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真空隔熱板

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真空保溫板干法VIP芯材工藝技術探討

發布時間:2018-10-12 20:26:52

       真空絕熱板(Vacuum Insulation Panel,縮寫VIP)是一種新型高效絕熱保溫材料。其特點是導熱系數低,其表觀導熱系數比常規保溫材料低一個數量級,同時擁有較薄的厚度(一般在15-30 mm),在制造、使用和用后處理過程中不消耗臭氧層物質??捎糜诒?、冰柜、冷藏箱、冷庫、電熱水器等保溫設備,不僅增大電器的容積,也降低了能耗,是目前用于“冷藏、冷凍、保溫”等系統最先進、最高效的保溫、隔熱材料。

       VIP玻璃微纖維芯材的制造分干法和濕法兩種。濕法成型即采用傳統的玻璃微纖維紙生產技術,將玻璃微纖維棉打漿,然后抄制烘干成型。該種方法浪費能源,對環境影響較大,濕法成型的VIP板材在成本上比干法VIP制品要高出近40%,同時濕法VIP制品在導熱性能上比于法制品略差。一般厚度為1~2 mm的濕法VIP芯材導熱系數為0.0021~0.0023 w/(m.K),而干法VIP芯材的導熱系數為0.0019 w/(m.K)。由此可見,VIP用玻璃微纖維干法氈無論是在成本還是性能上都占有優勢。

 

1.VlP的結構分析

 

 

干法芯材制作出的真空絕熱板

干法芯材制作出的真空絕熱板

       圖1為VIP的結構示意圖,VIP主要由隔氣層(GasBarrier),芯材(Core Material)和氣體吸附材料(Getter)3個部分組成。

 

       隔氣層的功能主要是包覆芯材、隔絕外界空氣使VIP保持真空和防止氮、氧及水氣等滲入板材內部破壞真空度和降低其絕熱性能。目前多使用含有金屬層的薄膜和多層聚酯基薄膜作為VIP隔氣層材料。

 

       氣體吸附劑的放置主要是為了保證板內更好的真空度,吸附由于滲透或材料放氣所產生的多余氣體,滲入板內的水氣分子則由干燥劑吸附掉。目前吸氣劑一般采用鋇鋰合金吸收板內的氮氣、氧氣和二氧化碳,用氧化鈷或活性炭吸收氫氣。

       VIP芯材一般選用多孔隙性材料,如粉狀二氧化硅、氣凝膠、玻璃微纖維或開孔泡沫等材料,其功能主要是結構支撐和減少熱傳導。熱量傳遞一般通過傳導、對流與輻射的方式從熱端傳遞到冷端,任何絕熱材料的絕熱原理及方法都是阻止熱量從一個點傳到另外一個點,因而盡管形成所謂的“絕熱空間”,但是熱傳導過程是一個“熵增”的過程,任何方法都無法避免,只能是盡量弱化與減小。熱傳導主要有芯材本身的固體傳導、殘留氣體傳導以及輻射傳導。因此VIP芯材的選擇必須最優化,使得氣體熱傳導、固體熱傳導都達到最小。相比之下,輻射換熱則可以不通過任何介質而發生。當輻射能量作用于物體時,可以被反射、穿透或吸收。如果能量被吸收于物體內,則物體溫度會升高。通常輻射能量會與空間內的物體發生熱量交換,因而可以通過在板內填充多孔芯材的方法增加輻射障礙而減少輻射換熱。通過采取一定措施盡量減弱以上熱量的傳遞方式,可以實現VIP板的優異絕熱性能。

 

2.VIP芯材的分析與選用

       通過VIP結構分析及其絕熱機理分析,可知VIP核心技術為芯材和隔氣層材料。芯材的選擇除了必須滿足支撐作用及本身具有低導熱系數、能夠有效降低板內輻射換熱的要求外,作為VIP板芯材使用的材料來說,還必須具備的特性為開孔結構,以便于氣體抽空,同時微孔的排列應該使材料中的結構接觸點盡量少,以減少固體熱傳導。真空環境下,不同芯材的絕熱性能大不相同,常用芯材在不同氣體壓力下的導熱系數變化如圖2所示。

       由該圖可見,在抽真空狀態(真空壓力小于0.1 kPa)時,纖維材料與其他隔熱材料相比,導熱系數低,具有高熱阻值。下面,我們對VIP玻璃微纖維芯材的制造技術進行討論。

 

3.VIP玻璃微纖維芯材干法工藝制造過程

       從相關文獻可知,VIP玻璃微纖維芯材干法工藝流程總結如圖3所示。

       VIP玻璃微纖維芯材干法制造技術主要流程為吹制玻璃微纖維、集棉、壓縮成型及裁切。首先按配比稱重原料并混合,原料熔化后通過火焰法或離心法生產出纖維,然后集棉形成一定厚度的玻璃棉,最后通過高溫熱壓方式制成所需克重的VIP芯材。干法制造技術相對于濕法技術而言,關鍵技術點集中在纖維成形、集棉時的纖維排布以及增加了熱壓成型步驟。

 

4.VIP芯材用玻璃微纖維生產技術

       玻璃微纖維通常有兩種生產方式:火焰噴吹法和離心噴吹法?;鹧鎳姶捣ㄉa玻璃微纖維直徑最細可達0.1~0.2μm,但纖維直徑分布范圍寬,渣球含量高,產量低,通常單臺爐的日產量在25--100 kg,能耗大;離心噴吹法生產的玻璃微纖維目前最細直徑在1.5μm左右,纖維直徑分布范圍窄,渣球含量相對低,產量高,能耗低,物理性能均一性好。VIP玻璃微纖維芯材要求玻璃微纖維均一性好,渣球含量低,同時考慮到能耗成本,目前市場上的VIP玻璃微纖維芯材基本都采用離心法生產。

分析部分市場樣品,其顯微鏡下的纖維排列如

由圖可見,纖維直徑一般都小于5μm,同時,為了最大程度上減少熱傳導,VIP用干法氈的纖維必須平行排列。玻璃微纖維絕熱材料的纖維直徑對其導熱系數有較大影響,導熱系數隨纖維直徑減小而降低。據檢測,在一定玻璃微纖維直徑范圍內,玻璃微纖維直徑每減小約0.25 μm,其導熱系數值可降低2.3%。目前市場上的VIP芯材的纖維平均直徑一般都小于5μmm。雖然纖維直徑的降低會提高其絕熱性能,但生產成本也會提高,同時離心法生產直徑較細的玻璃微纖維也存在很多技術問題需要解決,例如離心頭的孔徑、孔的位置設計及集棉系統等,因此需要綜合考慮設計纖維直徑。同時,在VIP芯材生產這方面還有很大的技術提升空間。

       離心法生產VIP用干法玻璃微纖維工藝步驟與普通離心法玻璃微纖維生產過程相向,首先原料按照配比混合后送入熔窯,熔化好的玻璃液經料道末端的漏板流出,進入離心器。在高速旋轉的離心機帶動下,離心器側壁甩出的近萬股玻璃細流,在燃燒室產生的高溫高速火焰下玻璃細流被進一步牽伸、切斷成一定長度的纖維。

       依據上文,我們可以看出VIP用干法玻璃微纖維對纖維直徑、長度及纖維排布方向的要求很高,因此在工藝參數方面較普通離心棉的生產需要有所改進。一般我們可以通過以下兩種方法來生產較細的離心法玻璃微纖維。

(1) 減小離心頭周邊壁的小孔直徑,但容易使玻璃液不易流出,所以對玻璃液粘度及離心頭溫度控制的要求就很高。

(2) 提高火焰束的流速,這對成纖燃燒器的燃燒量控制也提出了很高的要求,合適的火焰溫度才能避免一次纖維變成球狀或環狀的非纖維形材料形態。

       離心法玻璃微纖維吹制后需進行集棉布氈。由上文可知,VIP芯材需要玻璃微纖維盡可能的平行排列,即減少縱向熱橋效應才能降低產品的導熱系數,因此我公司采用氣流布氈,通過調節布棉風嘴角度、風速及集棉網帶下的真空抽吸風量、風壓等使玻璃微纖維均勻沉降在集棉網帶上,形成了纖維平行排列且均勻分布的VIP干法氈半成品。

 

3.2玻璃微纖維芯材壓縮成型技術

       VlP用玻璃微纖維芯材的含水量,膠黏劑含量以及容重等都會對VlP導熱性能產生直接的影響。在選擇壓縮成型技術的時候,要盡可能的避免引入膠黏劑、水分等,同時也要考慮節能以及使操作工藝簡單化。

依據相關文獻,VlP玻璃微纖維芯材厚度大多在10~20 mm,常用的玻璃棉壓縮成型工藝見表1。

 

       目前,國際上常用的3種壓縮方法如表1l所示。其中浸潤粘結劑法對熱壓溫度及時間要求不高,并且定型效果好,但由于添加了粘結劑,增加了玻璃微纖維芯材的熱橋效應,會影響其絕熱效果;直接熱壓法則對熱壓溫度和時間都有較高的要求;針刺法無需用水加熱或噴灑無機膠粘劑,能夠較少密封薄層的用量和最小化熱橋作用,降低了芯材的制造費用,還可以防止芯材內部產生氣體,但是該方法由LG公司(泰州樂金)申請了專利,其使用有一定的局限性。綜上所述,玻璃棉壓縮成型工藝還有待于進一步的研究開發及創新。

 

4結語

(1) 在經濟快速發展的形勢下,節能環保兩大主題顯得越發重要,VIP材料正是一種高效、環保的絕熱材料,這種材料具有很大的市場需求,擁有廣闊的市場前景。

(2)VlP的技術核心為芯材和隔氣層材料,玻璃微纖維芯材具有生產成本低,隔熱效果好的優點。分析VlP絕熱機理可知,制造玻璃微纖維芯材需要在最大程度上減少熱橋效應,這就對玻璃微纖維棉氈的生產技術和壓縮成型技術提出了很高的要求。

(3) 目前廣泛使用的玻璃微纖維生產技術有離心法和火焰法,對比而言,離心法具有能耗低,玻璃微纖維均一性好的優點,更適用于VIP干法氈芯材的生產;而壓縮成型技術則以直接熱壓法應用最為普遍,該種方法在最大程度上減少了熱橋效應。

(4) VIP玻璃微纖維芯材在結構上玻璃微纖維需要盡可能的平行排列,纖維長度及直徑均一性要好,同時纖維直徑在2~5 μm范圍內越細,其絕熱性能越好。如何在有效的生產成本控制下,利用離心法生產出纖維直徑較細,同時均一性好的玻璃微纖維是芯材制造技術的關鍵問題。

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