摘 要:蠕變系數A 作為評價隔熱型材復合穩定性的指標具有重要意義,通過縱向剪切試驗研 究了穿條式隔熱型材蠕變系數的影響因素及應用。結果表明:蠕變系數A 與縱向剪切特征值TC 和縱向剪切標準差ST 高度相關,而與隔熱條截面高度h無關。蠕變系數A 不應單獨使用,需要聯 合TC 和ST 才能更有效地對隔熱型材的復合穩定性作出評價。現行國家標準中蠕變系數A 的合 格值空缺,需要大量試驗數據來支持后續的修訂工作。
關鍵詞:隔熱型材;穿條式;蠕變系數;影響因素
中圖分類號:TU55 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)10-0023-04
隔熱型材[1]是以隔熱材料連接鋁合金型材而制 成的具有隔熱功能的復合型材,因此其復合性能(如 縱向剪切特征值TC、橫向拉伸特征值QC 和蠕變系 數A 等)是影響產品質量的重要因素,也是各生產 企業關注的性能指標。隔熱型材按復合方式分為穿 條式和澆注式,分別使用聚酰胺型材(即隔熱條)[2] 和聚氨酯隔熱膠[3]作為隔熱材料。
蠕變系數 A [1,4]反映了隔熱型材經過80 ℃/ 1000h持久載荷縱向剪切試驗后,其高溫縱向抗剪 特征值,其數值越接近1代表隔熱型材的穩定性越 好。高溫縱向抗剪特征值是隔熱型材復合性能中最 具代表性的指標[5],按照現行國家標準的要求,其值 不小于24N·mm-1。
筆者通過縱向剪切試驗研究了穿條式隔熱型材 蠕變系數的影響因素及應用,以期能有效地提升國 內隔熱型材企業的產品質量。
1 試驗方法
該次試驗中材料均為穿條式隔熱型材。按 GB/T5237.6-2017《鋁合金建筑型材 第6部分:隔 熱型材》表13中的取樣規定,每批抽取2根隔熱型材,在每根型材的中部和兩端各切取5個試樣,試樣 長度為 (100±2)mm。將 試 樣 分 成 3 份 (每 份 10個),第1、2份試樣分別進行室溫、高溫縱向剪切 試驗,第3份試樣放入高溫持久載荷縱向剪切試驗 機中進行80℃/1000h持久試驗,待試驗結束后取 出并對其進行高溫縱向剪切試驗,最后計算出蠕變 系數A。
1.1 穿條式隔熱型材縱向抗剪特征值
第1份試樣按GB/T28289-2012《鋁合金隔熱 型材復合性能試驗方法》中3.1款的步驟,在溫度 (23±2)℃的條件下進行縱向剪切試驗,得到試樣 單位長度上承受的最大剪切力T,并計算出10個試 樣的平均值T??、標準差ST,再由下式計算出縱向剪 切特征值TC:
第1份試樣的縱向抗剪特征值TC 記為TR C。 第2份試樣的試驗步驟與第1份相同,試驗溫度為 (80±2)℃,所得高溫縱向抗剪特征值記為TN C,并 在接下來的高溫持久載荷縱向剪切試驗中用于確定 持久載荷的大小。
1.2 高溫持久載荷縱向剪切試驗
第3份試樣按 GB/T28289-2012中3.6款的 步驟進行高溫持久載荷縱向剪切試驗,試驗條件為 (80±2)℃/1000h。試樣的夾持懸掛應符合 GB/ T28289—2012中3.6.5款的技術要求,持久載荷p 按下式計算[4]:
式中:p 為試驗加載的載荷;L 為試樣名義長度(該 次試驗中的名義長度L 均為100mm)。
1.3 蠕變系數A 的測定
第3份試樣完成高溫持久載荷縱向剪切試驗 后,按標準步驟進行狀態調節,隨后進行高溫縱向 剪切試驗得到特征值 TM C 。按 下 式 計 算 蠕 變 系 數A。
2 試驗數據及分析
聚酰胺型材根據截面結構分為I型和非I型兩 類[2],如圖1所示,其中h為聚酰胺型材截面高度。
該次試驗主要研究I型截面高度h 分別為 14.8、20、24mm 的隔熱型材試樣。試驗結果詳見 表1。
2.1 特征值TC 和標準差ST
任何產品的生產都涉及一系列質量控制,就穿 條式隔熱型材而言,其質量控制主要包括:在系統設 計階段對鋁型材槽口和聚酰胺型材頭部的標準化設 計;材料選擇階段使用尺寸精良、力學性能良好的材 料;加工階段對開齒和滾壓這兩道關鍵工序的控 制[6]。GB/T5237.6-2017以一系列參數指標評價 產品質量好壞,諸如力學性能、抗老化性能及復合 性能。
在設計合理、選材合格的基礎上,復合質量的關 鍵在加工階段,包括開齒、穿條和滾壓。研究結果表 明開齒狀況直接影響隔熱型材縱向剪切性能[7]:① 齒峰寬度越小、齒深越大,則(室溫、高溫)縱向剪切 的標準差ST 越小、特征值TC 越大;②齒峰寬度越 小、齒深越大,室溫與高溫縱向剪切特征值的偏差 ΔTC 越小。
造成這個結果的原因可理解為:齒峰寬度越小、 齒深越大意味著齒越尖銳,則在相同的滾壓力作用 下嵌入隔熱條越深,兩者的結合更牢固,最終反映為 復合性能更好,抗剪特征值更大。需要注意以上結 論成立的前提是除開齒狀況外,隔熱型材的其他狀 況一致(如鋁型材和隔熱條的尺寸、材料、滾壓工藝 相同等),即ST 越小并不必然意味著TC 越大、ΔTC 越小。
從式(1)的數學關系可知,T?? 和ST 同向增減都 能得到相同的TC。例如:①良好的開齒狀況和足夠 大的滾壓力能得到較大的T??,若滾壓力波動大會導 致較大的ST(簡稱大T?? 大ST);②開齒狀況不佳或 滾壓力不足導致較小的T??,但滾壓力波動小使得ST 亦較小(簡稱小T?? 小ST)。第1種情況能得到大 TC 或小TC,取決于T?? 是否大到足以消弭ST 的影 響,而第2種情況只能得到小TC。至于大T?? 小ST 和小T?? 大ST 的結論就很明晰了。
2.2 特征值偏差ΔTC 和蠕變系數A
隔熱型材穿條和滾壓的過程中,鋁型材齒條和 隔熱條擠壓復合產生應力,高溫時應力釋放導致復 合性能變差,因此高溫縱向抗剪特征值往往小于室 溫縱向抗剪特征值[5],兩者的偏差ΔTC 可以反映出 隔熱型材復合性能的高溫穩定性。蠕變試驗的本質 是通過高溫、加載共同時效來反映復合性能的穩定 性。蠕變系數A 是TN C 和TM C 的比值,理想狀態下 值為1,用ΔA 來表征A 與1的偏離。
采用定性半定量的方法來分析表1的試驗數據 結果,以 TC=40N·mm-1、ST =3.00N·mm-1、 T??=50N·mm-1、ΔTC=20%,ΔA=±15%作為數 值大、小的界定,分析結果見表2。
表2以TC=40N·mm-1為界劃分為兩組。第 I組TC≤40N·mm-1,數據表明小T?? 小ST、大T?? 大 ST、小T?? 大ST 均能得到小TC,呈現出大ΔTC 對應 小 ΔA,小 ΔTC 對 應 大 ΔA;第 II 組 TC > 40N·mm-1,數據呈現出在大TC 下,大 ΔTC 對應大ΔA,小ΔTC 對應小 ΔA。隔熱條的截面高度h 與上述參數無明顯關聯。
2.3 討論
第II組中試驗編號為2、3、6、8的T?? 和ST 較 大,仍得到較大的TC,可以認為型材的開齒狀況良 好,滾壓力足夠但波動較大,在高溫、加載、時效、應力釋放等作用下波動被放大,型材的復合穩定性下 降較多導致ΔTC 和ΔA 均較大;5號試驗的結論看 似反常,但考慮到其T?? 和ST 均遠大于同組的其他 試樣,可以理解為優良的開齒狀況和更大滾壓力共 同作用能夠很好地覆蓋高溫、加載、時效、應力釋放 等影響,從而使復合穩定性下降較少;9號試驗的 ΔTC 和ΔA 均較小是得益于較小的ST,即波動引起 的復合穩定性下降不嚴重。事實上,9號試驗呈現 的參數關系是最理想的隔熱型材模型。
第I組的TC 較小,說明開齒狀況、滾壓力大小 和波動的綜合效果不佳,最終必然影響復合穩定性。 4號試驗的ST 遠大于1、7號試驗的,長期來說應該 更不穩定,ΔTC 和ΔA 的不一致很可能與應力釋放 的時效有關,但這一猜測需要更多試驗數據來證實。 蠕變試驗更像加強版的高溫縱向剪切試驗,除了高 溫還加入了載荷與時間,更嚴苛地測試隔熱型材復 合性能的穩定性。
蠕變系數A 的意義在于衡量隔熱型材復合性 能在經歷高溫、加載時效后的穩定性,國家標準中加 入這項指標,對豐富產品的評價維度有積極意義。 但這項指標應與其他指標(特別是TC 和ST)綜合 使用,才能使評價結果更有效。
3 結論
(1)蠕變系數A 作為評價復合穩定性的指標, 與隔熱條截面高度h 無明顯關聯,但與縱向剪切試 驗的指標關系密切。
(2)由于隔熱型材的開齒狀況、滾壓力與波動 直接影響縱向剪切特征值TC 和縱向剪切標準差 ST 的大小,可以推斷其亦是影響蠕變系數A 的重 要因素。蠕變系數A 不應單獨使用,至少需要聯合 TC 和ST 才能更有效地對隔熱型材的復合穩定性 作出評價。高溫縱向抗剪特征值仍然是最便捷的評 價指標。
(3)現行國家標準中蠕變系數A 的合格值空 缺,后續的修訂完善工作需要大量試驗數據支持。
參考文獻:
[1] 全國有色金屬標準化技術委員會.鋁 合 金 建 筑 型 材 第6部分:隔熱型材:GB/T5237.6-2017[S].北京: 中國標準出版社,2017.
[2] 全國有色金屬標準化技術委員會.鋁合金建筑型材用 隔熱材料 第1部分:聚酰胺型材:GB/T23615.1- 2017[S].北京:中國標準出版社,2017.
[3] 全國有色金屬標準化技術委員會.鋁合金建筑型材用 隔熱材料 第2部分:聚氨酯隔熱膠:GB/T23615.2- 2017[S].北京:中國標準出版社,2017.
[4] 全國有色金屬標準化技術委員會.鋁合金隔熱型材復 合性能試驗方法:GB/T28289-2012[S].北京:中國 標準出版社,2013.
[5] 黃顯芝,詹浩,李揚.穿條式鋁合金隔熱型材縱向剪切 性能分析[J].中國金屬通報,2017(增刊):183-201.
[6] 黃日勇.穿條式隔熱型材質量控制要素[J].中國金屬 通報,2017(增刊):374-376.
[7] 李強,張洪亮.隔熱型材開齒工藝對復合性能的影響 [J].中國金屬通報,2017(增刊):387-390.