挤塑板泡孔结构对XPS主要性能的影响

挤塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)板材在地暖保温领域有着广泛的应用,而泡孔结构作为影响其主要性能的因素之一,一直是大部分产品研发人员及学者的重要研究方面。根据相关文献研究资料,我们对XPS泡孔结构对其主要性能的影响作简要的分析总结。

 

一、XPS主要性能与影响因素

1、XPS的主要性能

(1)密度小

相比于同品类塑料,因XPS制品中存在大量气泡,使其制品密度非常小。

(2)抗冲击、承荷载性能

泡沫塑料的泡孔结构在受到冲击、承受荷载时,会使制品产生一定的变形、压缩、回弹及滞留,这种现象在一定程度上能够将所受的冲击、压力耗散,具备优异的抗冲击、承荷载性能。

(3)隔热性

独特的泡孔结构以及孔内气体的存在,使制品导热系数极低,保温性能优异。

(4)隔声效果

泡孔结构的存在起到优异的隔声效果,主要在两方面。

其一,吸收声波能量。当声波通过泡沫塑料时,其内泡孔泡体受声波冲击,内部气体微压缩,产生滞留现象,将一部分冲击能量减弱,而大量的泡孔存在,将这种弱化扩大,在一定程度上使声波能量在制品内部耗散。

其二,声波的传递过程中,在泡体内会引起共振现象,产生噪音,但由于泡体本身存在一定的刚性,会将这种共振减弱甚至消除,从一定程度上达到隔音的效果。

 

2、XPS的性能影响因素

(1)加工

这里的加工因素主要讨论加工对于泡孔影响。在加工过程中,由于料流的拖力或外界拉力作用,会使所形成的气泡发生变形,椭圆或细长形,制品本身呈各向异性,力学性能会发生一定变化。

(2)泡孔结构

泡沫塑料制品的泡孔开、闭会影响其性能,闭孔率与制品保温、抗压性能成正比。

(3)泡孔尺寸

泡孔的大小直接影响制品压缩性能。经相关研究数据表明,泡孔直径越小,制品压缩性能越好,吸水率越小,反之,直径越大,压缩性能越差,吸水率越大。

(4)发泡倍率

制品的拉伸强度、弯曲强度、热变形温度等都受发泡倍率影响,发泡倍率越大,其值越小,且成品的收缩率增加。

 

二、泡孔结构对XPS主要性能影响的分析

泡沫塑料泡孔结构对产品性能有着至关重要的影响。在地暖保温材料领域,主要属绝热性能与力学性能,市面上产品的参数指标为导热系数与压缩强度。

 

1、导热系数

XPS泡沫塑料制品的导热系数一般主要由4个因素决定,分别为:PS固体部分导热系数、泡孔内气体导热系数、辐射传热、孔内气体对流换热。可以叙述为下式:

img1

式中:img2—— XPS导热系数;

img3—— PS固体部分导热系数;

img4—— 泡孔内气体导热系数;

img5—— 辐射传热系数;

img6—— 泡孔内气体对流热导率。

XPS内部泡孔为闭孔结构,且泡孔很小,故img7可忽略不计。相关研究表明,在XPS产品导热系数中,img8img9img10的相对贡献率分别为7.5%、62.5%、32.5%。辐射传热则主要受XPS内部泡孔结构影响。

 

img11 img12

 

图1 泡孔尺寸对辐射传热的影响(北京化工大学研究数据)

 

如图1,根据相关研究表明:(1)减小泡孔尺寸,辐射传热降低,XPS导热系数降低;(2)提高制品的泡孔密度,XPS导热系数降低。即在相同密度XPS制品条件下,可以通过减小泡孔尺寸,提高制品泡孔密度的方法来降低XPS制品的导热系数,提升其保温效果。

 

2、压缩强度

前文所述,压缩强度受闭孔率、泡孔尺寸等因素影响。从闭孔率角度,XPS闭孔率在95%以上,泡孔结构紧密相连且壁间无间隙,泡孔间形成一定的支撑体系,压缩强度极高。从泡孔尺寸角度,采用显微镜观察XPS板材泡孔结构,并测量其泡孔尺寸,如图2、3所示。

img13    img14

 图2 泡孔尺寸50~100um(绿羽白晶板) 图3 泡孔尺寸140~200um(普通市售XPS)

 

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图4 压缩强度实测

 

取以上所述产品(绿羽白晶板、普通市售XPS板材)100mm*100mm*20mm试块各5块,根据国标,用抗压测试仪分别测量试块抗压值,并取均值作为该产品的压缩强度。

 

表1 压缩强度对比

 

项目

普通市售XPS板

绿羽白晶板

差值幅度

压缩强度(kPa)

296.62

356.02

20.03%

由表1可知,绿羽白晶板压缩强度值较之普通市售板要高出20.03%,其主要原因是泡孔尺寸的大小。根据相关文献、实验研究表明,较大泡孔在受压时泡沫塑料泡体呈非等量压缩,先是从外层泡孔开始变形压缩,至外层泡孔崩塌,内层泡孔才开始弯曲变形。而小泡孔泡沫塑料被压缩时,其整体呈现等量压缩,泡体的内外泡孔可均匀的吸收外加压缩能量。即小泡孔压缩性能优于大泡孔。

 

三、小结

(1)XPS为闭孔泡沫塑料,保温隔热、隔音以及力学性能等性能优异;

(2)泡孔结构是XPS导热系数的影响因素之一,主要体现在辐射传热上。可以通过减小泡孔尺寸、提高泡孔密度的方式来减小XPS的导热系数,达到提升XPS保温性能的目的;

(3)相对条件下,闭孔率越高,泡孔尺寸越小,XPS的压缩性能越优异。

创建时间:2021-03-02 16:27
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