供暖系統中阻氧管材的透氧性能分析

　　現代建築中，地面輻射供暖系統因符合熱空氣自下而上運動軌跡，故而實感溫度高、室內溫度梯度小，同時節省室內空間，使之成為如今非常普遍的采暖方式。隨著此種供暖形勢的推廣，塑料管材的需求也日益突出。大量的PB、PP-R、PE-X、PERT等塑料管材作為末端采暖部分應用於地面輻射供暖系統中，雖然具有質輕、導熱系數低、安裝便捷，但一直存在著一個嚴重的質量隱患——滲氧，嚴重威脅供暖系統的正常運轉及壽命。

一、“滲氧”分析

　　無論何種塑料，或多或少都具有氣體滲透性。對於地面輻射供暖系統來說，外界氧氣在空氣中的分壓力的作用下，透過地面、混凝土材料和管材進入系統的循環水中，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，也會發生氧氣滲入。

　　這種“滲氧”行為會對供暖系統中的金屬配件，如金屬管道、鍋爐、黃銅材質的分/集水器、以及管路連接件產生破壞性極大的氧化腐蝕，通常表現為潰瘍或小孔形的腐蝕面，上附有黃褐色、磚紅色的腐蝕物，嚴重縮短管材和金屬零件的使用壽命^[1]。於此同時，氧氣的存在極易滋生出像藻類的微生物和細菌，與金屬氧化腐蝕物顆粒共同構成生物淤泥，隨水而流，沈淀在流速較低的彎角部位，日積月累逐漸影響系統正常的水循環，致使室內溫度達不到采暖要求。

二、阻氧管材對於“滲氧”的控制效果

　　針對“滲氧”問題，一些發達國家和地區強制要求使用熱水的供暖系統采用帶阻氧性的塑料管材。當前，對現有塑料管材增加阻氧性主要有兩種方式：一是像鋁塑復合管、塑鋁穩態管等通過包覆金屬層實現阻氧；二是，在塑料管材基礎上復合一層高分子阻隔材料——一般為EVOH，制成阻氧管材^[2]。由於第一種工藝復雜，成本高，相比之下第二種更為受到業界企業的歡迎。

　　EVOH,是乙烯-乙烯醇共聚物，是一種高結晶度聚合物，不利於小分子的穿透。獨特的鏈段結構中，其分子中的羥基和分子間的氫鍵彼此強烈的鍵合，強大的內聚力使得分子鏈的堆積程度高，限制了氧氣的擴散。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，當乙烯含量超過50%時，材料的氧氣阻隔性會大幅下降，通常，乙烯與乙烯醇的摩爾分數比例在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，逐步應用於供暖系統的管材中。

三、阻氧管材的氧氣透過率

　　隨著以EVOH為阻隔層的阻氧管材的大范圍應用，歐美國家相繼出臺了阻氧管材的氧氣透過率的要求加以規范。當前，世界范圍內認可度最高的是德國DIN4726標准，規定熱水管40℃以下，阻氧管材的氧氣透過率不超過0.1g/（m³·24h）。國內，2002年發布的CJ/T 175 《冷熱水用耐熱聚乙烯（PE-RT）管道系統》對該類管材的透氧性做了同樣的要求。然而，國內目前對於阻氧管材的氧氣透過率尚沒有統一的檢測方法和評判依據，從而在一定程度上制約了該類管材的推廣。下面，筆者在長期對包裝物透氧性測試經驗基礎之上，提出了一種測試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行了深入分析。

　　測試儀器：OX2/230氧氣透過率測試系統

　　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），管材一端均為密封狀態。

　　測試過程：利用樣品將儀器的滲透腔隔成兩個獨立的氣流系統，樣品內側被氮氣流緩慢淨化，樣品外側暴露在氧濃度已知的環境中，如圖1。樣品兩側歲氣體壓力相等但氧氣分壓不同，因此在氧氣濃度梯度的作用下，氧氣分子透過樣品壁進入氮氣流中，隨之被其攜帶至庫倫傳感器處，庫倫傳感器探測到氧氣會輸出電流，電流的大小與單位時間內流入傳感器的氧氣總量成正比。

　　據此原理，筆者分別對PE-RT管和阻氧PE-RT管的氧氣透過率進行了檢測，同時，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1和表2。

表1 PE-RT管和阻氧PE-RT管的氧氣透過率測試結果

表2. 不同溫濕度下阻氧PE-RT管的氧氣透過率測試結果

　　通過表1的數據，顯而易見PE-RT管的氧氣透過率是阻氧PE-RT管的79倍之多，可見即使使用一層EVOH的材料，整體管材就可以獲得很高的阻氧效果。表2體現了不同測試溫度和濕度條件下阻氧PE-RT的氧氣透過率，當溫度自23℃昇至45℃時，管材的氧氣透過率上昇了456%，而當測試濕度從39%RH提高到60%RH，阻氧管材的氧氣透過率更是增大了數千倍。由此可以看出，EVOH的氧氣透過率受溫度和濕度的影響非常大。究其原因，主要是由EVOH自身結構和特性決定的。

　　上面提到，EVOH因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內聚力，阻礙氧氣分子的擴散。當溫度昇高時，一方面平行分子鏈形成的通道變寬，另一方面熱運動使得分子鏈構象變化越快，相鄰分子鏈間的距離加大，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。

　　而為什麼濕度變化引起EVOH氧氣透過率的大幅提高，主要在於兩個原因：1、EVOH含有羥基—OH, 對水敏感，若環境濕度昇高，環境中的水分會向EVOH中擴散，會使材料中的自由體積增加，為氣體分子提供更多的擴散縫隙，增大了氣體透過率。2、當EVOH處於高濕環境時會變為高彈態，此時的EVOH分子鏈段結合松散，有利於氣體分子的擴散。

　　根據EVOH阻氧性受溫度和濕度的影響分析，在阻氧管的生產工藝中，通常采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構，如圖2。第一種為3層結構，EVOH層位於內層，直接面對高濕環境並受到熱水的反復浸泡，致使阻隔性急劇下降。第二種同為3層結構，但EVOH層位於外側，通過PE-RT材質層有效隔離管道內水蒸氣和熱度滲透到EVOH層影響其阻氧性，同樣因為外層的緣故，EVOH極易被外物劃傷，因此在應用中需多加防護。第三組采用的是五層結構，綜合了前兩種的的優勢，既避免施工過程對阻隔層的損傷，又能充分保障EVOH的阻隔性能。

四、總結

　　隨著我國地暖工程的不斷加大和對采暖系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，隨之提昇的還有其阻氧性能。鑒於目前國內尚無針對采暖系統管材氧氣透過率測試方法的標准，本文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，對於相關生產企業和施工企業具有一定的指導意義。

參考文獻

[1] 宋振坤，李繼來.地面輻射供暖系統氧氣滲透的影響及控制措施[J].暖通空調，2010,40（7）：95-97.

[2] 武志軍.冷熱水用塑料管材透氧率的測試方法[J].塑料，2009,38（4）：113-115.

[3] 郭靜旋.E V O H 樹脂的性能分析[J]包裝學報，2010,2（4）：71-73.