真空絕熱板(Vacuum Insulation Panel，縮寫(xiě)VIP)是一種新型高效絕熱保溫材料。其特點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)低，其表觀導(dǎo)熱系數(shù)比常規(guī)保溫材料低一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)擁有較薄的厚度(一般在15-30 mm)，在制造、使用和用后處理過(guò)程中不消耗臭氧層物質(zhì)。可用于冰箱、冰柜、冷藏箱、冷庫(kù)、電熱水器等保溫設(shè)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(tǒng)最先進(jìn)、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(tǒng)的玻璃微纖維紙生產(chǎn)技術(shù)，將玻璃微纖維棉打漿，然后抄制烘干成型。該種方法浪費(fèi)能源，對(duì)環(huán)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(shí)濕法VIP制品在導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)為0．0021～0．0023 w／(m．K)，而干法VIP芯材的導(dǎo)熱系數(shù)為0．0019 w／(m．K)。由此可見(jiàn)，VIP用玻璃微纖維干法氈無(wú)論是在成本還是性能上都占有優(yōu)勢(shì)。
1.VlP的結(jié)構(gòu)分析
干法芯材制作出的真空絕熱板
圖1為VIP的結(jié)構(gòu)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(gè)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(nèi)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(nèi)更好的真空度，吸附由于滲透或材料放氣所產(chǎn)生的多余氣體，滲入板內(nèi)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(nèi)的氮?dú)?、氧氣和二氧化碳，用氧化鈷或活性炭吸收氫氣?/span>
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(kāi)孔泡沫等材料，其功能主要是結(jié)構(gòu)支撐和減少熱傳導(dǎo)。熱量傳遞一般通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)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(gè)點(diǎn)傳到另外一個(gè)點(diǎn)，因而盡管形成所謂的“絕熱空間”，但是熱傳導(dǎo)過(guò)程是一個(gè)“熵增”的過(guò)程，任何方法都無(wú)法避免，只能是盡量弱化與減小。熱傳導(dǎo)主要有芯材本身的固體傳導(dǎo)、殘留氣體傳導(dǎo)以及輻射傳導(dǎo)。因此VIP芯材的選擇必須最優(yōu)化，使得氣體熱傳導(dǎo)、固體熱傳導(dǎo)都達(dá)到最小。相比之下，輻射換熱則可以不通過(guò)任何介質(zhì)而發(fā)生。當(dāng)輻射能量作用于物體時(shí)，可以被反射、穿透或吸收。如果能量被吸收于物體內(nèi)，則物體溫度會(huì)升高。通常輻射能量會(huì)與空間內(nèi)的物體發(fā)生熱量交換，因而可以通過(guò)在板內(nèi)填充多孔芯材的方法增加輻射障礙而減少輻射換熱。通過(guò)采取一定措施盡量減弱以上熱量的傳遞方式，可以實(shí)現(xiàn)VIP板的優(yōu)異絕熱性能。
2.VIP芯材的分析與選用
通過(guò)VIP結(jié)構(gòu)分析及其絕熱機(jī)理分析，可知VIP核心技術(shù)為芯材和隔氣層材料。芯材的選擇除了必須滿(mǎn)足支撐作用及本身具有低導(dǎo)熱系數(shù)、能夠有效降低板內(nèi)輻射換熱的要求外，作為VIP板芯材使用的材料來(lái)說(shuō)，還必須具備的特性為開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，以便于氣體抽空，同時(shí)微孔的排列應(yīng)該使材料中的結(jié)構(gòu)接觸點(diǎn)盡量少，以減少固體熱傳導(dǎo)。真空環(huán)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(dǎo)熱系數(shù)變化如圖2所示。
由該圖可見(jiàn)，在抽真空狀態(tài)(真空壓力小于0．1 kPa)時(shí)，纖維材料與其他隔熱材料相比，導(dǎo)熱系數(shù)低，具有高熱阻值。下面，我們對(duì)VIP玻璃微纖維芯材的制造技術(shù)進(jìn)行討論。
3.VIP玻璃微纖維芯材干法工藝制造過(guò)程
從相關(guān)文獻(xiàn)可知，VIP玻璃微纖維芯材干法工藝流程總結(jié)如圖3所示。
VIP玻璃微纖維芯材干法制造技術(shù)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(chēng)重原料并混合，原料熔化后通過(guò)火焰法或離心法生產(chǎn)出纖維，然后集棉形成一定厚度的玻璃棉，最后通過(guò)高溫?zé)釅悍绞街瞥伤杩酥氐腣IP芯材。干法制造技術(shù)相對(duì)于濕法技術(shù)而言，關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)集中在纖維成形、集棉時(shí)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(chǎn)技術(shù)
玻璃微纖維通常有兩種生產(chǎn)方式：火焰噴吹法和離心噴吹法?；鹧鎳姶捣ㄉa(chǎn)玻璃微纖維直徑最細(xì)可達(dá)0.1～0.2μm，但纖維直徑分布范圍寬，渣球含量高，產(chǎn)量低，通常單臺(tái)爐的日產(chǎn)量在25--100 kg，能耗大；離心噴吹法生產(chǎn)的玻璃微纖維目前最細(xì)直徑在1.5μm左右，纖維直徑分布范圍窄，渣球含量相對(duì)低，產(chǎn)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(shí)考慮到能耗成本，目前市場(chǎng)上的VIP玻璃微纖維芯材基本都采用離心法生產(chǎn)。
分析部分市場(chǎng)樣品，其顯微鏡下的纖維排列如
由圖可見(jiàn)，纖維直徑一般都小于5μm，同時(shí)，為了最大程度上減少熱傳導(dǎo)，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(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)有較大影響，導(dǎo)熱系數(shù)隨纖維直徑減小而降低。據(jù)檢測(cè)，在一定玻璃微纖維直徑范圍內(nèi)，玻璃微纖維直徑每減小約0．25 μm，其導(dǎo)熱系數(shù)值可降低2.3％。目前市場(chǎng)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(huì)提高其絕熱性能，但生產(chǎn)成本也會(huì)提高，同時(shí)離心法生產(chǎn)直徑較細(xì)的玻璃微纖維也存在很多技術(shù)問(wèn)題需要解決，例如離心頭的孔徑、孔的位置設(shè)計(jì)及集棉系統(tǒng)等，因此需要綜合考慮設(shè)計(jì)纖維直徑。同時(shí)，在VIP芯材生產(chǎn)這方面還有很大的技術(shù)提升空間。
離心法生產(chǎn)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(chǎn)過(guò)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(jīng)料道末端的漏板流出，進(jìn)入離心器。在高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)帶動(dòng)下，離心器側(cè)壁甩出的近萬(wàn)股玻璃細(xì)流，在燃燒室產(chǎn)生的高溫高速火焰下玻璃細(xì)流被進(jìn)一步牽伸、切斷成一定長(zhǎng)度的纖維。
依據(jù)上文，我們可以看出VIP用干法玻璃微纖維對(duì)纖維直徑、長(zhǎng)度及纖維排布方向的要求很高，因此在工藝參數(shù)方面較普通離心棉的生產(chǎn)需要有所改進(jìn)。一般我們可以通過(guò)以下兩種方法來(lái)生產(chǎn)較細(xì)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(duì)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(duì)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(huán)狀的非纖維形材料形態(tài)。
離心法玻璃微纖維吹制后需進(jìn)行集棉布?xì)?。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(yīng)才能降低產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)，因此我公司采用氣流布?xì)?，通過(guò)調(diào)節(jié)布棉風(fēng)嘴角度、風(fēng)速及集棉網(wǎng)帶下的真空抽吸風(fēng)量、風(fēng)壓等使玻璃微纖維均勻沉降在集棉網(wǎng)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(shù)
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(huì)對(duì)VlP導(dǎo)熱性能產(chǎn)生直接的影響。在選擇壓縮成型技術(shù)的時(shí)候，要盡可能的避免引入膠黏劑、水分等，同時(shí)也要考慮節(jié)能以及使操作工藝簡(jiǎn)單化。
依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，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(jiàn)表1。
目前，國(guó)際上常用的3種壓縮方法如表1l所示。其中浸潤(rùn)粘結(jié)劑法對(duì)熱壓溫度及時(shí)間要求不高，并且定型效果好，但由于添加了粘結(jié)劑，增加了玻璃微纖維芯材的熱橋效應(yīng)，會(huì)影響其絕熱效果；直接熱壓法則對(duì)熱壓溫度和時(shí)間都有較高的要求；針刺法無(wú)需用水加熱或噴灑無(wú)機(jī)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(fèi)用，還可以防止芯材內(nèi)部產(chǎn)生氣體，但是該方法由LG公司(泰州樂(lè)金)申請(qǐng)了專(zhuān)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(jìn)一步的研究開(kāi)發(fā)及創(chuàng)新。
4結(jié)語(yǔ)
(1) 在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的形勢(shì)下，節(jié)能環(huán)保兩大主題顯得越發(fā)重要，VIP材料正是一種高效、環(huán)保的絕熱材料，這種材料具有很大的市場(chǎng)需求，擁有廣闊的市場(chǎng)前景。
(2)VlP的技術(shù)核心為芯材和隔氣層材料，玻璃微纖維芯材具有生產(chǎn)成本低，隔熱效果好的優(yōu)點(diǎn)。分析VlP絕熱機(jī)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(yīng)，這就對(duì)玻璃微纖維棉氈的生產(chǎn)技術(shù)和壓縮成型技術(shù)提出了很高的要求。
(3) 目前廣泛使用的玻璃微纖維生產(chǎn)技術(shù)有離心法和火焰法，對(duì)比而言，離心法具有能耗低，玻璃微纖維均一性好的優(yōu)點(diǎn)，更適用于VIP干法氈芯材的生產(chǎn)；而壓縮成型技術(shù)則以直接熱壓法應(yīng)用最為普遍，該種方法在最大程度上減少了熱橋效應(yīng)。
(4) VIP玻璃微纖維芯材在結(jié)構(gòu)上玻璃微纖維需要盡可能的平行排列，纖維長(zhǎng)度及直徑均一性要好，同時(shí)纖維直徑在2～5 μm范圍內(nèi)越細(xì)，其絕熱性能越好。如何在有效的生產(chǎn)成本控制下，利用離心法生產(chǎn)出纖維直徑較細(xì)，同時(shí)均一性好的玻璃微纖維是芯材制造技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。