供暖係統中阻氧管材（cái）的透氧性能分析

　　現代（dài）建（jiàn）築中，地麵輻射（shè）供暖係統因符合熱空氣自下而上運動軌跡，故（gù）而實感溫度高、室內溫度梯度小，同時節省室內空間（jiān），使之成為如今非常普遍的采暖方（fāng）式。隨著此種（zhǒng）供暖形（xíng）勢的（de）推廣，塑料管（guǎn）材（cái）的需求也日益突出。大量的PB、PP-R、PE-X、PERT等塑料管材作為末端采暖部分應用（yòng）於地麵輻射供暖係統中，雖然（rán）具有質輕、導熱係（xì）數低、安裝便捷，但（dàn）一直存在著一個嚴重的質量（liàng）隱患——滲氧，嚴（yán）重威脅供暖係統的正（zhèng）常運轉及壽命。

一、“滲氧”分析

　　無論何種（zhǒng）塑料，或多或少都具有氣體滲透性。對於地麵（miàn）輻射供暖係統來說，外界氧氣在空氣中的分壓力的作用（yòng）下，透過地麵、混（hún）凝土材料和（hé）管（guǎn）材進入係統的循環水中，即為“滲氧”。除此之外，排氣閥、連接法蘭安或循環水泵安裝不合理或運轉不正常導致部分管路出現負壓（yā），也會發生（shēng）氧（yǎng）氣滲入。

　　這種“滲氧”行為（wéi）會對供暖係統中的金屬配件，如金屬管道、鍋爐、黃（huáng）銅材質的分/集水器、以及管路連接（jiē）件產生破壞性極大的氧化腐蝕，通常表現為潰瘍或小孔形（xíng）的腐蝕麵，上附有黃（huáng）褐色、磚紅色的腐蝕物，嚴重縮短管材和金屬零件（jiàn）的使用壽（shòu）命^[1]。於此同（tóng）時，氧氣的存在極（jí）易（yì）滋生出像藻類的微生物和細菌，與金屬氧（yǎng）化腐蝕物（wù）顆粒共同構成生物淤泥，隨水而流，沉澱在流速較低的彎角部（bù）位，日積月（yuè）累逐（zhú）漸影響係統正常的水循環，致使室內溫度達不（bú）到采暖要求。

二、阻氧管材對於（yú）“滲氧”的控（kòng）製效果

　　針對“滲氧”問題，一些發達國家和地區強製要求使用熱水的供（gòng）暖係統（tǒng）采（cǎi）用（yòng）帶（dài）阻（zǔ）氧性（xìng）的塑料管材（cái）。當前，對現有塑料管材增（zēng）加阻氧性（xìng）主要有兩（liǎng）種方式：一是像鋁塑複合管、塑鋁穩（wěn）態管（guǎn）等通過包覆金屬層（céng）實現阻氧；二是，在塑（sù）料管材基礎上（shàng）複合一層高分子阻隔材料——一般為（wéi）EVOH，製成阻氧管材^[2]。由於第一種工藝複（fù）雜，成本高，相比之下第二種更（gèng）為受到業界企（qǐ）業的歡迎。

　　EVOH,是乙烯-乙烯醇共聚物，是一種高結晶度聚合物，不利（lì）於小分子的穿透。獨特（tè）的鏈段結構中，其分子（zǐ）中的羥基和分子間的氫鍵彼此強烈的鍵合，強（qiáng）大的內聚力使得分子鏈的堆積程（chéng）度高，限製了氧氣的擴散。同時，羥基表現為極性，而氧氣為非極性，據相似相（xiàng）溶的原理，氧氣也不易滲透其中^[3]。EVOH的阻隔性取決於兩種共聚單體的摩爾分數（shù），當乙烯含量（liàng）超過50%時，材料的氧氣阻隔性會大幅下降，通常，乙（yǐ）烯與乙烯醇（chún）的摩爾分數（shù）比例在2:8到4:6之間。基於此，EVOH被業界認定為一種優良的氧阻隔材料，逐步應用於供暖係統（tǒng）的（de）管（guǎn）材中。

三、阻氧管（guǎn）材的氧氣透過（guò）率

　　隨著以EVOH為阻隔層的阻氧管（guǎn）材的大範圍應用，歐（ōu）美國家相（xiàng）繼出台了阻氧管材的（de）氧氣透過（guò）率的要求加以規範。當前，世界範圍內認可度最高的是德國DIN4726標準（zhǔn），規定熱水管40℃以下，阻氧管材的氧氣透（tòu）過率不超過（guò）0.1g/（m³·24h）。國內，2002年發布的CJ/T 175 《冷熱水用耐（nài）熱聚乙烯（PE-RT）管道（dào）係統》對該類管材的透氧性做了同樣的（de）要求。然而，國內目前對於阻氧管材的氧氣透過率（lǜ）尚沒有統（tǒng）一的檢測方法和評判依據，從而在一定（dìng）程度上製約了該類管（guǎn）材的推（tuī）廣（guǎng）。下（xià）麵，筆者（zhě）在長期對包裝物透氧性測試經驗基礎（chǔ）之上，提出了（le）一種測（cè）試（shì）阻氧管透氧率的方法，還通過試驗數據對透氧率的影響因素進（jìn）行了深入分析。

　　測試儀器：OX2/230氧氣透過率測試係統

　　測試樣品：同規格的PE-RT管、阻氧PE-RT管（具有EVOH阻氧層的PE-RT管），管材一端均（jun1）為密封狀態。

　　測試過程：利用樣品將儀（yí）器（qì）的滲（shèn）透腔隔成兩個獨立的（de）氣流係統，樣（yàng）品內側被氮氣（qì）流（liú）緩慢淨化，樣品外側暴露在（zài）氧濃度已（yǐ）知（zhī）的環境中，如圖1。樣（yàng）品兩側歲氣體壓力相等但氧氣分（fèn）壓不同，因（yīn）此在氧氣濃度梯度的作用下，氧氣（qì）分子透過（guò）樣品壁進（jìn）入氮氣流中，隨之被其攜帶（dài）至庫倫傳感器處，庫倫傳感器探測到（dào）氧氣會輸出電流，電流的（de）大小與單位時間內流入（rù）傳感器的氧氣總量（liàng）成（chéng）正比。

　　據此（cǐ）原理，筆者分別對PE-RT管和阻氧PE-RT管的（de）氧氣透過率進行了（le）檢測，同時（shí），記錄了不同溫度和濕度條件下阻氧PE-RT管的氧氣透過率數據，以便分析。測試結果見表（biǎo）1和表2。

表1 PE-RT管（guǎn）和阻氧PE-RT管的氧氣透過率測試結果

表2. 不同溫濕度下（xià）阻氧PE-RT管的氧氣透過率測試結果（guǒ）

　　通過表1的（de）數據，顯而易見PE-RT管的氧氣透過率是阻氧PE-RT管的79倍之（zhī）多（duō），可見即使使用（yòng）一層EVOH的材料，整體管材就（jiù）可以獲得（dé）很高的阻氧效果。表2體現了不同測試溫度和（hé）濕度條件下阻氧PE-RT的氧氣透過率，當溫度自23℃升至45℃時，管材的氧氣透過率上升了456%，而當測試濕度從39%RH提高到60%RH，阻氧管材的氧（yǎng）氣透過率更是增大（dà）了數千倍。由此可以看出，EVOH的氧氣透過率受溫度和（hé）濕度的（de）影響非常大。究其原（yuán）因，主要是由（yóu）EVOH自身結構和特性決定的。

　　上麵提到，EVOH因（yīn）其分子中的羥基和分子間的氫鍵彼此強烈鍵合，在分子鏈間形成巨大的（de）內聚力，阻礙氧氣（qì）分子的擴散。當溫度升高時（shí），一方麵平行分子鏈形成的通道變寬，另一方麵熱運動使得分子鏈構象變化越快，相鄰分（fèn）子（zǐ）鏈間的距離加大，內聚度下降，加快了氧氣分子的滲透速度。因此，當溫度較高時，EVOH的氧氣阻隔性就會有所降低。

　　而為什麽濕（shī）度變化引起EVOH氧氣透過率的大幅提高，主要（yào）在於兩個原因：1、EVOH含有羥基—OH, 對水（shuǐ）敏感（gǎn），若（ruò）環（huán）境濕度升高，環（huán）境中的水分會向EVOH中擴（kuò）散，會使材料中的（de）自由體積（jī）增（zēng）加，為氣體分子提供更多的擴散縫隙，增大了氣體透過率。2、當（dāng）EVOH處於高濕環境時會變為高彈態，此時的EVOH分子鏈段（duàn）結合鬆散（sàn），有利於氣體分子的（de）擴散。

　　根據EVOH阻氧性受溫度和濕度的（de）影響分析，在（zài）阻氧（yǎng）管的生產工藝中，通常（cháng）采（cǎi）用多層結構的形式減少溫濕度對EVOH的影響。主要有三層和五層結（jié）構，如圖2。第（dì）一種為3層結構，EVOH層位於內層，直接麵對高濕環境並受到熱水的反複浸泡，致（zhì）使阻隔（gé）性急劇下降。第二種（zhǒng）同為3層結構（gòu），但EVOH層位於外側，通過PE-RT材質層有效隔離（lí）管道內水蒸氣和熱度滲透到EVOH層影響其阻（zǔ）氧性，同樣因為外（wài）層的緣（yuán）故，EVOH極易被外（wài）物劃傷，因此在應用中需多加（jiā）防護。第三組采用的是五層結構，綜合了前兩種的（de）的優勢，既（jì）避免施工過（guò）程對（duì）阻隔層的損傷，又能充分（fèn）保障EVOH的阻隔性能（néng）。

四、總結

　　隨著我國地暖工程的不（bú）斷加大和對采暖係統的安全性和長久性的需求提高，阻氧管材的使用量越來越大（dà），隨之（zhī）提升的還有其阻氧性能。鑒於目前國內尚無針對采暖係統管材氧氣透過率測試方法的標準（zhǔn），本文（wén）通過基於等壓法的透氧測試方法，分析了溫度和濕度的影響，對於相關生產（chǎn）企業和施工企（qǐ）業具（jù）有一定的（de）指（zhǐ）導意義。

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