vip 高效隔热复合材料.docVIP

VIP高效隔热复合材料 王光仁 （黎明化工研究院 河南洛阳 471001） 摘 要：介绍了真空隔热板（VIP）的结构、性能、和用途，概述了国内外研究、开发和应用情况。VIP复合材料导热系数一般为5～8 mW/(m·K)，只有硬质聚氨酯泡沫塑料的1/2.5左右，而且在生产和应用过程中不使用ODS物质，具有环保和节能的双重优点。 关键词：聚氨酯；隔热材料；节能；环境保护；真空隔热板 由于CFC能够消耗大气层中的臭氧，破坏人们赖以生存的地球生态环境，因此，1987年制定的Montreal条约要求各国减少CFC的用量，寻求CFC替代物，最终完全取而代之。对CFC-11替代发泡剂的开发和应用研究已成为近年硬质聚氨酯泡沫研究开发人员的重要工作。同CFC-11相比，环戊烷、HCFC-141b、HFC-245fa、CO2等替代发泡剂本身导热系数较高，降低了泡沫的隔热性能。这些替代发泡剂虽然满足了环保的要求，但需要消耗更多的能源。 环境保护和节约能源是当今世界的两大主题。研究和开发无ODS、优良隔热性能的新型材料一直是人们努力的方向。 以开孔泡沫为芯材的真空隔热板（简称VIP）是近年开发的一种新型高效隔热材料。在其生产和应用过程中，不使用ODS物质，而且导热系数很低，只有5～8 mW/(m·K)，仅为硬质聚氨酯泡沫的1/2.5左右，具有环保和节能的双重优点。 1 VIP隔热原理和结构 1.1 VIP隔热原理[1] 泡沫材料的传热可以由下式表示： :λapp ＝λλg +λr +λc 式中：λapp表示泡沫材料表观热传导； λs 表示泡沫材料中的固相热传导，对于聚氨酯泡沫，随泡沫表观密度提高而提高，随传热方向上固相传热面积减少、传热路径延长而降低； λg 表示泡沫材料中的气相热传导，在低压下，随气体密度和泡孔直径降低而降低； λr 表示辐射传热，随泡孔直径降低而降低； λc 表示对流传热，影响较小，在13.3 kPa (100Torr)以下时，其影响几乎为0〔2〕。 对于硬质聚氨酯泡沫，λg约占λapp的50％～65％；λs和λr各占15％～25％，共占35％～50％，λc占的比例很小。在真空条件下，λg＝0，λc＝0；开孔泡沫的传热路径延长，因而降低了λs；泡孔的微细化（泡孔直径﹤150 μm）降低了λr。VIP就是利用这个原理，采用微细化开孔泡沫做芯材制造的真空板，从而获得高效隔热性能的。理论研究和实验表明，以开孔聚苯乙烯泡沫或开孔聚氨酯泡沫为芯材的VIP，在真空条件下，λapp ＝ λλr ＝4～6 mW/(m·K)。 1.2 VIP结构 VIP是采用真空隔热原理，特殊结构的一种复合材料，结构示意图如图1。主要有三部分组成：芯部的隔热材料（Insulating material）、气体吸附材料（Getter）和封闭的隔气薄膜（Barrier）。 芯部的隔热材料一般为多孔隙性材料，如粉状二氧化硅（silica）、气溶胶（aerogels）、开孔泡沫等。其首要作用是支撑作用，避免在真空条件下外部的封闭薄膜收缩、塌瘪；第二是阻止热的辐射；第三，本身为多空隙材料，接触面小，热传导低。近年开发成功并商业化的开孔硬质聚氨酯泡沫和开孔聚苯乙烯泡沫具有容重低、成本低的优点，已成功地用做冰箱隔热材料。 图 1 VIP结构示意图 吸附剂(Getter)的作用极其重要。VIP的隔热性是因其有很高的真空度。但是，在生产过程中，抽真空后密封时，会有少量空气进入VIP中；VIP在使用过程中，也会有少量气体透过隔气薄膜进入VIP中；VIP中的芯材在使用过程中也会释放一些气体。这些气体包括氮气、氧气、水蒸气、氢气、二氧化碳和发泡剂等。必须使用特殊性能的吸附剂吸附这些气体，以保持VIP内较高的真空度。 隔气性薄膜用于将芯材密封起来，抽真空后形成高真空的空间。这种薄膜由铝箔和聚合物薄膜复合材料组成，有很好的隔气性。这种结构既保持了真空的低导热系数，又解决了热辐射和薄膜承受的大气压力的问题。 2 VIP历史发展及必威体育精装版进展 2.1 VIP历史发展 VIP是上世纪五十年代发明的。早期的VIP采用的芯材主要是粉状材料或纤维材料，如珠光粉、粉状二氧化硅、粉状碳酸钙、活性炭、玻璃纤维等。由粉状二氧化硅做芯材制造的VIP隔热性能好、寿命长，综合性能较佳，技术成熟，至今仍在生产和使用。其用途主要是航天航空、医用保温箱等，也用于民用制冷设备。但这种VIP价格高，密度较大，限制了其广泛使用。 上世纪七十年代发明了以开孔泡沫塑料为芯材的VIP。开孔聚氨酯泡沫VIP是1987年的USP4668555公开的，早期采用CFC-11发泡剂，Montearal条约生效后，已采用无O