聚丙烯蜂窩板的研究現(xiàn)狀

(青島理工大學(xué) 山東 青島 266033)

聚丙烯蜂窩板的研究現(xiàn)狀

孫明明王滕

(青島理工大學(xué)山東青島266033)

在建筑中，習(xí)慣上將用于控制室內(nèi)熱量外流的建筑材料成為保溫材料，防止室外熱量進入室內(nèi)的材料叫做隔熱材料，保溫隔熱材料統(tǒng)稱為絕熱材料。在建筑中絕熱材料主要用于墻體和屋頂?shù)谋亟^熱，熱工設(shè)備熱力設(shè)備的保溫以及冬季施工的保溫，在冷藏室以及冷藏設(shè)備上也大量使用。由于熱量總是由高溫向著低溫傳遞，在冬季如果要保持室溫，就必然要向室內(nèi)源源不斷的補充熱量以補充向外界散熱的熱損耗，如使用空調(diào)電暖器以及散熱器等設(shè)備供暖。良好的保溫材料對整個建筑的節(jié)能具有積極的影響，譬如北京的一棟六層住宅樓，使用礦棉復(fù)合保溫板相比傳統(tǒng)的磚墻能夠?qū)釗p失降低40%左右，能量消耗降低25%到30%。良好的保溫材料可提高圍護結(jié)構(gòu)的絕熱性能，保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性。探究保溫材料的構(gòu)造如何影響其傳熱性能，影響保溫材料的保溫性能因素有哪些，對保溫材料的優(yōu)化設(shè)計有著重大的意義。

常用的保溫絕熱材料按其成分可分為有機、無機、和金屬材料三類，按形狀可分為纖維狀、多孔狀、粒狀、層狀等多種類型。有機絕熱材料，多以天然的植物材料或合成的高分子材料為原料加工而成。與無機絕熱材料相比，保溫性能好成本低。常見的有機絕熱材料有泡沫塑料、植物纖維類絕熱板、玻璃棉制品鋁箔復(fù)合材料等。植物纖維類絕熱板是以植物纖維為主要成分的板材，常用于絕熱材料的各種軟質(zhì)纖維板，如軟木版、木絲板、軟質(zhì)纖維板、蜂窩板等。近年來，隨著合成高分子材料的技術(shù)日益成熟，高分子材料逐漸取代了傳統(tǒng)的建筑材料。合成高分子材料是以人工的高分子化合物為基礎(chǔ)制作而成，按性能和用途可分為塑料、橡膠化學(xué)、纖維三大類。合成高分子材料有然材料無可比擬的優(yōu)越性能，其原料來源豐富、造價低廉、制備工藝簡單，因此發(fā)展速度較為迅速，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，一般稱為高分子建材。高分子建材與人民生活、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、尖端科學(xué)都有著密切的聯(lián)系。在建筑上，高分子材料不僅被應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)性材料，如裝修防水、給排水、隔熱隔聲等，也被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)材料，如聚合混凝土。塑料是最常見的高分子材料，常用的塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。塑料的密度小，強度高，易于加工，耐腐蝕，生產(chǎn)能耗小，同時保溫絕熱性能良好，其導(dǎo)熱系數(shù)一般為金屬的1/500至1/600，是理想的保溫材料。充分利用高分子材料的優(yōu)越性能，與傳統(tǒng)材料取長補短，制造出更多的特殊高級性能的復(fù)合建筑材料，是中國建筑材料行業(yè)的大趨勢。

一、聚丙烯蜂窩板簡介

在上述背景之下，各種新型的節(jié)能保溫材料被陸續(xù)開發(fā)出來。蜂窩板由于其良好的性能正在受到各個領(lǐng)域越來越多的重視。

蜂窩板是由兩塊較薄的面板，牢固地粘結(jié)在一層蜂窩芯材兩面而制成的板材，亦稱蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。蜂窩板是一項重要的仿生材料，其蜂窩芯材的制作原型為大自然蜂類的蜂窩。蜜蜂是大自然中的建筑師，其蜂巢由無數(shù)個六邊形棱柱構(gòu)成，每個小的蜂窩大小體積近似相等，均為0.25。由于蜂窩芯材的結(jié)構(gòu)與組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)類似，因此在國外相關(guān)文獻中，蜂窩芯材的單個結(jié)構(gòu)單元被稱為“體胞”，蜂窩板的面板被成為“蒙皮”。構(gòu)成蜂窩板的蒙皮以及芯材的材料有著非常多樣化的選擇，譬如塑料、鋁板、石膏板、天然大理石材，均可做成蜂窩板。

以蜂窩結(jié)構(gòu)作為芯材的蜂窩板具有質(zhì)量輕、強度高、隔熱、隔音等優(yōu)點，蜂窩板面板可多樣化如塑料、鋁板、石膏板、天然大理石材，均可做成蜂窩板，材料選擇方便，因此被廣泛用于建筑交通等領(lǐng)域。

1945年試制成最早的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。蜂窩結(jié)構(gòu)比其他夾層結(jié)構(gòu)具有更高的強度和剛度,與鉚接結(jié)構(gòu)相比,結(jié)構(gòu)效率可提高15%～30%。夾層的蜂窩孔格大小、高矮及其構(gòu)成格子的薄片厚度等決定表板局部屈曲、孔格壁板屈曲的臨界應(yīng)力及夾層結(jié)構(gòu)的保溫性能。這些尺寸的選擇，一般要保證能夠承受一定的屈曲載荷的前途下具有一定的保溫性能。

蜂窩板的優(yōu)良性能，主要得益于其獨特的蜂窩芯材結(jié)構(gòu)。蜂窩芯材的種類多種多樣，常見的有正六邊形蜂窩、米字型蜂窩、三角形蜂窩、方形蜂窩、圓形蜂窩等。不同結(jié)構(gòu)的蜂窩具有不同的性能，因此蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍及其廣泛。

聚丙烯蜂窩板是一種以高分子復(fù)合材料聚丙烯為原料，添加了阻燃劑透光劑等添加劑后制成的板材。聚丙烯蜂窩板除了具有一般蜂窩板隔熱隔音、質(zhì)量輕、強度高等優(yōu)點外，還具備了高透光性能，因此被廣泛應(yīng)用于建筑中需要兼顧保暖采光的地點，如溫室大棚的吊頂以及外壁，花卉溫室的頂棚以及游泳池天幕。

聚丙烯的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬材質(zhì)，因此使用高分子材料聚丙烯制成的蜂窩板相對于普通的蜂窩板材質(zhì)更輕，因此特別適用于在保溫的同時需要嚴(yán)格控制質(zhì)量的領(lǐng)域，如冷藏車車庫的外壁夾層等。

二、蜂窩板的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于蜂窩板優(yōu)良的性能，國外相關(guān)領(lǐng)域?qū)Ψ涓C板的研究與開發(fā)從未間斷。早在20世紀(jì)五十年代，國外就開始了對蜂窩板性能的研究。Swann和pittman建立了蜂窩芯材內(nèi)部的導(dǎo)熱模型，通過該模型對蜂窩體胞進行了傳熱分析，推導(dǎo)出了蜂窩板導(dǎo)熱系數(shù)的半經(jīng)驗計算公式，被后來的研究者廣泛用于蜂窩板的等效導(dǎo)熱系數(shù)計算。由于蜂窩板同時存在導(dǎo)熱，對流，輻射三種傳熱方式，傳熱過程較為復(fù)雜，使用swan和pittman的半經(jīng)驗公式計算蜂窩板的導(dǎo)熱系數(shù)存在較大誤差。HYUN和hollands等研究了體胞內(nèi)空氣對流傳熱對蜂窩板傳熱系數(shù)的影響，YI使用高斯積分法對蜂窩芯材體胞的輻射傳熱進行了研究。隨著蜂窩板的研究日益成熟，一批新型材料相繼出現(xiàn)并且逐步應(yīng)用到各個領(lǐng)域之中。

由于制造成本昂貴，早期國外的蜂窩板主要應(yīng)用于航空領(lǐng)域中。蜂窩結(jié)構(gòu)較常規(guī)材料輕便強度大，主要被用于制作飛機及太空站的各種壁板、翼面、艙面、艙蓋、地板、發(fā)動機護罩、尾噴管、消音板、衛(wèi)星星體外殼、剛性太陽電池翼、拋物面天線、火箭推進劑貯箱箱底等。美國波新公司生產(chǎn)的播音7471飛機，其機體大量應(yīng)用了蜂窩板以減輕其自重，增加續(xù)航能力。

隨著蜂窩研究的進一步成熟，蜂窩板的保溫性能越來越受到重視。相比傳統(tǒng)的保溫材料，蜂窩板獨特的空腔結(jié)構(gòu)使得其內(nèi)部可以填充空氣或者氮氣等惰性氣體，成本較低，保溫效果好，同時蜂窩板的蜂窩狀結(jié)構(gòu)又使其具有較大的強度，因此被逐漸用于建筑等各個行業(yè)之中。

對國內(nèi)而言，蜂窩板最早被應(yīng)用于制造火車和列車，如早期的25A型客車包間間隔就采用了特制的鋁蜂窩板。隨著火車和高鐵的提速需求日益強烈，蜂窩板越來越多的被用于其門板和包廂壁的制造。汽車業(yè)以及船舶業(yè)也大量應(yīng)用了蜂窩板作為制造材料，如汽車座椅、天窗、冷藏車壁板、輪船外殼等。

近年來聚丙烯蜂窩板越來越多的被應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。聚丙烯蜂窩板不僅具有一般蜂窩板輕便保溫隔聲的特點，同時還具有一般蜂窩板不具備的優(yōu)良透光性能，非常適用于建筑中需要保溫和透光的地方，如門窗大型建筑的吊頂?shù)?。由于蜂窩板內(nèi)具有復(fù)雜的腔壁結(jié)構(gòu)，如果改變光線的入射角度，使其與蒙皮產(chǎn)生一定的入射角，同時在蜂窩板底部加裝吸熱板，光線將在蜂窩板內(nèi)進行多次反射和折射并且被蜂窩板吸收。因此這種特質(zhì)的蜂窩板又可以作為一種蓄能材料，可以用于太陽能集熱器，太陽能發(fā)電等。

孫明明(1992-)，男，漢，河北唐山,在讀碩士，青島理工大學(xué)，研究方向傳熱保溫。