VIP高效隔熱復(fù)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(jié)構(gòu)、性能、和用途，概述了國(guó)內(nèi)外研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用情況。VIP復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)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(yīng)用過(guò)程中不使用ODS物質(zhì)，具有環(huán)保和節(jié)能的雙重優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：聚氨酯；隔熱材料；節(jié)能；環(huán)境保護(hù)；真空隔熱板
由于CFC能夠消耗大氣層中的臭氧，破壞人們賴以生存的地球生態(tài)環(huán)境，因此，1987年制定的Montreal條約要求各國(guó)減少CFC的用量，尋求CFC替代物，最終完全取而代之。對(duì)CFC-11替代發(fā)泡劑的開(kāi)發(fā)和應(yīng)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(dǎo)熱系數(shù)較高，降低了泡沫的隔熱性能。這些替代發(fā)泡劑雖然滿足了環(huán)保的要求，但需要消耗更多的能源。
環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源是當(dāng)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(jié)構(gòu)
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表示泡沫材料表觀熱傳導(dǎo)；
λs 表示泡沫材料中的固相熱傳導(dǎo)，對(duì)于聚氨酯泡沫，隨泡沫表觀密度提高而提高，隨傳熱方向上固相傳熱面積減少、傳熱路徑延長(zhǎng)而降低；
λg 表示泡沫材料中的氣相熱傳導(dǎo)，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(duì)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(duì)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(zhǎng)，因而降低了λs；泡孔的微細(xì)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(xì)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(yàn)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(jié)構(gòu)
VIP是采用真空隔熱原理，特殊結(jié)構(gòu)的一種復(fù)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(dǎo)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?dú)?、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(nèi)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(fù)合材料組成，有很好的隔氣性。這種結(jié)構(gòu)既保持了真空的低導(dǎo)熱系數(shù)，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(jì)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(zhǎng)，綜合性能較佳，技術(shù)成熟。其用途主要是航天航空、醫(yī)用保溫箱等，也用于民用制冷設(shè)備。
3 VIP性能特征
3.1 絕熱性能
圖2是VIP真空壓力和導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)
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(qiáng)度。
3.3 VIP的壽命
VIP中的吸附劑對(duì)VIP內(nèi)氣體有很強(qiáng)的吸附作用，明顯提高了其隔熱性能的穩(wěn)定性。PU-VIP是1994年后才面市的，ICI公司對(duì)VIP產(chǎn)品連續(xù)7年的試驗(yàn)研究表明，導(dǎo)熱系數(shù)沒(méi)有明顯增加。據(jù)此計(jì)算，壽命大于15年。長(zhǎng)期的壽命研究仍在進(jìn)行中。
4 VIP的應(yīng)用及研究
4.1 VIP應(yīng)用
同其它材料相比，VIP以其極低的導(dǎo)熱系數(shù)，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(jié)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(jì)意義的場(chǎng)合。過(guò)去，VIP主要用于軍工、船運(yùn)保溫箱和醫(yī)用保溫箱?，F(xiàn)在，隨著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(yùn)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(hào)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?fàn)幜?。其VIP隔熱的SJ-WE44B是節(jié)能型的，容積440 L，月耗電28度，比過(guò)去同類產(chǎn)品節(jié)電50％。最近，上市的一批雙開(kāi)門電冰箱也采用了VIP材料，型號(hào)是SJ-4651、SJ-LC470e、SJ-4011和SJ-w h47e。據(jù)日經(jīng)ＢＰ社報(bào)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(jié)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(jī)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(shù)冷熱售奶機(jī)均使用VIP隔熱，該機(jī)小巧美觀。德國(guó)下莎克森州的塞森真空絕熱公司的冷凍車采用了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(xiàng)環(huán)保和節(jié)能大獎(jiǎng)。英國(guó)的ICI和Microtherm Inc ' I ，德國(guó)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(guó)亞力桑納州ISC公司等三家公司的運(yùn)輸箱中，用于儲(chǔ)藏易腐食品時(shí)，可節(jié)約費(fèi)用50％。Whirlpool是美國(guó)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(zhǎng)至4～5天，使原來(lái)必須空運(yùn)的物品，可以改用卡車運(yùn)輸或者火車運(yùn)輸，大幅度降低了運(yùn)輸費(fèi)用。
VIP在日本用量較大，歐洲次之，美國(guó)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(guó)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(yīng)用研究
ICI公司同用戶合作，進(jìn)行了大量VIP的應(yīng)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(jié)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(chǔ)藏空間；也可以為設(shè)計(jì)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(jié)果
冷藏保溫箱：在內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhǎng)66％。減少了運(yùn)費(fèi)，提高了運(yùn)距，經(jīng)濟(jì)效果明顯。
4.2.2 ICI公司的研究結(jié)果
冰箱采用VIP隔熱，可以節(jié)能10％～30％。盡管現(xiàn)在VIP的價(jià)格還很高，但用戶使用冰箱7～10年節(jié)約的電費(fèi)，已相當(dāng)于冰箱采用VIP隔熱增加的費(fèi)用。采用VIP隔熱，除了經(jīng)濟(jì)意義外，還有冰箱重量輕，體積小的優(yōu)點(diǎn)。冰箱門和冷凍箱的上開(kāi)門，要求質(zhì)輕、壁薄，采用VIP隔熱有較大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。
4.2.3 西門子公司的研究結(jié)果
用容積120 L，內(nèi)部尺寸450mm×500mm×535mm，保溫層厚度50mm的冰箱進(jìn)行試驗(yàn)，用20mm厚度的VIP對(duì)60％的隔熱面隔熱。保持保溫層厚度不變時(shí)，可節(jié)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(xiàn)
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(yīng)用推廣工作。