VIP高效隔熱復合材料
王光仁
(黎明化工研究院 河南洛陽(yáng) 471001)
摘 要:介紹了真空隔熱板(VIP)的結構、性能、和用途,概述了國內外研究、開(kāi)發(fā)和應用情況。VIP復合材料導熱系數一般為5~8 mW/(m·K),只有硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的1/2.5左右,而且在生產(chǎn)和應用過(guò)程中不使用ODS物質(zhì),具有環(huán)保和節能的雙重優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:聚氨酯;隔熱材料;節能;環(huán)境保護;真空隔熱板
由于CFC能夠消耗大氣層中的臭氧,破壞人們賴(lài)以生存的地球生態(tài)環(huán)境,因此,1987年制定的Montreal條約要求各國減少CFC的用量,尋求CFC替代物,最終完全取而代之。對CFC-11替代發(fā)泡劑的開(kāi)發(fā)和應用研究已成為近年硬質(zhì)聚氨酯泡沫研究開(kāi)發(fā)人員的重要工作。同CFC-11相比,環(huán)戊烷、HCFC-141b、HFC-245fa、CO2等替代發(fā)泡劑本身導熱系數較高,降低了泡沫的隔熱性能。這些替代發(fā)泡劑雖然滿(mǎn)足了環(huán)保的要求,但需要消耗更多的能源。
環(huán)境保護和節約能源是當今世界的兩大主題。研究和開(kāi)發(fā)無(wú)ODS、優(yōu)良隔熱性能的新型材料一直是人們努力的方向。

干法工藝芯材和真空絕熱板
1 VIP隔熱原理和結構
1.1 VIP隔熱原理[1]
泡沫材料的傳熱可以由下式表示:
:λapp =λs +λg +λr +λc
式中:λapp表示泡沫材料表觀(guān)熱傳導;
λs 表示泡沫材料中的固相熱傳導,對于聚氨酯泡沫,隨泡沫表觀(guān)密度提高而提高,隨傳熱方向上固相傳熱面積減少、傳熱路徑延長(cháng)而降低;
λg 表示泡沫材料中的氣相熱傳導,在低壓下,隨氣體密度和泡孔直徑降低而降低;
λr 表示輻射傳熱,隨泡孔直徑降低而降低;
λc 表示對流傳熱,影響較小,在13.3 kPa (100Torr)以下時(shí),其影響幾乎為0〔2〕。
對于硬質(zhì)聚氨酯泡沫,λg約占λapp的50%~65%;λs和λr各占15%~25%,共占35%~50%,λc占的比例很小。在真空條件下,λg=0,λc=0;開(kāi)孔泡沫的傳熱路徑延長(cháng),因而降低了λs;泡孔的微細化(泡孔直徑﹤150 μm)降低了λr。VIP就是利用這個(gè)原理,采用微細化開(kāi)孔泡沫做芯材制造的真空板,從而獲得高效隔熱性能的。理論研究和實(shí)驗表明,以開(kāi)孔聚苯乙烯泡沫或開(kāi)孔聚氨酯泡沫為芯材的VIP,在真空條件下,λapp = λs+λr =4~6 mW/(m·K)。
1.2 VIP結構
VIP是采用真空隔熱原理,特殊結構的一種復合材料。主要有三部分組成:芯部的隔熱材料(Insulating material)、氣體吸附材料(Getter)和封閉的隔氣薄膜(Barrier)。
芯部的隔熱材料一般為多孔隙性材料,如粉狀二氧化硅(silica)、氣溶膠(aerogels)、開(kāi)孔泡沫等。其首要作用是支撐作用,避免在真空條件下外部的封閉薄膜收縮、塌癟;第二是阻止熱的輻射;第三,本身為多空隙材料,接觸面小,熱傳導低。
吸附劑(Getter)的作用極其重要。VIP的隔熱性是因其有很高的真空度。但是,在生產(chǎn)過(guò)程中,抽真空后密封時(shí),會(huì )有少量空氣進(jìn)入VIP中;VIP在使用過(guò)程中,也會(huì )有少量氣體透過(guò)隔氣薄膜進(jìn)入VIP中;VIP中的芯材在使用過(guò)程中也會(huì )釋放一些氣體。這些氣體包括氮氣、氧氣、水蒸氣、氫氣、二氧化碳和發(fā)泡劑等。必須使用特殊性能的吸附劑吸附這些氣體,以保持VIP內較高的真空度。
隔氣性薄膜用于將芯材密封起來(lái),抽真空后形成高真空的空間。這種薄膜由鋁箔和聚合物薄膜復合材料組成,有很好的隔氣性。這種結構既保持了真空的低導熱系數,又解決了熱輻射和薄膜承受的大氣壓力的問(wèn)題。
2 VIP歷史發(fā)展及最新進(jìn)展
2.1 VIP歷史發(fā)展
VIP是上世紀五十年代發(fā)明的。VIP采用的芯材主要是粉狀材料或纖維材料,如珠光粉、粉狀二氧化硅、粉狀碳酸鈣、活性炭、玻璃纖維等。由粉狀二氧化硅做芯材制造的VIP隔熱性能好、壽命長(cháng),綜合性能較佳,技術(shù)成熟。其用途主要是航天航空、醫用保溫箱等,也用于民用制冷設備。
3 VIP性能特征
3.1 絕熱性能
圖2是VIP真空壓力和導熱系數的關(guān)系。從中可以看出,在生產(chǎn)上容易得到的66 Pa (0.5Torr)真空度下,其導熱系數為5~8 mW/(m·K),只有硬質(zhì)聚氨酯泡沫的1/2.5左右。
1-開(kāi)孔聚氨酯泡沫塑料 2-沉淀法二氧化硅 3-玻璃棉 4-開(kāi)孔聚苯乙烯泡沫塑料 5-珍珠巖
圖2 不同芯材在真空下的導熱系數
3.2 物理性能
一般來(lái)說(shuō),VIP芯材的90%以上是空隙,為了支承薄膜承受的外界壓力,必須有足夠的強度。
3.3 VIP的壽命
VIP中的吸附劑對VIP內氣體有很強的吸附作用,明顯提高了其隔熱性能的穩定性。PU-VIP是1994年后才面市的,ICI公司對VIP產(chǎn)品連續7年的試驗研究表明,導熱系數沒(méi)有明顯增加。據此計算,壽命大于15年。長(cháng)期的壽命研究仍在進(jìn)行中。
4 VIP的應用及研究
4.1 VIP應用
同其它材料相比,VIP以其極低的導熱系數,在保溫技術(shù)要求相同時(shí)有保溫層厚度薄、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn),適用于節能要求較高和保溫材料體積小、重量輕有較大技術(shù)經(jīng)濟意義的場(chǎng)合。過(guò)去,VIP主要用于軍工、船運保溫箱和醫用保溫箱?,F在,隨著(zhù)VIP的商業(yè)化和成本的降低,VIP已主要用于冰箱、冷凍箱和冷凍冷藏集裝箱隔熱保溫,也用于航空航天、交通運輸、食品工業(yè)和各種保溫箱的隔熱保溫。
日本的Sharp公司在冰箱中大量使用VIP作為隔熱材料。使用VIP隔熱的冰箱型號有SJ-WE44A、SJ-WE38A、SJ-45A等,均已面市。這些冰箱壁厚僅2.8 cm,只有普通冰箱的一半,不僅減少了冰箱重量,而且容積增加20%,而價(jià)格僅增加25%。這種產(chǎn)品很有竟爭力。其VIP隔熱的SJ-WE44B是節能型的,容積440 L,月耗電28度,比過(guò)去同類(lèi)產(chǎn)品節電50%。最近,上市的一批雙開(kāi)門(mén)電冰箱也采用了VIP材料,型號是SJ-4651、SJ-LC470e、SJ-4011和SJ-w h47e。據日經(jīng)BP社報道,日本松下電器產(chǎn)業(yè)公司將從2001年12月1日起推出3款節能冰箱,年耗電量控制在300度以下,該產(chǎn)品采用新開(kāi)發(fā)的高效壓縮機和使用新真空隔熱材料等手段減少耗電量。Sanyo、Matsushita和其它公司在冰箱和冷藏船上使用了Dow化學(xué)公司的PS-VIP。日本的大多數冷熱售奶機均使用VIP隔熱,該機小巧美觀(guān)。德國下莎克森州的塞森真空絕熱公司的冷凍車(chē)采用了VIP隔熱。土耳其Arcelik公司的Orbital牌冰箱使用VIP隔熱。伊萊克斯的VIP冰箱在歐洲獲得了兩項環(huán)保和節能大獎。英國的ICI和Microtherm Inc ' I ,德國的BASF、ITCHU Sthal Gmbh和Liebherr都在積極進(jìn)行VIP研究和開(kāi)發(fā)。俄亥俄州的諾考德公司采用VIP進(jìn)行冰箱隔熱。
DOW化學(xué)公司的VIP已用于美國亞力桑納州ISC公司等三家公司的運輸箱中,用于儲藏易腐食品時(shí),可節約費用50%。Whirlpool是美國第二大冰箱生產(chǎn)商,也使用VIP隔熱材料。以蓄冷材料維持低溫的冷藏箱,用PUF或PSF保溫時(shí),保溫期只有1~2天;采用VIP隔熱材料后,保溫期延長(cháng)至4~5天,使原來(lái)必須空運的物品,可以改用卡車(chē)運輸或者火車(chē)運輸,大幅度降低了運輸費用。
VIP在日本用量較大,歐洲次之,美國較少。日本Sharp冰箱大量采用VIP隔熱,其300L以上的冰箱大部分采用VIP隔熱。壁薄、容積率大是Sharp的技術(shù)特點(diǎn)之一。日本三洋、松下均生產(chǎn)VIP冰箱。國外最知名的三大品牌冰箱,GE、Electrolux、Whirpool都生產(chǎn)VIP隔熱冰箱。
4.2 VIP應用研究
ICI公司同用戶(hù)合作,進(jìn)行了大量VIP的應用研究。在這方面,DOW化學(xué)也做了大量工作。隔氣薄膜的研究開(kāi)發(fā)很活躍。VIP用于隔熱保溫,在保溫層厚度相同時(shí),可以節能;在能耗相同時(shí),可以降低隔熱層厚度,減少物體體積或增加儲藏空間;也可以為設計工程師提供多種靈活的選擇。
4.2.1 Dow化學(xué)公司的研究結果
冷藏保溫箱:在內裝保溫物品相同的情況下
(1) 用PU泡沫時(shí),外形尺寸57cm×50cm×50cm,保溫層厚度3.8 cm,內裝21.8 kg冷卻劑,保溫期120 h;
(2) 用VIP隔熱時(shí),外形尺寸33cm×46cm×28cm,保溫層厚度2.5cm,內裝7 kg 冷卻劑,保溫期200 h。
采用VIP新材料后,保溫箱體積減少70%,冷卻劑減少68%,而保溫期則延長(cháng)66%。減少了運費,提高了運距,經(jīng)濟效果明顯。
4.2.2 ICI公司的研究結果
冰箱采用VIP隔熱,可以節能10%~30%。盡管現在VIP的價(jià)格還很高,但用戶(hù)使用冰箱7~10年節約的電費,已相當于冰箱采用VIP隔熱增加的費用。采用VIP隔熱,除了經(jīng)濟意義外,還有冰箱重量輕,體積小的優(yōu)點(diǎn)。冰箱門(mén)和冷凍箱的上開(kāi)門(mén),要求質(zhì)輕、壁薄,采用VIP隔熱有較大的技術(shù)經(jīng)濟意義。
4.2.3 西門(mén)子公司的研究結果
用容積120 L,內部尺寸450mm×500mm×535mm,保溫層厚度50mm的冰箱進(jìn)行試驗,用20mm厚度的VIP對60%的隔熱面隔熱。保持保溫層厚度不變時(shí),可節能23%;保持能耗不變時(shí),可將保溫層厚度降至30mm,增加冰箱容積22%。
參考文獻
1 Kodama K, Yuge K, Masuda Y. J Cell. Plast, 1995, 31(1):28
2 朱偉濤,李俊. 家用電器科技,2000,(3):34
VIP Composite Material with High Insulation
Wang Guangren
(Liming Research Institute of Chemical Indudtry, Henan Luoyang洛陽(yáng)471001)
Abstract: The structure, properties and uses of vacuum insulation panel (VIP) were presented. The worldwide situation of researches, development and applications were surveyed. The heat-transfer coefficient of VIP is lower, and is about 1/2.5 as conventional rigid polyurethane foam. No ODS substances were used in the production and application. It has the dual advantages of environmental protection and energy saving.
Keyword: polyurethane; insulation material; energy saving; environmental protection; vacuum insulation panel
作者簡(jiǎn)介:
王光仁 1957年生,1982年畢業(yè)于浙江大學(xué)高分子化學(xué)專(zhuān)業(yè)后在黎明化工研究院主要從事聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料原料、助劑、制品的研究、開(kāi)發(fā)和應用推廣工作。