双热流计法测定聚氨酯保温材料的导热系数

上述公式［１２１中，ｅ为热流传感器的输出，温 差电势，Ｖ，对于双热流计布置等于（ｅ。＋Ｐ：）／２； 厂为热流传感器在设定ｊ：况下的标定系数，不仅 反映了热流及传感器的性能，也反映了冷热板的 温度、测试时周同环境条件和边缘热损失等一系 列因素的影响。其大小是由在测试之前，用与被 测试样具有类似传热性能和接近厚度的标准试件 进行标定而得到的；ｄ为试样的平均厚度，ｍ； △ｒ为试样上下两面的温度之差（７’Ｈ—ｎ），Ｋ。
由于同体物质的导热能力比空气大得多（静止 空气的导热系数约为０．０２７ Ｗ／（ｍ．Ｋ）），因而材料 越致密，密度越大，其导热系数也就越大。然
而对含有孔隙的材料来说．其导热性能取决于孔 隙率和孑Ｌ隙特征。一般情况下孔隙率越大，密度 越低，导热系数越小。当孔隙率相同时，由于 孔隙中空气对流的作用，孔隙相互连通的比封闭 不连通的导热系数要高；孑Ｌ隙尺寸越大，导热系 数越大。例如密度较小的聚氨酯泡沫，其导热系 数随密度减小而减小，而当密度低于某一极限 时，孑Ｌ隙增大且相互连通的孔隙增多使对流作 用加强，反而会导致导热系数增大。因此，通 过测试可发现使产品导热系数最小的最佳密度， 图３为一种聚氨酯硬泡的Ａ随密度的变化实例。
Ｏ 眈７
Ｏ眈５ 、赧懈幂蹄
Ｉ－一）卜量一．≥一 Ｏ 吆 ３ １９ ２０ ２ｌ ２２ ２３ ２４ ２５ ２６ 厚度／ｒａｍ
图２聚氨酯硬泡导热系数／ｌ随试件厚度的变化
Ｆｉｇ．２ Ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ａ ｏｆ ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ ｒｉｇｉｄｃｋｎｅｓｓ
万方数据
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化学推进剂与高分子材料 Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ＆Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ
２０１０ ｑ－ｇ ８卷第１期
绝热性能，开展相关的应用研究］：作，就必然要 涉及到导热系数的测定问题。
在前述各种导热系数测定方法中，稳态热流 计法适用于低导热系数的测量，并日．具有经济实 用、可准确直接获得导热系数绝对值的优点，适 合用于聚氨酯保温材料Ａ的测定。此法被美国材 料与试验协会（ＡＳＴＭ）推荐作为蚓体保温材料导热 系数的测试方法——ＡＳＴＭ Ｃ５ １ ８—０２。
导热系数：Ｏ．００２－２ Ｗ／（ｍ．Ｋ）；试件尺寸（最 短边长或者直径痧）：２ ０ ０—３ ０ ０ ｍ ｍ；厚度： １０～５０ｍｍ；实验温度：Ｏ～ｌ ５０℃（配置冷风机）。
３测试原理
对于稳态双热流计法，试件的热流密度ｑ等 于２个热流传感器输出的平均值，即ｇ＝（ｇＨ＋ｇ。）／ ２，这样的装置对边缘热损失最不敏感，因此用 此装置进行测试时，可以忽略通过试件和热流传 感器边缘的热损失。当流过上下两个热流计的热 流密度满足：Ｉ ｑＨ－ｑ。，Ｉ／ｑ≤ｌｏ％，可认为接近实 现一维稳态热传导，此时，装置在热板和冷板的 热流传感器中心测量部分和试件中心部分建立类 似于无限大平壁中存在的单向稳定热流…】。
ｌ固体材料导热系数测定方法简介
目前导热系数的测定方法分为稳态法和非稳 态法２大类…，具有各自不同的测试原理。据此 人们开发和建立了一些具体的数学模副，由此衍 生出各种各样的测试方法和装置１２。４】。
稳态法１［，５１是经典的保温材料的导热系数测定 方法，至今仍受到广泛应用。其原理是利用稳定 传热过程中，传热速率等于散热速率的平衡状 态，根据傅里叶一维稳态热传导模犁，南通过试 样的热流密度、两侧温差和厚度。计算得到导热 系数。原理简单清晰，设备成本低，容易制样， 但测量时间较长，对环境条件要求较高。其中， 护热平板法是目前公认的准确度最高的方法，可 用于基准样品的标定和其他仪器的校准，实验装
非稳态法也称瞬态法，是通过测量试样温度 随时问变化的情况来推算导热系数大小的。其测 量时间相对较短、对环境控制要求不高，但其理 论方程较复杂，边界条件较难准确确定，仪器造 价较高。所属的热线法（热带法）陋。６】对试样形状尺 寸有要求，不宜用于绝缘材料；激光闪射法【５’７１ 的测量范嗣很宽，但测得的是材料的热扩散系 数，还需要知道试样的比热和密度，才能通过计 算得到导热系数Ａ，而测定热态下的导热系数还 需要膨胀系数的数值，只适用于各向同性、均 质、不透光的材料；瞬变平面热源法【８１是在试件 上贴上探头，通过多元函数对试样表面温度的响 应进行拟合后便可计算出材料的导热系数，适用 广泛，快捷，但精确度不一定高。
关键词：导热系数；导热仪；双热流汁；保温材料；Ｉ占Ｉ体材料；测定方法 中图分类号：０６５７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—２１９ｌ（２０ｌｏ）ｏｌ一００６３—０４
在化。Ｊ：行业，很多科研生产和应用过程都涉 及到热量传递，导热系数（或热导率）常被用来衡 量材料的导热性能和保温性能，是材料的一个重 要参数。导热系数（Ａ）是指在稳定传热条件下， ｌ ｍ厚的材料，两侧表面的温差为ｌＫ（或ｃＣ），在 １ ｈ内，通过ｌ ｍ：面积传递的热量，单位为Ｗ／（ｍ· Ｋ），此处的Ｋ可用℃代替。Ａ值越小，材料的 绝热性能越好。由于导热系数的大小取决于被测 物的结构组成、平均温度、含水率、传热时间、 两侧温差等诸多因素，一般要通过实验确定。同 体材料导热系数的测定方法现已发展了多种，它 们有不同的适用领域、测量范围、精度、准确 度和试样尺寸要求等，不同方法对同一样品的测 量结果可能会有较大的差别，因此选择适合待测 试样的测试方法是首要的。
稳态热流计法的实验装置（导热仪），通常南 加热单元、１个（或２个）热流传感器、１块（或２ 块）试件和冷却单元组成。日本ｓ Ｄ Ｋ公司的 Ｓｈｏｔｈｅｒｍ ＲＴＭ—Ｇ５稳态法导热仪采用的是单试 件双热流传感器的布置，文中首先阐述了其构造 特征和测试原理，然后对影响聚氨酯保温材料Ａ 测试结果的几个因素进行了分析，最后对提高检 测结果的准确性、减少误差提出建议。 ２．１实验装置的构造特征
Ｓｈｏｔｈｅｒｍ ＲＴＭ．Ｇ５稳态法导热仪的内部构造 如图ｌ所示。
电动升降杆
热板加热器
热板热流传感器 试样 冷板热流传感器 恒温箱加热器
图ｌ Ｓｈｏｔｈｅｒｍ ＲＴＭ一０５稳态法导热仪装置示意图 Ｆｉｇ ｌ Ｄｅｖｉｃｅ ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ Ｓｈｏｔｈｅｒｍ ＲＴＭ—Ｇ５
ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｐｐａｒａｔｕｓ
，、０．０２９
蒸呈ｏ．咄 篓；ｏ脱，
０．０２６ ３６ ３８ ４０ ４２ ４４ ４６ 密度／（ｋｇ－Ｃｎｌ。）
图３聚氨酯硬泡导热系数Ａ随试件密度的变化
Ｆｉｇ．３ Ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ａ ｏｆ ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ ｒｉｇｉｄ ｆｏａｍ ｗｉｔｈ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｄｅｎｓｉｔｙ
板上的“△ｒ控制器”和“ｒ。控制器”分别调 节热板加热器和恒温箱加热器，使试样达到传热 平衡，并处于设计的△ｒ和丁。状态下。
热板或冷板中的热流传感器含有测量热流密 度ｑＨ或ｑ。的温差榆测器和测量ｎ或７１Ｌ的温度传 感器。仪器自动计算导热系数Ａ和平均温度‰， 其大小和试件厚度ｄ的数值可以在仪器外部面板 上的数显窗口内读得。传热达到稳态时，按照操 作规程记录数据，统计分析后得到最终结果。 ２．２仪器标定的测量范围
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化学推进剂与高分子材料 Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔｓ＆Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ
双热流计法测定聚氨酯保温材料的导热系数
奉杰妹 （黎明化．Ｊ：研究院，河南洛阳４７１０００）
摘要：简要介绍了几种测定同体材料导热系数的方法，重点讨论丫稳态双热流计法测定聚氨酯 保温材料导热系数的方法原理、导热仪的结构、影响测试结果的囚素，并对提高检测结果的准确 性、减少误差提出丫建议。
４影响实验结果的主要因素
４．１厚度 对于低密度多孔聚氨酯材料，材料内部真实
万方数据
拿杰妹·双热流计法测定聚氨酯保温材料的导热系数
的传热情况可能是辐射、热传导和对流３种方式 的复杂组合，以及它们的交互作用和传质（尤其 是含湿材料）。因此，由理论公式计算出的导热 系数（ＩＳＯ ９２８８中为传递系数、有效或者表观导 热系数），在相同的测试平均温度下，其大小可 能在很大程度上取决于试件的厚度和温差１１３Ｉ。 Ｓｈｏｔｈｅｒｍ ＲＴＭ导热仪的实验温差可被控制，故 试件厚度对测试结果有很大影响。而在物质传热 过程中，只有热传导产生的热流与厚度成比例。 一般地，试件越薄，导热系数Ａ就越与传导以外 的传热过程有关，故可认为所有材料都存在厚度 的底限。在仪器测量范围内，对黎明化。［研究院 生产的一种聚氨酯硬泡，笔者在相同条件下测试 了５个厚度分别为１ ９．４，２０．１，２ １．４，２３．３， ２５．１ ｍｍ的试件，测得导热系数见图２。南网‘２ 可看出，对于这种聚氨酯保温材料，当试件的厚 度＜２０ ｍｍ时，Ａ随厚度的变化率开始逐渐变 大。另外，虽然Ｓｈｏｔｈｅｒｍ ＲＴＭ导热仪可以减少 侧面热损失对测试结果的影响，但当厚度很大时 低导热系数材料的侧面散热会较多，不容忽视， 故认为其厚度以不超过４０ ｍｍ为宜。
置多采用双试件结构。但此法不能研究湿材料的 热传导性能，不能用于薄膜、涂层等厚度小的样 品；热流计法是一种比较法，是用校正过的热流 传感器测量通过样品的热流，因此需要对测定单 元进行标定，而这样的对比在一定程度上可消减 实验中杂散热耗产生的测量误差，故该法的准确 度不如平板法，但得到的是导热系数的绝对值， 可用于多孔纤维、聚合物基复合材料、高分子材 料等的导热系数的测定。
４．２温度 由于温度升高时材料同体分子热运动增强，
同时聚氨酯多孔材料孔隙中空气的导热和孔壁问 的辐射作用也有所增强，因此，一般来说，多 孔材料的导热系数随着材料温度的升高而增大。 Ａｂｄｏｕ和ＢｕｄａｉｗｉＩｌ４ Ｊ对多种建筑用保温材料的平 均Ｉ：作温度与导热系数的相关关系继续进行了研 究，得到所用聚氨酯材料的Ａ～Ｔ相关曲线的线性 拟合方程为：Ａ＝０．０００ １ ０８９（ｎ＋０．０２０ ｌ ３２，导 热系数随材料温度的升高而增大的幅度较小。但 对于致密材料，这种关系不一定存在。 ４．３密度容重（包括材料的子Ｌ隙率、孔隙特征）
如果用标准试件测得的热流量为Ｑ。，被测试 件测得为Ｑｕ，则标准件热阻Ｒ。和被测试件热阻Ｒ。 的比值ｆｌ ２１为：Ｒ，：Ｒ。＝Ｑ。：Ｑ。，其中标准试件的热 阻需单独用防护热板装置测得（一般南仪器制造商 提供）。热阻和导热系数成反比，而热流密度口＝ ｆ．ｅ，故有Ｒ＝△Ｔ／（ｆＰ）＝ｄ／ｈ，如果满足确定导热 系数的条件，且试件厚度ｄ为已知，则可算出试 件的导热系数Ａ＝＾ｅ．ｄ／ＡＴ。