变化范围有所不同。玻璃棉板导热系数相差较大，差别为0.0066 W/（m·K）

2)密度相同的情况下，玻璃棉板和岩棉板的导热系数随着温度的升高逐渐增大，对实验结果进行线性拟合分析，拟合得到玻璃棉板导热系数随温度变化的斜率为1.40×10-4，岩棉板导热系数随温度变化的斜率为1.31×10-4。

3)密度不变的情况下，玻璃棉板和岩棉板的导热系数随着相对湿度的增大逐渐增大，玻璃棉板和岩棉板属于吸湿性材料，随着相对湿度的增大，水分进入材料的孔隙导致保温绝热性能下降。

[1] 徐峰，张雪芹，华七三.建筑保温隔热材料与应用[M].中国建筑工业出版社

[2] 陈则韶, 钱军, 叶一火.复合材料等效导热系数的理论推算[J].中国科学技术大学学报.1992(04)

[3] 孙无二. 建筑材料导热系数的回归计算[J].低温建筑技术.1994(03)

[4] 徐婷婷,詹树林.含湿多孔建材有效导热系数的理论推算[J].低温建筑技术.2010(06)

[5] 黄建恩, 闫加贺, 吕恒林等.自然干燥状态下粉煤灰蒸压加气混凝土砌块导热系数实验研究[J].新型建筑材料.2012(09)

[6] 王浩, 侯素兰, 董亮.环境温、湿度对绝热保温材料导热系数影响的实验研究[J].工业计量.2012(S2)

[7] 陈会娟, 陈斌.多孔建筑材料热湿传递过程的研究[ J].暖通空调, 2004, 34( 17) : 24- 28.

[8] 张敬堂, 周卫国.蒸压加气混凝土砌块含水率对节能设计的影响[J].墙材革新与建筑节能, 2008（7）:33-34.

[9] GB/T 11835-2007 绝热用岩棉、矿渣棉及其制品