濕物性對竹原纖維建筑填充材熱工性能的影響

黃祖堅， 孫一民， MUSSO Florian

(1.華南理工大學 建筑學院， 廣東 廣州 510640； 2.華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室， 廣東 廣州 510640； 3.慕尼黑工業(yè)大學 建筑構造與材料教研所， 慕尼黑 80333)

對于竹原纖維(BF)的研究始于20世紀90年代，主要由某些東亞國家主持，且面向紡織業(yè)和復合材料應用[1].竹原纖維的化學組分包含纖維素、半纖維素、木質素果膠和脂蠟質等[2-3]，提取方法主要有機械制備和閃爆工藝[4-5].已有研究關注的是竹原纖維的結構特性和制備、作為服飾用品原料的熱濕舒適性以及作為復合材料增強元素的力學性能等.田慧敏等[6]對竹原纖維表面形貌的研究表明，竹原纖維的表面及孔隙結構有利于其快速吸放濕分.萬玉芹等[7]研究了竹原纖維吸放濕特征曲線并推算了吸放濕速率方程，表明竹原纖維吸放濕速度較快.趙春梅[8]研究表明竹原纖維是高吸濕纖維，在環(huán)境溫度θ為20℃，環(huán)境相對濕度φ為65%時的回潮率為12%.López[9]研究表明竹材的纖維飽和點與其品種有關，大約在13%(Phyllostachys pubescens,毛竹)至20%(Dendrocalamus strictus,印度實竹)之間，小于木材.Liese[10]研究表明，竹材的纖維長度大約在1.04mm(Phyllostachys nigra，紫竹)至2.64mm(Bambusa vulgaris cv. Wamin，大佛肚竹)之間，大于硬木而小于軟木.因為具有良好的力學特性，竹原纖維作為復合材料的力學增強元素在國內外得到了較多研究[11-12].為降低制備成本，有學者和企業(yè)研發(fā)了初級加工的竹原纖維，使其可適用于量大面廣的建筑工業(yè).姚文斌等[13-14]發(fā)明了一種麻形竹原纖維制法.魏書元[15]采用竹原纖維制成建筑保溫材料并申請了專利.Grosser等[16-17]研究表明竹纖維基本上在縱向平行排布，僅在竹節(jié)處有少量徑向纖維，與木材有很大區(qū)別.這一各向異性強烈、缺乏橫向纖維拉結的特點，使得初級竹原纖維的提取耗能較小[18]，有利于大規(guī)模生產.

在建筑圍護結構分層構造體系中，填充材作為必要的組成元素，承擔了提高構造整體聲學和熱工性能的作用.植物纖維是填充材體系中的重要一支，具有可再生、可降解等優(yōu)勢[19-20].Boukhattem等[21-26]分別研究了稻稈、棗棕櫚纖維、椰子纖維、香蕉纖維等作為保溫材料的熱工性質，發(fā)現(xiàn)這些植物纖維的導熱系數(shù)為0.038～0.065W/(m·K)，其中木纖維的導熱系數(shù)為0.038～0.050W/(m·K).

與無機材料相比，植物纖維填充材會與環(huán)境，尤其是濕物理環(huán)境發(fā)生相互作用.Boukhattem等[21-22]研究表明含水率對棕櫚纖維、大麥秸稈、稻草、亞麻、麻纖維和木纖維的導熱系數(shù)具有顯著影響.植物纖維這一特性一方面有助于發(fā)揮其“呼吸性”[23]，對建筑構件及其圍護的建筑空間起到熱濕調節(jié)作用；另一方面由于自身含濕量的變化，可能對其熱工性能產生不利影響.

植物纖維在歐美國家被廣泛應用于低層民用建筑，相比之下中國在這一領域具有廣闊的發(fā)展空間.充實的竹林資源和研究基礎使得竹原纖維可以成為中國研發(fā)植物纖維填充材的一個優(yōu)選對象.對竹原纖維的熱濕物理性質進行系統(tǒng)、關聯(lián)性的研究，是將其合理應用的基礎.

1 材料與方法

1.1 測試對象

測試對象為初級竹原纖維(BF)，是通過碾壓出纖工藝從毛竹(Phyllostachys pubescens，剛竹屬，是中國主要的工業(yè)用竹種)莖部初步取得的韌皮纖維，可進一步加工為可紡竹原纖維和再生竹纖維.BF的單元長度為2.0～10.0cm.

1.2 測試方法

1.2.1平衡吸放濕試驗

平衡吸放濕試驗用于測試BF的等溫吸放濕曲線，以獲得表征其濕儲存性質的平衡含水率u值.試驗時，稱取預定質量的干燥BF填充于玻璃皿中，獲得填充密度ρ為110kg/m3的BF試件，1式6份，吸濕、放濕過程各用3份.主要試驗裝置有：真空干燥器9個，內徑為30cm；溫濕度記錄儀TH10R-EX 1個及外置傳感器9個，溫濕度精度分別為±0.2℃和±2%；玻璃皿51個，內徑為100mm，高度為20mm.

1.2.2干燥試驗

干燥試驗用于測試BF的干燥曲線，據(jù)此計算材料的干燥速率，并以干燥速率作為表征材料濕傳遞性質的吸放濕速率U值.試驗時稱取預定質量的干燥BF，填充于亞克力透明管容器中，獲得填充密度ρ為110kg/m3的BF試件，1式3份.主要試驗裝置有：SHIMADZU UX6200H電子天平,精度0.01g；HWS-250B恒溫恒濕箱，溫濕度精度分別為±0.5℃ 和±5%；亞克力透明管容器12個，底面密封，預留5個直徑5mm的氣孔，容器內徑100mm，高度h分別為40，60，80，100mm.

1.2.3導熱系數(shù)測試

導熱系數(shù)λ值用于表征材料的熱傳遞性質.試驗時稱取預定質量的干燥BF，參考木纖維保溫板的常用密度范圍，將填充密度70～170kg/m3作為BF的測試范圍，故將干燥BF填充于30cm×30cm的EPS模板中(模板厚度為28mm，在中部預留邊長為20cm的正方形孔洞用于填充BF)，獲得填充密度ρ分別為70，90，110，130，150，170kg/m3的BF試件，1式2份.主要試驗裝置有：CD-DR3030平板導熱儀，熱板θ=35℃，冷板θ=15℃，中心傳熱區(qū)域尺寸為15cm×15cm，精度±2%；HWS-250B恒溫恒濕箱，溫濕度精度分別為±0.5℃，±5%(養(yǎng)護過程中采用精度分別為±0.2℃，±2%的TH10R-EX溫濕度記錄儀對箱內溫濕度環(huán)境進行實時監(jiān)測).

采用國際標準ISO 8302—1991推薦的方法[26]，首先采用CD -DR3030平板導熱儀對干燥試件進行導熱系數(shù)測試，得出干燥材料導熱系數(shù)λd.再將試件置入恒溫恒濕箱中養(yǎng)護至設定的平衡含水狀態(tài)，養(yǎng)護環(huán)境的相對濕度φ設置為40%，50%，60%，70%，80%，90%.2周后將試件取出稱重，并測試對應含濕量的導熱系數(shù)，完成測試后將試件放回恒溫恒濕箱中，設置下一梯度濕度環(huán)境進行養(yǎng)護.重復以上操作，直至獲得所有填充密度梯度和濕度梯度試件的λ值.

2 結果分析

20世紀中期，Luikov[27-28]提出用于描述多孔材料中熱濕耦合遷移的高度耦合的非線性偏微分方程.1995年，Künzel[29]改進了Luikov模型，提出以相對濕度φ為濕傳遞驅動勢，并研發(fā)出計算建筑圍護結構內熱濕耦合傳遞的數(shù)值模擬計算軟件WUFI.材料的熱濕物理性質通常用含濕量、密度、環(huán)境溫度和相對濕度等因子進行關聯(lián)性描述，有時1項性質對應有數(shù)十種擬合方程.本文的測試結果顯示：BF的u，U和λ值與環(huán)境相對濕度φ值之間存在指數(shù)函數(shù)關系，可以采用Y=a·eb·φ+c的一般方程進行描述.

2.1 u -φ測試結果分析

BF的平衡吸放濕試驗結果見表1.BF的等溫吸放濕u-φ曲線近似屬于第2類型，即反“S”型曲線.通常曲線前段采用BET方程，后段采用Kelvin方程加以描述.將表1中的平衡含水率u對相對濕度φ進行指數(shù)函數(shù)擬合，有u=0.0088e3.363 7φ(擬合度R2=0.9495,顯著性Sig=0.000009).其中吸濕等溫曲線為u=0.0039e4.282 7φ(R2=0.9584,Sig=0.000004)；放濕等溫曲線為u=0.0145e2.836 3φ(R2=0.9274,Sig=0.000031).從所得的R2和Sig值可見，采用指數(shù)函數(shù)可以較好地描述BF的u-φ曲線.

BF吸濕量高，在φ=96.3%時其u值可以達到25.84%.在本測試范圍內，φ=85.4%～96.3%對應

表1 真空干燥器內溫濕度控制及平衡含水率測試結果

的曲線段斜率大幅高于φ=11.2%～85.4%對應的曲線段斜率.這一方面是因為前者更高的水蒸氣分壓的外在作用，另一方面是由于BF在φ=85.4%～96.3%曲線段中達到了纖維飽和點，進入自由水吸附階段，從而使得其平衡含水率大幅增加.

材料的等溫吸放濕曲線是一定的環(huán)境相對濕度及其所對應的平衡含水率的集合，由于材料達到其平衡含水率的過程不同，所得結果會有差異，通常放濕過程所得u值會不同程度地高于吸濕過程所得u值，這種情況稱為滯后效應.滯后效應因材而異，Künzel[29]對4種常用礦物建筑材料進行測試的結果顯示其滯后效應不明顯，認為在此類材料中采用等溫吸濕曲線對于實際工程而言已經(jīng)足夠準確.對于纖維類材料而言，干燥過程中纖維素分子的羥基會部分借助副價健直接相連而達到相互飽和，因而削弱了之后材料對水分的吸附能力，使其吸濕過程的u值偏小.本文中，在φ=11.2%～85.4%的范圍內，等溫吸濕和放濕過程有較為明顯的滯后效應，放濕過程所得u值比吸濕過程高0.52%～3.50%.因此建議在BF平衡含水率取值時，采用吸濕過程和放濕過程所得u值的平均值.

2.2 U-φ測試結果分析

BF的吸放濕速率U值的測試結果見表2.將表2中的U值與材料平衡含水率對應的相對濕度φ值進行指數(shù)函數(shù)擬合，有U=2.7610×10-10e0.111 0φ(R2=0.9960,Sig=9.0054×10-10).考慮試件高度h的影響，有U=(1.009×10-10-1.396×10-10lnh)·e0.111 0φ(R2=0.9500,Sig=0.026).從所得的R2和Sig值可見，采用指數(shù)函數(shù)可以較好地描述BF的U-φ曲線.

BF的干燥曲線表現(xiàn)出前后兩個階段的特點.在測試范圍內，φ=75%～95%階段的U值大幅高于φ= 50%～75%階段.前一階段U值主要取決于環(huán)境溫度和相對濕度，后一階段U值主要取決于自身物性.4組不同高度試件的測試結果對比表明，在h= 40～100mm 時，U值受試件高度影響不明顯.

表2 竹原纖維吸放濕速率U值

2.3 λ-φ測試結果分析

圖1為BF導熱系數(shù)測試結果.對圖1中的測試結果進行Spearman相關性分析，所得λ-φ和λ-u的相關系數(shù)R分別為0.8688和0.8406，其雙尾顯著性分別為8.833×10-14和3.2946×10-12.2組數(shù)據(jù)相關性均在0.01層上顯著(雙尾)，其中λ-φ比λ-u相關性略強.在另一方面，BF的λ值與u值之間存在“S”型曲線關系，在試件從干燥狀態(tài)直至平衡含水率較低的初始階段，λ值增大速率隨著平衡含水率的增加而增大；在平衡含水率達到一定值后，在本測試中為u=11.5%～13.0%時，λ值增大速率減緩.“S”型曲線較難采用單一函數(shù)進行描述，在WUFI等基于HAM建筑圍護結構熱濕耦合傳遞的計算模型中，通常采用線性方程結合含水量補償系數(shù)b值進行近似估算[29].在本文中，采用線性函數(shù)對λ-u測試結果進行擬合，有λ=0.0421-0.016870u(R2=0.8976,Sig=0.004073)，而采用指數(shù)函數(shù)方程對λ-φ測試結果進行擬合，有λ=0.00457e4.397 4φ+0.043 7(R2=0.9955,Sig=0.000008)；從所得的R2和Sig值可見，至少在本文中以φ作為自變量的指數(shù)函數(shù)，可提高BF的導熱系數(shù)與其濕物理性質關系的擬合度.

圖1 竹原纖維導熱系數(shù)Fig.1 Thermal conductivity of BF

不同填充密度BF干燥試件的導熱系數(shù)為0.0423～0.0465W/(m·K)，與木纖維保溫板性質相近.在填充密度ρ=70～170kg/m3范圍內，λ值隨ρ值增大而增大，且不同填充密度的BF試件之間的導熱系數(shù)差異隨著環(huán)境相對濕度的增大而增大，如在干燥條件下，ρ=170kg/m3試件和ρ=70kg/m3試件的λ值相差9.46%，而在φ=90%條件下，這2種試件的λ值相差達到20.88%，表明BF的導熱系數(shù)受環(huán)境相對濕度的影響與自身填充密度存在正相關關系.

2.4 相關熱工性能參數(shù)推算

選擇填充密度為110kg/m3，高度為60mm的試件作為個案，設置3組對比計算對象，其中組1采用本測試所得BF的u-φ，U-φ和λ-φ函數(shù)，以1h為時間步長計算24h內的λ0，S0，D0值，作為計算參照；組2將組1中的U值減小一半，u值和λ值不變，以1h為時間步長計算24h內的λU，SU和DU值，計算結果用于評價吸放濕速率U值對試件熱工性能的影響；組3將組1中u值提高2倍，U值和λ值不變，以1h為時間步長計算24h內的λemc，Semc和Demc值，計算結果用于評價平衡含水率u值對試件熱工性能的影響.所得結果見圖2.

計算結果顯示，在相對濕度周期性變化的環(huán)境下，BF填充材的熱工性能會隨之波動，采用極值差Dev作為表征其波動幅度的指標，則本測試所得BF的導熱系數(shù)λ0，蓄熱系數(shù)S0和熱惰性指標D0的Dev值分別為16.60%，12.12%和4.28%.

圖2 24h周期的相對濕度φ，導熱系數(shù)λ，蓄熱系數(shù)S和熱惰性指標D的計算結果Fig.2 φ in cycle of 24h and the calculation results of λ, S and D

當BF的吸放濕速率U值降為原來的1/2時，BF填充材的熱工性能波動幅度大幅縮小，其中λU，SU和DU的Dev值分別降低至0.80%，0.59%和0.21%，且表征熱傳遞性質的導熱系數(shù)λ值得到明顯改善，24h平均值由0.0536W/(m·K)降至0.0518W/(m·K).當BF的平衡含水率u值增至原來的2倍時，BF填充材的熱工性能波動幅度也明顯下降，其中λemc，Semc和Demc的Dev值分別降至8.18%，7.72%和1.12%，且同時表征熱儲存和熱傳遞的蓄熱系數(shù)S值和熱惰性指標D值均得到了明顯改善：S的24h平均值從1.8559W/(m2·K)提高到1.9255W/(m2·K)，D的平均值從2.1215提高到了2.2404.

3 結論

(1)采用指數(shù)函數(shù)Y=a·eb·φ+c，可以將u，U和λ值分別與環(huán)境相對濕度φ進行較好的擬合.

(2)在測試范圍內，受環(huán)境相對濕度φ及自身特性影響，BF的等溫吸放濕u-φ曲線在φ為85.4%～96.3%、吸放濕速率U-φ曲線在φ為75%～95%時快速增大.

(3)在填充密度ρ為70～170kg/m3范圍內，干燥BF的λ值為0.0423～0.0465W/(m·K)，與木纖維保溫板性質相近；潮濕BF的λ值隨φ值增大而增大的速率與其自身填充密度呈現(xiàn)正相關關系.

(4)在相對濕度動態(tài)變化的環(huán)境中，λ值，S值和D值會相應波動，波幅與U值呈正相關關系，且S值和D值隨u值的增大而增大，λ值隨U值的減小及u值的增大而減小，表明增大u值和減小U值均有利于改善BF的熱工性能.

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