回收瓦楞纸板湿热性能的实验与数值研究：面向建筑保温应用的综合表征

《Results in Engineering》：Experimental and numerical investigations of the hygrothermal properties of recycled cardboard for thermal insulation

　　

本研究对回收瓦楞纸板作为建筑保温材料的湿热性能进行了系统表征。研究人员依据ISO 12571标准测定了C型、BC型和BC-BC型三种瓦楞纸板构型的吸湿等温线，结果表明在相对湿度（RH）低于86%时含水率低于9%，在97% RH时含水率升至15%–18%。采用瞬态热线法测量表观导热系数，测得值为0.047–0.049 W/(m·K)，在97% RH条件下升至0.063 W/(m·K)。依据ISO 12572标准采用杯式法测得表观水蒸气阻力系数（μ）为4.5–11.3。此外，研究人员建立了C型瓦楞单胞的二维周期性均质化模型，量化了纸板导热系数与几何参数（衬纸厚度及瓦楞-衬纸接触宽度）对有效导热张量的敏感性。研究结果表明，回收瓦楞纸板在热绝缘性能方面接近玻璃棉，且在高湿环境下仍保持大部分保温能力，显示出作为可持续建筑保温材料的应用潜力。

回收瓦楞纸板湿热性能研究解读

一、研究背景与意义

建筑行业面临日益增长的能源成本压力， stakeholders正转向采用节能材料进行建筑建造或翻新保温。目前最常用的保温材料以无机和合成材料为主（如玻璃棉、聚苯乙烯等），尽管热性能优异但对环境有害。因此，基于生物来源材料的保温材料应用正在快速增长。在此背景下，回收瓦楞纸板作为一种潜在的可持续保温材料受到关注。在美国，纸和纸板占2018年城市固体废物的约23%，是最大单一组分；全球纸和纸板产量稳定在每年约4亿吨，纸浆和造纸工业仍是能源最密集的工业部门之一，约占全球工业能源使用的5%–6%。生命周期评估一致表明，与原生纤维生产相比，纸张回收可降低能源需求和整体环境影响，同时节省填埋空间。

然而，现有研究主要集中于纸板的热导率表征，其作为建筑保温材料的水蒸气渗透性和吸湿行为在很大程度上仍缺乏文献记录。纸的导热系数强烈依赖于片材结构、密度、含水率和测量方向，因此纸片测量值不能直接迁移至瓦楞纸板。此外，生物基保温材料的表征往往集中于导热系数，其他性能常被忽视。本研究旨在填补这一空白，对回收瓦楞纸板进行全面的湿热性能表征，为其在建筑保温中的应用提供数据支撑。

二、研究内容与方法概述

研究人员选取了三种瓦楞纸板构型：C型瓦楞（三层纸层：两衬纸和一瓦楞介质）、BC型瓦楞（五层纸层：三衬纸和两瓦楞介质）以及BC-BC型瓦楞（十层纸层加一层胶粘层，由两块BC型瓦楞纸板通过UHU型胶粘合而成）。样品来源于法国里昂克劳德·贝尔纳大学一号回收站的消费后瓦楞纸箱。C型、BC型和BC-BC型样品厚度分别为40 mm、70 mm和140 mm。

研究采用三项关键实验技术：其一，采用瞬态热线法（配备CT-meter设备及FIL 50/A型柔性印刷电路探头，长50 mm）测量导热系数，探头置于两半样品之间形成对称夹层结构，通过温度-时间曲线自动计算导热系数；其二，依据NF EN ISO 12572:2001标准采用杯式法测定水蒸气渗透性，湿杯使用饱和硫酸钾（K?SO?）溶液，干杯使用硅胶，样品置于23 ℃、50% RH气候箱中，系统质量定期测量；其三，依据ISO 12571:2021标准测定吸湿等温线，样品先在50 ℃、11% RH气候箱中稳定，随后置于含不同饱和盐溶液（LiCl、MgCl?、K?CO?、NaCl、KCl、K?SO?，对应11%、33%、43%、76%、86%、97% RH）的干燥器中，平衡定义为连续三次24小时间隔称重质量变化小于0.1%。此外，研究人员建立了C型瓦楞单胞的二维周期性均质化模型，利用COMSOL Multiphysics有限元软件求解闭值问题，分析纸板导热系数（λ_c）和几何参数对有效导热张量的敏感性。

三、研究结果

3.1 热学性能

研究人员比较了C型和BC型瓦楞纸板在平行（所有纸板瓦楞同向）和垂直（相邻纸板旋转90°）两种堆叠方式下的表观密度和导热系数。C型平行和垂直构型密度分别为203.54±2.97和203.00±1.8 kg/m3，导热系数均为0.0489 W/(m·K)；BC型平行和垂直构型密度分别为121.13±0.15和121.14±0.035 kg/m3，导热系数分别为0.0485和0.0484 W/(m·K)；BC-BC型平行构型密度为123.00±3 kg/m3，导热系数为0.0472 W/(m·K)。平行与垂直排列之间的导热系数差异（至多0.2%）以及C型和BC型之间的差异（约1%）均小于设备2%的重复性，无法检测到显著差异。BC-BC型比C型低约3.5%，该差异略大于重复性但小于设备精度，应谨慎解读。所有构型测量值介于0.047至0.049 W/(m·K)之间，接近玻璃棉的0.04 W/(m·K)。值得注意的是，密度从121增至204 kg/m3（增加68%）仅使导热系数变化不到4%，表明表观密度本身不能作为导热系数的预测指标。

3.2 水蒸气渗透性

湿杯法稳态扩散测试结果显示，表观水蒸气渗透率（δ）从C型的1.72±0.47×10?11 kg·m?1·s?1·Pa?1增至BC型的2.73±0.77×10?11和BC-BC型的4.35±0.32×10?11；水蒸气阻力系数（μ）分别为11.34±2.32、7.14±3.55和4.48±2.20；扩散等效空气层厚度（S_d）分别为0.454±0.024、0.500±0.042和0.628±0.055 m。S_d从0.454增至0.628 m（增幅约38%），而样品厚度从40增至140 mm（增加3.5倍），表明部分阻力集中在不随堆叠厚度扩展的元素中，如外层衬纸、堆叠纸板间的界面和表面阻力。湿杯条件下高湿度可能引起纤维素纤维部分膨胀，重新打开部分扩散通道并增强吸附水分子的表面扩散，导致湿态渗透率更高。

3.3 吸湿等温线

三种纸板构型的吸附曲线呈典型S形（IUPAC分类中的II型等温线），含水率从33% RH时的约2%–3%增至97% RH时的15%–18%。研究人员采用Guggenheim-Anderson-de Boer（GAB）模型拟合实验数据，C型拟合参数为u_m=2.41%、C=6.47、K=0.892（R2=0.988，RMSE=0.63%）；BC型为u_m=2.99%、C=6.80、K=0.837（R2=0.974，RMSE=0.79%）；BC-BC型为u_m=1.29%、C=16.95、K=0.944（R2=0.983，RMSE=0.63%）。BC-BC型的单层含水率显著低于其他两种构型，与胶粘层形成物理屏障、降低孔隙连通性并抑制水分吸收一致。与木材纤维保温材料在97% RH时约20%的含水率相比，所研究纸板的平衡含水率保持适中。

3.4 导热系数随相对湿度的变化

样品在各相对湿度下于干燥器中平衡后立即测量导热系数。结果显示，随着相对湿度增加，导热系数增大：从低湿度下的约0.047–0.049 W/(m·K)升至97% RH时的0.063 W/(m·K)。这一增长归因于液态水（λ≈0.6 W/(m·K)）逐渐取代孔隙网络中的空气（λ≈0.026 W/(m·K)），以及高湿度下潜热传输的贡献——在测量施加的热梯度下，水在孔隙热侧蒸发、以蒸气形式扩散、在冷侧凝结并释放潜热。尽管如此，即使在97% RH下，测量值仍低于0.063 W/(m·K)，表明纸板在高湿环境下仍保持大部分保温能力。

四、数值研究：C型构型均质化

研究人员将瓦楞纸板概念化为纸和空气两相复合材料，建立周期性单胞模型，通过求解闭值问题获得有效导热张量。参数研究表明：瓦楞-衬纸接触宽度参数γ（0至1范围内）对有效导热系数影响很小；有效导热系数λ^eff₁₁和λ^eff₂₂随纸板导热系数λ_c增加而增大，其中λ^eff₁₁呈线性关系而λ^eff₂₂呈非线性；衬纸厚度e₁增加导致两种有效导热系数均升高，且λ^eff₁₁对e₁的敏感性大于λ^eff₂₂。将λ^eff₂₂与实验测量值比较，当假设衬纸厚度介于0.15–0.2 mm、纸板导热系数介于0.45–0.55 W/(m·K)时，计算值比测量值低10%–20%。模型未考虑辐射传热（据文献约占热传递的10%–25%），且假设热量仅沿y方向传递，而实验中热量向各方向扩散，这解释了部分偏差。

五、讨论与结论

研究结果表明，回收瓦楞纸板在导热系数方面接近玻璃棉（0.04 W/(m·K)），显示出良好的热绝缘潜力。其吸湿行为呈典型纤维素材料特征，含水率仅在97% RH时显著升高至15%–18%。水蒸气渗透性方面，湿杯法测得的μ值为4.5–11.3，表明纸板具有适度的水蒸气扩散阻力。数值均质化模型揭示了纸板导热系数和衬纸厚度是控制有效导热性能的关键参数，而胶粘接触宽度影响很小。

研究结论指出，回收瓦楞纸板作为一种生物基保温材料，其表观导热系数在0.047–0.049 W/(m·K)范围内，即使在97% RH高湿条件下仍保持在0.063 W/(m·K)以下，表明其在高湿环境下仍保留大部分保温能力。然而，研究存在若干局限性：样品来源于回收流，其组成、再生纤维含量和克重未知；干杯法未达到稳态故未报告结果；仅测量了吸附分支，脱附分支和滞后效应未确定；长期湿热循环行为和高温下霉菌生长风险未评估。这些因素在建筑应用前需进一步研究。此外，热线法测量的是探头周围区域的表现导热系数，而非单一导热张量分量，且均质化模型要求的尺度分离（ε?1）在测量尺度上并不满足，模型应作为敏感性分析工具而非预测设计工具。