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真空绝热板优缺点及芯材介绍

为加快建材工业传统产业改造和新兴产业培育,在积极化解水泥、平板玻璃行业产能严重过剩矛盾的同时,引导资本等要素流向建材新兴产业和旨在提升传统产业竞争力的技改项目,中华人民共和国工业和信息化部组织编制了《建材工业鼓励推广应用的技术和产品目录(2018-2019年本)》,这份最新版的鼓励推广应用的技术和产品目录里,真空绝热板成为唯一上榜的建筑保温材料。


今天将和大家一起探讨真空绝热板在建筑领域中的应用。


真空绝热板(Vacuum insulation panel,简称VIP) 是将绝热芯材装入隔气结构中,抽真空后再密封起来形成的板材,是一种全新的超级绝热材料,由于其内部真空的特性,实现了极低的导热系数与良好的绝热效果,且其原材料均为无机,也是一种不燃、安全的绝热材料。真空绝热板厚度一般在5-40mm之间,导热系数在4mW/(mK)甚至2.5mW/(mK)以下,比常规绝热材料导热系数的1/10还低,是绝热材料的一次革命性发展。


真空绝热板(VIP)由多孔芯材、吸气剂和阻气膜三部分复合而成。多孔介质是尽可能多地降低真空绝热板的热传导。阻气膜是保证所创造的真空环境,以最大限度地降低由气体造成的热传导和对流换热。吸气剂是为了吸收外界渗入真空绝热板内部和芯材释放的气体和水蒸气,从而降低对流换热和气体导热,持续地保持真空绝热板的真空度,来维持相对低的导热系数同时可以延长真空绝热板的使用寿命。


真空绝热板作为一种高效、环保的新型绝热材料,其绝热性能相当于普通保温材料的10倍甚至更高,而厚度仅为普通材料的1/7,同时强度高,燃烧性能为A级,吸水率低,是保温隔热的理想材料,更是老旧房屋通过改造实现环保节能的优选材料。


优点:1.保温性能好,导热系数小于0.008 W/(m·K);2.燃烧性能A级;3.吸水率低。


缺点:1.成本相对较高;2.定型产品,现场无法切割;3.工序复杂,工期较长,在处理,安装和使用过程中容易受损。


国内建筑用真空绝热板的芯材主要由珍珠岩、微硅粉、矿物棉、玻璃棉等材料组成,不同的材料组合也形成了不同的保温效果。


芯材作为真空绝热板的重要组成部分,一般选用多孔芯材,以最大可能地增加真空绝热板的导热热阻,其作用可以概括成以下三点:


(1)用于支撑真空绝热板的壁面,以避免在抽完真空的状态下封闭的阻气膜收缩,塌瘪。

(2)控制气体热传导及对流传热,芯板可以在某种程度上限制参与在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。

(3)红外遮蔽及散射作用,高真空度条件下,辐射传热也是热量传递的主要形式之一,此时VIP芯材需要能够起到对红外热辐射进行吸收、散射的作用。


对应于VIP芯材的作用,为能满足真空绝热板芯材的条件,芯材需要满足以下特定的要求:


(1)多孔芯材的孔径必须足够小,这样在相对高的抽气压力下就能满足真空绝热板的真空度,纳米多孔芯材在相对高的压力环境下就能使得真空绝热板的导热系数满足要求。从图中我们可以看到在板内气体压力超过 100Pa时,真空绝热板的导热系数会急剧上升。

(2)芯材的孔必须是开放的同时能起到好的支撑作用,这样才能使气体更容易地抽出来,以尽可能多地降低 VIP 的制作成本。

(3)芯材要能有效地阻止红外辐射,以降低传热过程中的辐射传热。


目前有专家将现在 VIP 芯材分为颗粒型芯材、泡沫型芯材和纤维型芯材。


颗粒型芯材真空绝热板耐压强度高、导热系数相对较大,成本高,制作过程难以控制;泡沫型芯材真空绝热板成型工艺简单,密度低,孔径小,导热系数较低,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,一般在常温下使用。下面就目前市场上常见的芯材做一个介绍。


1.气相二氧化硅


气相二氧化硅为白色微细粉末,无毒,不可燃,可循环利用,原子粒径在 7~40nm,不会对环境造成污染而且气相二氧化硅芯材本身可作为干燥剂来吸收透过阻气膜进入VIP中的水蒸气,所以目前在建筑上应用的真空绝热板的芯材大多是气相二氧化硅。通常气相二氧化硅的质量密度大概是200kg/m3,导热系数在20-100mbar的压力下能达到3-6mW/(m·K)。但作为颗粒型芯材气相二氧化硅也有其固有的缺点,如制作成本较高,抽气过程难以控制,对红外辐射遮蔽作用较差等。


2.聚氨酯泡沫


聚氨酯复合板(PUR) 泡沫是以异氰酸酯和聚醚为主要原料,在发泡剂、催化剂、阻燃剂等多种助剂的作用下,通过专用设备混合,经高压喷涂现场发泡而成的高分子聚合物。聚氨酯泡有软泡和硬泡两种。软泡为开孔结构,硬泡为闭孔结构。其导热系数低,仅0.022~0.033 W/(m.K),而且聚氨酯有很好的机械强度和开孔结构,密度小,质量轻等优点,所以聚氨酯本身就是一种目前广泛使用的绝热材料而且容易抽取真空而作为VIP芯材。最初的真空绝热板的芯材就是聚氨酯泡沫。但是作为泡沫型芯材聚氨酯的孔径比颗粒型芯材如气相二氧化硅要大。这就要求当与气相二氧化硅芯材的VIP达到相同的导热系数时,聚氨酯泡沫芯材VIP则要求更高的真空度。而且聚氨酯泡沫芯材的真空绝热板,抽真空压力必须要保持在1mbar 以下,如果超过这个压力值,导热系数就会急剧上升。这对于现在的阻气膜达不到这样的要求,所以,虽然聚氨酯泡沫芯材的VIP的造价不高,但是使用寿命比较短,所以现在不适合在建筑上应用。


3.玻璃纤维


玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料,具有耐热性强、抗腐蚀性好,机械强度高等优点。但缺点是性脆,耐磨性较差。与上述两种芯材相比玻璃纤维芯材的真空绝热板导热系数最低。但是它与聚氨酯泡沫有相同的缺点就是芯材内部间隙较大这对抽气压力的要求较高,会增加VIP的制作成本。虽然玻璃纤维的造价相对较低,但是填有吸气剂的玻璃纤维芯材的VIP,其使用寿命大概是15年左右,相对建筑的使用寿命较短,所以以玻璃纤维为芯材的VIP大多应用于冰箱,船舶集装箱等。玻璃纤维的可塑性也比较强,可以制成各种形状的真空绝热板。异形真空绝热板的研制和发展极大地扩大了真空绝热板的应用领域。


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