关于离心保温棉吸湿特性及湿传递性能的探索

作者：张毅

     目前，国内的一些学者对离心保温棉的性能进行了研究。文献[1]研究了离心保温棉不同温度下的导热系数；文献[2]对离心保温棉的吸声性能进行了研究，得出离心保温棉是高效的吸声材料。文献[3]研究了超细玻璃棉的导热系数，得出了在不同温度下，导热系数随密度的变化关系呈二次曲线形式。但是，对离心保温棉的湿传递性能的研究很少，缺少湿传递计算的必要参数。文献[4]通过实验研究了玻璃棉的吸湿特性，并绘制了相应的曲线。但随着离心保温棉生产工艺的提高，如今材料性能也发生了改变。

  因此，本文通过实验对离心保温棉的吸湿特性及湿传递性能进行研究，为其研究和应用提供理论基础和计算依据。

1  实验原理

1.1  吸湿特性实验原理

  等温吸湿曲线是用来描述离心保温棉的吸湿特性，在等温条件下，根据不同空气相对湿度所测得的材料平衡含湿量绘制而成。等温吸湿曲线反映了材料在平衡状态下的湿容量，它是材料自身吸湿能力强弱的表现，材料的等温吸湿特性只与材料本身的成分、结构有关，等温吸湿曲线是研究并获得材料传温过程中有关特性参数、传递系数的基础。

  离心保温棉的热工性能及质传递过程与其含湿状态及吸湿性能关系密切，材料与水份之间的相互作用关系，可用平衡含湿量来描述。材料的质量含湿率为：

式中：A为材料平衡含湿量，kg/kg；m,o为干燥状态下材料的质量，kg;m为吸收水分后的材料质量，kg。

  测定不同空气相对湿度条件下的离心保温棉的平衡含湿量，然后利用非线性最小二乘法，根据式(2)对实验结果进行拟合：

式中：妒为材料的相对湿度，%;a，6，c为通过拟合得到的实验常数。

1.2湿传递性能实验原理

  水蒸气渗透系数是描述离心保温棉湿传递的重要参数。文献[6]将其定义为：在保持试样两表面特定的温湿度环境下，单位时间内，由试样两侧单位水蒸气压差引起的单位厚度试样在单位面积上透过的水蒸气总量。

  水蒸气渗透系数的计算根据下式：

式中：L为试样厚度，m；6，为水蒸气渗透系数，g/(m·s-Pa)；Wp为透湿率，g/( m2．s．Pa)

  其中，透湿率W，可通过下面式(4)来计算：

式中：Ap为水蒸气压差，Pa；p。为试验温度下的饱和水蒸气压，Pa; RH,为以分数值表示的高水蒸气压侧的相对湿度（水法时为盘内一侧），%；RH2为以分数值表示的低水蒸气压侧的相对湿度，%。

2实验介绍

2.1吸湿特性实验介绍

  本实验主要参考文献[7]进行。采用干燥器法进行测试，通过饱和盐溶液控制密封盒内的相对湿度，恒温箱提供所需稳定的环境温度。为了研究密度对材料湿特性的影响，选取了密度为24 kg/m3（以下称24 K）和40 kg/m3（以下称40 K）的离心保温棉作为实验对象。文献[5]规定，对于密度小于300 kg/m3的材料试样尺寸应至少为100 mm X100mm。为了减少试样达到湿平衡的时间，离心保温棉试样尺寸为100 mm x100 mm。

  实验装置：恒温箱（精度±0.5℃）、干燥箱（用于烘干材料）、干燥皿（盛放饱和盐溶液）以及一台量程精密天平（精度±0. 001 g）。盐溶液选用固体盐和蒸馏水配制而成。

  饱和溶液中保持有30%未完全溶液的固体盐配制时控制其温度为50℃，当盐溶液达到饱和并且有固体析出后，将配制好的饱和盐溶液置于密封盒内，在环境中放置一段时间后移入恒温箱中冷却至23 ℃。

2.2湿传递性能实验介绍

  根据文献[8]，有2种方法可以研究材料的水蒸气渗透系数，分别为干燥剂法和水法。干燥剂法是把试样封装在带有干燥剂的试验盘的开口上，装配后放入受控的环境中，定期称重以测定水蒸气通过试样进入干燥剂的速度。水法是将试样封装在盛有蒸馏水的试验盘的开口上，定期称重以测定水通过试样蒸发到环境气氛中的速度。由于干燥剂会随着时间的推移逐渐失效，可能影响实验结果，故本实验采用水法进行测试。

  离心保温棉试样的选取和制备同吸湿性能测试实验，即选取了密度分别为24 K和40 K，尺寸均为120 mm×120 mm的2种离心保温棉作为实验对象。

  在试验盘底部注入蒸馏水，蒸馏水深度为8mm左右，能保证水在整个试验中盖满盘底，盘内相对湿度名义上为100%。用工业凡士林涂敷试验盘的凸缘和栏圈内部，将试样封到盘口上，防止水蒸气从这些地方进入或逸出。为了减少误差，用塑料薄膜遮挡暴露于空气中的试样顶面，使盘口的形状和大小与盘中暴露于水蒸气的区域保持一致。

  实验装置与吸湿特性实验相同。

饱和盐溶液在23℃时的相对湿度见表1。

3  实验步骤

3.1  吸湿特性实验步骤

  1)实验前先将试样置于干燥箱中干燥，本实验所选择的离心保温棉试样工作温度区间为- 18℃到+232℃，热荷重收缩温度不小于300℃，因而设定离心保温棉干燥温度为100℃。间隔24 h连续3次称量试样质量的变化小于总质量的0. 1%，即可

达到恒重。

  2)将干燥后的试样放置在于燥皿中饱和盐溶液挡板的上方，以24 h为周期称量试样在每种湿度环境中达到平衡后的质量并记录，达到平衡后取出试样并称重，然后将试样放置在另一相对湿度环境中。

  3)重复步骤2，周期称量试样在每种湿度环境中达到平衡后的质量并记录。

3.2  湿传递性能实验步骤

  1)将制备好的离心保温棉试样放入干燥器中进行干燥，干燥温度设为100℃。间隔24 h连续3次称量试样质量的变化小于总质量的0. 1%，即可认为达到恒重。

  2)称量试验盘组件并将其水平地放入相对湿度已经稳定的密封盒内，然后和密封盒一并放入恒温箱内。以24 h为间隔称量试样，每个相对湿度工况采集8个数据点。

  3)待称重数据稳定后，将密封盒放入下一个相对湿度工况。

4  实验结果与分析

4.1  吸湿特性实验结果与分析

根据实验数据，在不同的相对湿度下，对离心保温棉的吸湿质量取平均值，拟合了离心保温棉的吸湿量随相对湿度变化的曲线，并给出了拟合公式和相关系数（决定系数），见图1和图2。

  由图1和图2可知，在等温条件下，离心保温棉的平衡含湿量随相对湿度变化呈现幂指数增加趋势。在相对湿度超过80qo时，离心保温棉的吸湿量陡增（40 K比24 K增加的快），造成玻璃棉的质量快速增加；且40 K离心保温棉的吸湿量比24 K增加的快，说明离心保温棉的密度越大，吸湿系数越大。因而，在进行保温设计时应充分考虑离心保温棉的吸湿特性；同时，以上拟合的公式可用于分析热湿耦合作用下离心保温棉内的热湿迁移过程。

4.2湿传递性能实验结果与分析

根据式(2)计算离心保温棉在不同相对湿度下的水蒸气渗透系数，参照文献[9]对数据进行拟合，拟合结果见图3和图4。

  由图3和图4可知，不论是24 K还是40 K离心保温棉，在相对湿度为小于80%区间内，水蒸气渗透系数变化缓慢，超过80%时发生突变，水蒸气渗透系数呈指数形式增加。2种不同密度的材料的水蒸气渗透系数相差不大，说明对于大孔隙离心保温棉保温材料来说，密度的大小对水蒸气渗透系数的影响不明显。在离心保温棉实际应用中，拟合的公式可用于湿传递的计算。

5结论与展望

  本文通过实验研究了离心保温棉的吸湿特性及湿传递性能，得出的结论如下：

  1)吸湿特性实验绘制了离心保温棉的等温吸湿曲线，并给出了离心保温棉平衡含湿量随相对湿度变化的拟合公式。

  2)湿传递实验得出了离心保温棉在相对湿度范围在22.8%~97. 4%范围内的水蒸气渗透系数，并将实验数据进行最小二乘法拟合，得到的拟合公式适用于相对湿度0 N100%。

  3)在相对湿度小于80%区间内，离心保温棉的吸湿量和水蒸气渗透系数变化缓慢，但超过80%时，吸湿量和水蒸气渗透系数陡升，保温效果降低。

  在离心保温棉的实际工程应用中，以上的研究结果可作为吸湿和湿传递的参考公式，用于分析热湿耦合作用下的离心保温棉内的热湿传递过程，为其研究与应用提供理论基础和计算依据。

同时，不同温度下离心保温棉的透湿系数也不同，比如在严寒地区、夏热冬冷地区，离心玻璃棉的环境温度不同，那么得出温度与透湿系数的关系式至关重要，本课题已经在进行后续的研究。

6[摘要]离心保温棉因其优越的保温性能，被广泛应用于建筑节能体系中。本文通过实验研究了离心保温棉的吸湿特性及湿传递性能。吸湿特性实验研究了离心保温棉的等温吸湿曲线，并给出了离心保温棉平衡含湿量随相对湿度变化的拟合公式；湿传递性能实验研究了离心保温棉的水蒸气渗透系数，将实验数据进行最小二乘法拟合，得到的拟合公式适用于相对湿度区间为0~ 100%。以上研究结果为离心保温棉的研究与应用提供理论基础和计算依据。