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真空绝热板芯材的作用及类型
2017.02.06

真空绝热板(VIP)是近年来迅速发展的新一代保温隔热材料,是基于真空绝热原理,通过最大限度提高板内真空度并填充芯层绝热材料来实现减少对流和辐射换热。一般来说,VIP的导热系数可以达到0.003~0.004W/(m·K),在同等厚度条件下,具有10倍于传统材料的优异绝热性能。

VIP主要由芯材(corematerial)、吸气剂(getter)或干燥剂 (dryer)和阻隔膜三部分组成。 VIP的热量传递主要由芯材的导热、VIP内部残留气体的导热、对流传热和辐射传热4部分组成,围绕着最大限度地降低这4部分热量传递。


VIP在制作中应最大程度地优化其各构成部分的性能,尤其要注意以下3个方面的问题:

一:芯材

芯材要有较低的导热系数,一定的强度,以避免抽真空时塌瘪,同时还要有一定的孔隙,便于形成真空。


二:阻隔膜结构

隔气结构材料要具有良好的隔气性能和阻热性能,同时还要具有一定的强度,以保护芯材。真空度的大小与VIP 的热工性能息息相关。根据不同的芯材,需要选择不同的抽真空压力。例如,对于一般开孔型的发泡板,其孔径的分布范围为0.01~0.1mm,为了保证好的绝热效果,板内的真空压力需要维持在1~100Pa。而对于采用纳米孔芯材(其孔径的分布范围一般为10~100nm)的VIP,板内只要维持1000~ 20000Pa的真空压力就可达到与一般开孔型的发泡板基本相同的隔热效果。由此可见,芯材的选择对于VIP的隔热效果和使用寿命都有较大的影响。


三:芯材的作用

作为VIP的骨架材料和维持真空的必备条件,芯材在VIP体系中起着举足轻重的作用。用于支撑VIP的板壁面。VIP中的真空压力一般为 0.13~130Pa,属于中真空。作为支撑的芯材需承受约100kPa的压力,避免在真空条件下外部的封闭薄膜收缩、塌瘪。控制气体传导及对流传热。芯板可以用于限制参与在VIP中的一些气体分子的运动空间,从而阻止气体对流和气体热传导两种传热方式。根据传热理论,芯材内部的气孔孔径越小,气体的对流及传导就越少,当芯材的孔径与气体分子的平均自由程相当时,气体的对流及传导就基本上被阻止了。红外遮蔽及散射作用。高真空度条件下,辐射传热是热量传递的主要形式之一。真空绝热芯材可以起到对红外热辐射进行吸收、散射的作用。


传统芯材分类


一:颗粒型芯材

硅土粉、珍珠岩、气相二氧化硅等隔热颗粒构成的芯材统称为颗粒型芯材。对于这种随机排列的颗粒粒子,非常难以描述芯材的有效固体传导。相反,可以用两种不同的模型 (图3)简单立方模型(即宽松简单的立方排列方式)和六面体拥挤排列模型探索两种不同排列方式的芯材固体传导方式。

颗粒型芯材优点在于真空状态下其导热系数较低,且对压力增加不敏感,但是该类绝热材料本身生产和储存成本就比较高。这类芯材VIP制作过程中很难控制,例如抽真空时必须防止芯材微小颗粒被抽出来,高吸湿性对抽真空不利等,且这些都增加了制作费用。运送颗粒类芯材的过程中,还会对工人的呼吸系统造成危害。另外,颗粒类芯材密度比较高,增加了VIP的重量。




二:泡沫型芯材

泡沫类芯材,如发泡聚苯乙烯和发泡聚氨酯,也常常作为VIP的芯材。这些泡沫型芯材密度低(60~100kg/m3)、孔径小,因此具有非常低的导热系数。另外,泡沫型芯材生产方便、价格低廉,因此得到了广泛的应用。泡沫型芯材包括闭孔泡沫和开孔泡沫两种。闭孔泡沫有很多晶胞壁,将低导热系数的气体填充在晶胞里面,热传导发生在这些晶胞壁和内部填充的气体中。然而,泡沫型芯材却很难在低压(≤10Pa)下保持真空状态,因此具有比较短的服役寿命。另外在发生火灾时,泡沫型芯材会释放出大量一氧化碳、氰化氢和其他有毒气体。




三:纤维型芯材

纤维材料,例如玻璃纤维、岩棉、陶瓷纤维,具有质量低、高温稳定性好的特点。与泡沫类、粉末类芯材相比,纤维类芯材制备的VIP导热系数最低。根据相关的研究结果表明,有效的纤维传导依赖于纤维材料的固体传导率、杨氏模量、开孔率、内部压力和纤维的分布取向等。纤维绝缘材料一般具有叠层结构,每层纤维层由多根长纤维搭接而成,呈现多个角度。相对于主要的热流方向,纤维一般是随机排列的。该简易模型呈现的是一 个理想的纤维结构,纤维层之间以相同的方式搭接在一起, 并且每个纤维层中的纤维以一定的角度平行排列。

纤维绝缘材料的简易模型

颗粒型芯材真空绝热板耐压强度高、导热系数大;泡沫型芯材真空绝热板成型工艺简单、老化性能差;纤维型芯材真空绝热板导热系数低,结构稳定性差。基于这些芯材的弊端,越来越多的研究工作者和工程作业人员开始研发新型芯材,试图破现有芯材在很多领域中的应用瓶颈。





四:新型芯材

基于建筑保温领域对对阻燃性能和尺寸稳定性的严格要求,隔热纤维与隔热颗粒混杂复合芯材成为了未来建筑用真空绝热板芯材的发展方向。目前,国内隔热纤维与隔热颗粒混杂复合芯材还处于研发阶段,许多性能不是很稳定。但是这类新型复合芯材却展现了比较优异的特性,具有耐压强度高、抽真空后回弹性小、抗折强度高、抽真空时间短等优点。制备高质量的混杂芯材关键在于选取合适的隔热颗粒并调整好颗粒与纤维之间的比例,通过均匀分散技术,将纤维与颗粒均匀地分布在芯材中。抽真空之后,复合芯材的压缩变形较小,芯材内部的纤维排布和颗粒排布便不会受到太大的影响,从而保证了芯材的均匀性和稳定性性,真空绝热板的尺寸和导热系数稳定性。另外,复合芯材内部的孔隙较小,能够保持真空绝热板内部气压较长的时间,赋予了真空绝热板更加长久的寿命。此外,复合芯材绿色环保,在生产制作和使用过程中对人体无任何危害,制备的真空绝热板在应用中也无环境污染。