纳米绝热材料（精选8篇）
纳米绝热材料 篇1
一、引言
随着社会的发展、人类的进步, 尽可能减少能源的消耗、增加能源的利用率的一系列节约能源的行为已成为当今世界的一种重要社会活动。
我国自2004年4月1日《中华人民共和国节约能源法》实施以来, 又在2009年11月25日提出了控制温室气体排放目标:到2020年, 中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降40%至45%。由此可见, 节能、减排是我国面临的一个极为重要的工作。
据广东省2006年统计:占全省上网电量12.27%的核电站实现2633.7万吨CO2的减排量, 2006年全国核电减排量占中国石化燃料排放量的2.98%, 可见大型核电站的兴建将能够大量减少碳排放, 为节能减排工作作出重大贡献。而核电站内管道的绝热工程将大大影响核电站的整体利用效率。如何才能最大限度地减少热量损失, 提高能源利用率, 成为一个亟待克服的课题。
二、核电站绝热情况
由于核电站蒸汽管道低参数 (主蒸汽设计温度为316℃) 、大流量 (主蒸汽设计流量为1613.14kg/s) 的特点, 核电站管道尺寸都比较大, 建设单位为了减少投资而进行的优化设计, 都会尽量减小主厂房的尺寸, 因此造成主厂房内管道布置比较拥挤, 特别是在高中压缸底部的抽汽管道密集的部位会造成空间较小, 单根管道无法单独绝热, 需要两根管道联合保温等情况。
同时由于核电站设计寿命长, 目前CPR1000二代加核电站设计寿命为40年, AP1000、EPR三代核电站设计寿命为60年, 规划中的四代核电站设计寿命为80年, 未来的五代核电站预期寿命可以达到100年。这么长的寿命期内, 如果绝热工程做得好, 可以大大减少热量损失, 提高经济性。
三、复合硅酸盐绝热材料情况
目前核电站常用的绝热材料为复合硅酸盐绝热材料。
复合硅酸盐绝热材料导热系数在70℃为0.045 W/ (m·K) , 在最高使用温度为600℃时导热系数为0.078 W/ (m·K) , 容重为150Kg/m3。
普通型复合硅酸盐绝热材料不能够防水, 憎水型复合硅酸盐绝热材料不能够完全防水, 需要在绝热结构中增加专门的防水层;复合硅酸盐绝热材料中含有的氯离子对于奥氏体钢管道有着较大的腐蚀作用, 使用年限久了之后会造成管道壁厚减薄等严重情况。
使用复合硅酸盐绝热材料的保温结构由于绝热材料自重和保护层重量的原因, 随着使用年限的增加, 会出现管道上部的绝热层厚度越来越薄, 管道两侧的绝热材料都向管道下部拥挤, 如图1所示:
由图1可以看出, 随着使用年限的增加, 绝热层整体形状呈水滴状, 因此其上部的最小绝热厚度才是其有效绝热厚度, 此时绝热效果已大大的降低了。由于核电站的设计使用寿命均大于40年, 复合硅酸盐绝热材料在10年以后的绝热效果已大大降低, 为了节约热量损失, 需要对其予以更换。
复合硅酸盐绝热材料作为市场上主流的绝热材料, 目前最大的优势是价格便宜, 目前其市场价格约为3000元/m3。
四、纳米绝热材料情况
纳米绝热材料产品具有以下特点:
(一) 非常低的导热系数
对于绝热材料而言, 热量的传递主要通过以下三种方式:
热传导:主要由绝热材料中的固体部分来完成;
热对流:主要由绝热材料中的空气来完成;
热辐射:传递不需要任何介质。
绝热材料的绝热效果的优劣主要是靠对以上三种方式的控制来实现。研究表明要实现超级绝热的目的:
一是要使绝热材料的密度在保持足够的机械强度的同时, 其体积密度要尽可能的小。通过增加绝热材料内部的气孔, 减小绝热材料密度;
二是要将绝热材料内的空气的对流减弱到极限;
三是要通过近于无穷多的界面和通过材料的改性使热辐射经发射、散射和吸收而降到最低。
纳米绝热材料具有的纳米空隙结构有效地降低了材料的固态热传导, 丰富的纳米多孔结构有效抑制了气体分子的对流传导, 加之功能性材料对热辐射的吸收、反射, 可使材料的导热系数大大降低。
常温下纳米绝热材料的导热系数仅为0.012~0.016 W/ (m·K) , 在800℃时的导热系数为0.035W/ (m·K) , 容重为170Kg/m3。
(二) 防火性能好
为A级防火材料, 可耐高温1000℃。
(三) 完全防水
完全防水并且能透空气, 能有效地让空气通过, 但绝对能阻止水的进入;而且非常低的硫、氯化物含量, 能有效阻止绝热层对管道本体的腐蚀。
(四) 持久耐用、收缩率小
20年模拟测试收缩率小于1%, 且隔热性能没有变化。能承受约1MPa的外压, 不容易变形。
(五) 施工简便
由于导热系数小, 对于相同的管道绝热层厚度比较小, 减少施工量。由于保温厚度减小, 保温外径减小, 同时节省了保护层的用量和相应的保温支撑结构的用量。
(六) 造价高
由于制造工艺复杂, 其材料制造成本较高, 目前其市场价格约为60000元/m3。
五、经济性分析比较
为了更好地比较复合硅酸盐绝热材料与纳米绝热材料在绝热效果上的优劣, 现在对两者进行经济性分析。
假设管道设计温度316℃, 管道外径400mm, 管道长度500m, 环境温度27℃, 在核电厂40年设计寿命内使用, 室内不考虑风速。具体比较参数如表1所示:
通过以上表格可以看到, 复合硅酸盐绝热材料的材料成本为:32万元, 考虑设计寿命40年内更换3次, 总成本为128万元。40年的散热损失折算为电费 (每度电按0.6元计算) 为 (72×3+108×3+217×4) ×4=5632万元。
纳米绝热材料的材料成本为212万元, 考虑实际寿命内更换1次, 总材料成本为424万元。40年的散热损失为:67×40=2680万元。
综合以上两项考虑:整个设计寿命40年内使用纳米绝热材料比使用复合硅酸盐绝热材料节省2656万元。
以上仅仅是考虑了节省散热损失的费用, 还有由于绝热层厚度变小, 将节省保护层材料, 将减少绝热层和保护层的重量, 以及相应可以减小支吊架的型号, 减少绝热工程的施工量和安装费用。
仅仅一条管道即可节省数千万元的热量损失, 对于整个电厂来说, 节省的热量将更加可观。
六、纳米绝热材料目前的应用情况
目前纳米绝热材料在国外已有了广泛应用, 在石油、化工、航空、电力、燃气输送都有很多良好的业绩。在国内市场的应用尚处于初级阶段, 主要应用于航天等高端市场。
七、结论
通过以上论述, 可以看到使用纳米绝热材料从总体上来看是有绝对的经济优势, 而且能够减少管道的附加尺寸, 减小管道的附加载荷, 从而减少管道的支吊架载荷, 降低工程的建造成本。
在核电站管道的绝热设计中, 建议使用纳米绝热材料。
参考文献
[1]火力发电厂保温油漆设计规程DL/T5072-2007[S].
[2]黄文杰, 杨光, 刘达.中国核电在减缓碳排放中的计算方法[J].技术经济与管理研究, 2010, (1) .
纳米绝热材料 篇2
1、表观密度不应小于20Kg/m3；
2、导热系数不应大于0.041W/ （m？k）；
3、压缩应力不应小于100KPa；
4、吸水率不应大于4％；
5、氧指数不应小于30％，
纳米绝热材料 篇3
节能降耗、低碳环保是实现可持续发展战略的重要措施。目前,我国建筑能耗已占社会总能耗的1/3,单位面积能耗比气候条件接近的发达国家高2~3倍,建筑供暖造成的空气污染比发达国家水平高2~5倍,供热采暖能耗占社会总能耗的10%,约1.3亿t标准煤。我国既有建筑面积达400亿m2,每年新增建筑面积30亿m2,其中高能耗建筑占95%以上,为此国家将建筑节能指标由50%提高到70%,并对既有建筑逐步进行节能改造,同时要兼顾冬季采暖与夏季空调的能源平衡。国家法改委、住建部发文大力推进“安全实用、节能减排、经济美观、健康舒适”的绿色建筑,推广“在全寿命周期内最大限度地节能、节地、节水、节材,保护环境和减少污染,为人们提供健康、适用和高效的使用空间,与自然和谐共生的绿色建筑”。绿色建材是绿色建筑的基础,绿色节能墙体板材是绿色建材的一种主要材料,是采用清洁生产技术,使用工业或城市固态废弃物生产的无毒、无污染、无放射性、有利于环境保护和人体健康的建筑板材。
纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合墙板,是以仿生正六边形蜂窝结构再生纸芯为中间层、上下覆有粉煤灰水泥板,以纳米绝热胶粘剂粘结而成的夹芯复合板。该板具有强度高、耗材少、质量轻、防震、隔热、隔声、防火、防潮、节能、环保等优点。
1 纸蜂窝夹芯复合板的特点
用再生纸制成蜂窝纸芯板,用粉煤灰水泥制成面板,用纳米绝热胶粘剂将蜂窝纸芯板粘接在2块面板中间成为纸蜂窝夹芯复合板。该板具有质量轻、强度高、防水性好、隔声功能强、隔热性能好、防火性能好、环保性能优、极佳的强度/质量比和刚性/质量比等优点,性价比高。从力学角度分析,封闭的六角等边形蜂窝结构,能以最少的材料获得最大的受力,其垂直荷载与同厚度的实心板几乎相等,但质量却轻70%~90%,且不变形、不开裂、不易断裂。因为这种多墙面排列的蜂窝形网状结构,可以分散和承担来自各方面的压力,使蜂窝结构对挤压力的抵抗力比圆型或正方形高很多。另外,由于它是一种工业化生产的标准化墙板,照明、空调、电视、电话等线管及各类开关、插座等均可在标准墙板上预制,保证了安装过程简单、方便、快捷。由粉煤灰水泥板-纸蜂窝夹芯复合墙板、钢构龙骨、标准连接件现场装配成集成房屋主体。该房屋具有抗震(抗9级地震)、环保、隔声、保温、防火、防潮等特点。水泥板蜂窝复合板被编入《建筑构造通用图集》(华北标BJ系列图集,13BJ2-7)。
2 纸蜂窝夹芯-绝热复合墙板的生产技术
2.1 生产流程
上纸架展纸→双面涂胶机涂胶→八方缠绕机制成蜂窝纸芯→拉伸→喷淋防火防水胶→烘干定型→切割→输送→水泥板底板涂纳米绝热胶→纸芯粘结→水泥板面板涂纳米绝热胶→粘结复合→固化干燥。蜂窝纸芯加工生产线见图1。
图1 蜂窝纸芯加工生产线
2.2 规格
纸蜂窝夹芯-纳米绝热材料复合墙板规格:长×宽×厚=3000 mm×900 mm×90 mm。
2.3 质量控制
在生产加工纸蜂窝夹芯复合板过程中,其质量控制重点为以下4个环节:
(1)蜂窝纸芯的加工技术是纸蜂窝夹芯复合板的基础。采用100 g/m2的再生纸、高强快干胶粘剂,通过上纸架展纸→双面涂胶机涂胶→八方缠绕机制成具有高粘结强度的蜂窝纸芯。
(2)纸芯的拉伸定型是纸蜂窝夹芯复合板生产的核心环节。生产线中的拉伸设备采用双端双面差速牵引拉伸技术,通过控制牵引速度和供给速度来控制纸芯的拉伸,使纸芯孔径形成均匀的正六边形蜂窝状结构,从而具有最大的“比强度”。
(3)防水防火处理是纸蜂窝夹芯复合板生产的保障环节。采用自制的防水防火胶粘剂对正六边形蜂窝纸芯进行喷淋、烘干定型,使蜂窝纸芯具有防潮、防火、防霉性能,从而解决了普通蜂窝纸芯易燃、易吸潮、易生霉的难题。经防火、防水处理的蜂窝纸芯强硬坚挺,不燃、用水浸泡不软。
(4)粘结复合是纸蜂窝夹芯复合板生产的关键环节。采用自制的防水防火纳米绝热胶粘剂,通过底板涂胶(厚度≥0.5mm)→纸芯粘结→面板涂胶(厚度≥0.5 mm)→粘结复合→固化干燥过程,使纸蜂窝夹芯复合板粘结牢固,各指标符合JG/T169—2005《建筑隔墙用轻质条板》。自制的纳米绝热胶具有无毒环保、防水防火、隔热保温、隔声降噪、粘结力强等特性。
纳米绝热胶粘剂的性能见表1。
表1 纳米绝热胶粘剂的性能
纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合板的结构见图2。
图2 纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合板结构
3 纳米绝热胶粘剂的隔热保温机理
纳米绝热胶粘剂以改性硅酸盐溶液为基料、以无机纳米微孔材料Si O2气凝胶、六钛酸钾晶须、超细陶瓷空心微珠等为填料制成。粘结剂无毒无味、绿色环保,涂层具有薄涂、绝热、防水、防火、抗裂、防腐、隔声、耐高温、耐候、耐久等特性。根据热能的3种传递方式可分为固体热传导、对流热传导和辐射热传导。
(1)固体热传导:以纳米/亚纳米级空心结构材料为填料的胶粘剂中,在基料的作用下相互连接聚集形成纳米三维网络骨架结构,由于近无穷多纳米孔的存在,固体热传递只能沿着孔壁传递,近无穷多气孔壁构成了近于“无穷长路径”效应,使得固体热导率降到几乎最低极限。
(2)对流热传导:无机纳米微孔材料的介孔尺寸为2~50nm,当材料中的气孔直径小于70 nm时,孔内的空气分子就失去了自由流动的能力,相对地附着在气孔壁上,此时,纳米孔处于近似真空状态,材料中的空气对流减弱到最小极限。由于空气的主要成分是氮气和氧气,局域热激发无法通过空气分子跨越凝胶表面进行对流作用,从而对热对流传热产生隔绝作用[1];亚纳米级封闭微孔内的空气分子虽有自由流动能力,但因体积中所占比例较少,因此对流热传导也很微弱。同时具有阻断空气传声作用,隔声效果明显。
(3)辐射热传导:辐射热传导是一种非接触式的热量传递。由于隔热填料为均匀的纳米/亚纳米级气孔,且具有极低的体积密度,使材料内部气孔壁数目趋于“无穷多”,而每个气孔壁都有遮阳板的作用,从而产生近于“无穷多遮阳板”效应,使辐射传热下降到最低极限[2]。
4 纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合墙板的主要性能
以纳米绝热胶粘接复合的纸蜂窝夹芯墙板与以普通胶粘剂粘接复合的纸蜂窝夹芯墙板相比,隔声、隔热2项性能显著提高。在材质、工艺、规格相同的条件下,分别以纳米绝热胶和普通胶粘接复合的纸蜂窝夹芯墙板的性能测试结果见表2。
表2 纳米绝热胶和普通胶复合纸蜂窝夹芯墙板的性能
热阻R是衡量材料保温隔热性能的重要参数。热阻为导热系数的倒数,热量通过厚度d的材料层所受到的热传递阻力为:R=d/λ。保温材料的热阻R越大,传输的热量越少。导热系数λ越小,热阻越大,绝热性能越好。导热系数λ与材料的密度、孔孔隙特征直接相关,而与材料的厚度无关。在进行建筑热工设计时是以墙体的热阻为计算参数,从而确定保温隔热层的施工厚度。在材质相同的前提下,密度越低导热系数越小;孔隙率越高导热系数越小;孔隙尺寸越小其导热系数越小。
由国家建筑材料质量监督检验中心依照JG/T 169—2005,对纸蜂窝夹芯-纳米绝热材料复合墙板进行抽样检测,其外观质量、尺寸偏差中各项指标均符合标准要求,物理性能指标如表3所示。
表3 纸蜂窝夹芯-纳米绝热材料复合墙板的性能
经天津国家固定灭火系统和耐火结构质量监督检验中心检测,纸蜂窝夹芯-纳米绝热材料复合墙板的耐火极限≥1.0h。
5 纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合墙板的应用效果
纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合墙板可广泛应用于建筑隔墙板、轻钢结构集成房屋围护结构等领域。
(1)纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合墙板可用于影剧院、娱乐厅、写字楼、酒店、居民楼、教室等建筑物的隔墙板,具有保温隔热、隔声降噪、绿色环保、抗震减重、增加使用面积等优点。
(2)纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合墙板用于建筑外墙时,可采用双层复合纸蜂窝夹芯-纳米绝热材料复合墙板,该双层复合墙板可用于轻钢结构防震集成房屋围护结构、高层建筑外墙、永久性绿色农房外墙等。以双层复合蜂窝夹芯-纳米绝热材料复合墙板为外墙的建筑物,节能效率可达60%以上。
6 结语
纸蜂窝结构夹芯板的主要原料来自废物再利用,通过对蜂窝纸芯的防火、防水技术处理,有效地解决了纸芯阻燃、防潮、防霉的技术瓶颈。通过采用绿色环保纳米绝热胶粘剂制备的纸蜂窝夹芯-纳米绝热复合墙板,具有保温隔热、隔声降噪、防火防潮、绿色环保、抗震减重等优点,广泛应用于建筑隔墙板、轻钢结构集成房围护结构等领域。
参考文献
[1]师华,魏薇,武德涛.环保型工业隔热涂料的研制[C]//中国化工学会涂料涂装专委会.高装饰功能性建筑涂料技术研讨会论文集,上海,2011:98-102.
绝热保温材料研究进展 篇4
绝热材料是指在平均温度等于或小于623K (350℃) 时, 热导率小于0.14W/ (m·K) 的材料[1]。绝热材料又称为保温或保冷材料[2]。航天领域中热力设备及管道用保温材料多为无机绝热材料, 具有不腐烂、不燃烧、耐高温等特点;普冷下的保冷材料多用有机绝热材料, 具有极小的导热系数、耐低温、易燃等特点。前者主要发展了石棉、玻璃纤维、泡沫玻璃、硅酸钙材料体系, 后者主要发展了聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、酚醛树脂泡沫材料体系。随着绝热材料使用行业的迅速发展, 传统绝热保温产品已不能满足社会和工业需求, 近些年来, 既有保温材料不断升级完善, 新型环境友好型保温材料应运而生, 绝热保温材料的组成体系和性能特点也正在逐渐的扩大化。
2 绝热保温材料发展现状
2.1 泡沫塑料保温隔热材料
泡沫塑料作为一种重要的有机保温隔热材料主要有聚苯乙烯、聚氨酯、酚醛泡沫塑料三种。有机类保温材料具有导热系数低、吸湿性小、容重轻、价格便宜等优点;缺点是不耐高温、亲和性较差、易燃等。目前应用比较多的是聚氨酯泡沫塑料 (PU) 、聚苯乙烯泡沫塑料 (PS) 和酚醛 (PF) 泡沫塑料。
聚氨酯泡沫塑料由含有羟基的聚醚树脂或聚酯树脂与异氰酸酯反应构成聚氨酯主体, 由异氰酸酯与水反应产生CO2气体, 或用低沸点氟氯烃受热气化而成, 闭孔率可高达92%。聚氨酯泡沫塑料一般可分为:硬质泡沫塑料、软质泡沫塑料、半硬质泡沫。其中硬质泡沫塑料制品热导率低、质轻, 广泛用作保温隔热材料, 具有优异的抗水渗透性、机械强度和抗老化性。
聚苯乙烯泡沫塑料板, 是以聚苯乙烯树脂为基料, 加入一定剂量的含低沸点液体发泡剂、催化剂、稳定剂等辅助材料, 经加热后使可发性聚苯乙烯珠粒预发泡, 然后在模具中加热而制得的一种具有密闭孔结构的聚苯乙烯泡沫塑料。聚苯乙烯泡沫塑料类是目前使用最普遍的一种保温隔热材料, 聚苯乙烯泡沫塑料制品具有质轻、吸水性小、保温隔热性能良好, 吸声良好、价格低的性能。
酚醛树脂泡沫保温材料是由酚醛齐聚物通过交联发泡制成的。酚醛树脂分为热固性树脂和线型酚醛树脂两类。具有导热系数低 (近期已经研制出导热系数仅为 (0.0175 W/ (m·K) ) 的酚醛泡沫塑料) 力学性能好、尺寸稳定、吸水率低、耐热性好、电绝缘性优良、难燃、良好的耐酸性和耐溶剂性等优点, 尤其适合于某些特殊场合作隔热保温材料或其他功能性材料。其优异的防火阻燃性是以上两种泡沫塑料无以媲美的, 它可以长期在130℃下工作, 抗火焰穿透时间可达1h以上。酚醛树脂与其它材料共混改性, 可以制备出性能极优良的复合保温材料, 如密度小于50kg/m3的泡沫玻璃为填料的玻璃酚醛泡沫塑料极限抗压强度可达0.16MPa, 使用年限可超25年。酚醛泡沫均匀的细孔结构, 决定了它的导热能力小。不管在0℃以上还是以下, 导热系数都随着温度的升高和平稳的升高, 因而在实际应用中表现出特优的绝热和绝冷作用。如表1对几种常用保温隔热材料的性能进行了对比。
2.2 复合硅酸盐保温材料
复合硅酸盐保温材料具有导热系数低、可塑性强、耐高温、收缩率小等特点。主要种类有硅酸镁、硅镁铝、稀土复合保温材料等。而近年出现的海泡石保温隔热材料作为复合硅酸盐保温材料中的佼佼者, 海泡石保温隔热材料是以特种非金属矿物质-海泡石为主要原料, 辅以多种变质矿物原料、添加助剂, 采用新工艺经发泡复合面而成。该材料无毒、无味, 为灰白色静电无机膏体, 干燥成型后为灰白色封闭网状结构物。其显著特点是导热系数小, 温度使用范围广, 抗老化、轻质、隔音、阻燃、施工简便、成本低等。广泛应用在石油、化工、电力、冶炼、交通、轻工与国防工业等部门的热力设备, 管道的保温隔热和烟囱内壁、炉窑外壳的保温 (冷) 工程中。
2.3 玻璃棉制品保温材料
玻璃棉是以硅砂、石灰石、萤石等矿物为主要原料, 熔化后经过特殊工艺将熔融玻璃液制成无机纤维。质轻, 导热系数为0.034W/ (m·K) , 是非燃材料, 最高使用温度300℃, 抗老化, 不溶于水和有机溶剂, 但缺点是吸水率大, 须防水处理。玻璃棉使用寿命较短, 它受潮后易变形, 即使风干后也不能恢复至原来的性能。在由于成本低廉、施工方便, 是空调工程中较为广泛使用的一种保温材料。
2.4 泡沫玻璃保温材料
泡沫玻璃是由定量的碎玻璃、发泡剂、改性添加剂和促进剂等, 经过细粉碎混合均匀后、放入到特定的磨具中, 经过预热、熔融、发泡、退火等工艺制成的多孔玻璃。是一种性能优越的绝热 (保冷) 、吸声、防潮、防火的轻质高强建筑材料和装饰材料, 泡沫玻璃的工作温度范围为-200~+430℃、导热系数为0.058W/ (m·K) , 膨胀系数较小 (8×10℃) , 且可逆, 因此材料性能长期不变, 不易脆化, 稳定性好。
3 新型环境友好型保温绝热材料
3.1 聚丙烯泡沫保温材料
聚丙烯发泡材料以其优良的力学性能和环保性能, 引起了广泛的关注。聚丙烯发泡材料具有优良的耐热性, 使用温度范围-20℃~+150℃;作业温度下的制品尺寸稳定, 优良的力学性能弯曲模量高, 具有良好的耐冲击性能;环境友好性出色, 燃烧时无毒气放出, 可自然光降解, 易于回收;具有优良的耐化学腐蚀性, 但聚丙烯是一种结晶聚合物, 其发泡只能在结晶熔点附近进行, 超过熔点熔体粘度迅速下降使发泡成型非常困难。
BASF公司的Neopolen P系列泡沫塑料的粒子呈球状, 以非交联闭孔为主要结构。这种结构制造的制品质量轻, 吸收冲击载荷的能力强, 形变后回复率高, 吸水率低, 耐腐蚀性好, 耐热及隔热性强。Neopolen P系列粒子密度为20~85kg/m3, 不含氟利昂等有害发泡剂, 可用于接触食物, 干净的回收料可再次回收利用。
Sentinel公司正在与Dow化学公司合作生产Strandfoam的PP发泡板, 采用共挤出方法, 先挤出多层发泡片材, 然后迅速冷却使其坚硬而且高度取向, 制得密度0.1~0.5g/cm3以及厚度1~3.5mm的聚丙烯片材。这些片材可以用于食品或肉品包装, 还可以用于制作薄壳制品、各种器皿 (盘、碟、碗、盒等) , 以及汽车中的消音和绝缘材料等用的内插件。此外, 用共挤出方法将发泡层和密实的覆盖层相结合, 可以得到十分良好的表观质量和更好的柔韧性;光洁的表面也改善了表面的光学性能和印刷性。这种板可以用作冲浪板。该公司正在开发其在绝缘和汽车上的应用。
Packaging Trays公司已经在旋转热成型机上热成型发泡PP片材。PP泡沫除了价格上低廉, 其还可在微波炉中安全使用。该公司采用化学交联剂生产的发泡PP片材密度为0.5g/cm3在工业中的应用主要是在汽车工业上, 如地毯背衬材料、遮光板、门衬和行李架等。
目前国内在硬脂酸钡对聚丙烯发泡过程的影响及其机理等方面曾有过一定的研究, 但总体上, 在聚丙烯发泡技术方面的研究与实际应用中需要的水平仍相差很远。聚丙烯良好的耐应力开裂性能, 使PP从挤出到热成型加工成本低于PS, 因此PP发泡制品备受人们的青睐。聚丙烯发泡材料, 尤其是发泡片材在我国有着广泛的应用前景。
3.2 聚异氰脲酸脂泡沫保温材料
聚异氰脲酸脂泡沫塑料 (PIR) , 由异氢酸醋为主要原料, 加入催化剂等其它辅料通过自聚反应发泡而成的高分子化合物, 如图1所示, 该分子结构中含有异氰脲酸脂环, 形成封闭的多孔结构。PIR节能保温板, 不仅不含氟利昂、甲醛、游离苯等有害物质, 还具有防火和高保温功能, 保温效果比聚氨酯泡沫提高了30%左右, 更是聚苯板、酚醛板、玻璃棉的两倍, 导热系数低达0.018W/ (m·K) (25℃) , 是新一代环保型保温材料。
PIR节能保温板拥有十分优异的防火性能, 机理是通过添加复配反应型的阻燃剂或采取异氰酸酯过量三聚反应原理, 在聚异氰脲酸酯环状分子结构中引入了大量的聚氨酯分子链段, 使得阻燃剂渗透到分子结构凝聚相中, 从分子架构层次上提高泡沫的阻燃性能, 遇火时阻燃剂可阻止CO氧化为CO2, 对凝聚相形成一层薄的玻璃状液态保护膜, 隔绝或降低了氧气扩散和气相与固相之间的热量传递, 从而抑制了炭的氧化, 阻碍火焰向泡沫内部燃烧, 且发烟量低, 刺激小, 无融滴现象, 本体几乎无明火。PIR泡沫兼具更超越了聚异氰脲酸酯和聚氨酯两种材料的全部优异性能。经DOW实验室、中国科学院理化技术研究所低温实验室测试PIR节能保温板的允许工作温度范围为-265℃~+205℃, 物理性能稳定, 无变形、融塌、鼓泡现象发生。
3.3 纳米气凝胶保温绝热材料
一般所说的纳米气凝胶为二氧化硅 (Si O2) 气凝胶, 由Si O2网络骨架和填充在纳米孔隙中的气体构成的一种高分散固体材料。由于Si O2气凝胶的密度仅为30~100kg/m3, 并具有80%以上的孔隙率, 因此, 常温下Si O2气凝胶的热导率仅为0.102W/ (m·K) , 最高可耐1600℃的高温。是一种典型的轻质、高效隔热材料, 在航空航天、能源、化工等众多领域中得到广范应用, 也是一种最理想的新型节能和环保材料。
美国“旋翼飞行器的轻质隔热材料研究 (LTIR) ”以及“气凝胶与航天器生存能力 (ARIAS) ”研究计划在AATD和JTCG基金资助下开展了研究, 制备了温度在350℃~1000℃性能优良的多孔纳米气凝胶。与传统绝热材料相比, 质量更轻、厚度更薄、体积更小的纳米孔超级绝热材料可以达到与之等效甚至更好的隔热效果。
美国国家宇航局 (NASA) Ames研究中心开发了陶瓷纤维-气凝胶复合防热瓦, 复合后的航天飞机绝热瓦与原隔热瓦相比, 导热系数大幅度下降, 强度大大提升, 对航天器的隔热性能比现有防热瓦提高10~100倍。NASA艾姆斯研究中心的研究表明, 这种新型气凝胶防热瓦可用于未来重复使用航天器和燃料箱隔热层中。它能有效地透过太阳光, 并阻止环境温度的红外辐射, 是一种理想的绝热透明太阳能采暖材料。在美国发射的火星探测器上, 气凝胶被用作保温材料, 对火星表面机器人的电子仪器设备起到保温作用。
广州英德埃力生公司生产了一种以二氧化硅气凝胶为主原料复合的气凝胶毡, 环保、柔韧、可抑制辐射、可灵活施工的气凝胶毡, 其导热系数极低, 可应用于-200℃到1000℃温度范围的保温隔热, 是世界上最为先进的新型节能保温材料之一。
4 结束语
另外, 随着科学技术的飞速发展, 人类社会的不断进步, 人们自我保护意识的不断增强, 开发科技含量高、性能高且稳定、环境友好型保温绝热材料必定是国内外发展的重点及热点。
摘要：文章在综合迄今为止绝热保温材料的研究、生产和应用方面研究的基础上, 重点介绍了聚丙烯泡沫、聚异氰脲酸脂泡沫、纳米气凝胶等几种新型环保型绝热保温材料, 并对其研究进展和应用进行了总结。
关键词：绝热保温材料,环保,聚丙烯泡沫,聚异氰脲酸脂泡沫,纳米气凝胶
参考文献
[1]王强, 杨林, 刘敏.聚氨酯制品的应用现状及发展趋势[J].辽宁化工, 2003, 32 (7) :289-290.
LNG船液货舱绝热材料概述 篇5
1 液货舱绝热材料的性能要求
用于LNG船液货舱的绝热材料应满足以下几个方面的要求[1]。
1.1 较小的导热系数
导热系数的大小是衡量绝热材料绝热性能的最主要指标, 选择绝热材料的首要因素就是较小的导热系数。被隔绝的介质温度越低, 就要求绝热材料的导热系数越小。一般在低温环境下绝热材料的导热系数随温度降低而减小。
1.2 良好的抗吸水吸湿性
干燥的绝热材料具有良好的绝热性能, 绝热材料的导热系数会随着材料湿度的增加而显著上升, 从而影响绝热效果。这是因为在干燥状态下绝热材料的孔隙中充满了空气, 吸水吸湿后, 孔隙中的空气被水替换, 而水的导热系数大约为空气的25倍, 这就使材料的绝热效果大大降低。一般情况下, 绝热材料的体积吸水率每增加1%, 其导热系数就增加10%。因此良好的绝热材料必须要具有较低的吸水率和吸湿率。
1.3 良好的抗水蒸气渗透性
除了良好的抗吸水吸湿性, 绝热材料还要具有良好的抗水蒸气渗透性。因为根据菲克定律, 水蒸气分压是水蒸气扩散的推动力, 在液货舱表面水蒸气分压较低, 外界环境水蒸气分压较高, 二者之间的压力差使水蒸气向绝热材料内部扩散, 从而使绝热材料的导热系数增加, 绝热效果降低。
1.4 较小的低温热膨胀系数
绝热材料与液货舱钢结构一般为刚性结合, 由于绝热材料与液货舱材料的热膨胀系数不同, 当液货舱温度变化时, 绝热层会因绝热材料与液货舱低温钢材膨胀量的差异而破裂, 这是导致绝热层受到破坏的主要原因。目前与低温钢收缩差为零的绝热材料还不存在, 因此在选择绝热材料时应该尽量选择热膨胀系数与液货舱低温钢材接近的材料。
1.5 良好的阻燃性
常用的低温绝热材料大多是有机泡沫塑料, 较易燃烧, 存在一定的火灾隐患。因此工程上使用的有机绝热材料必须经过阻燃处理, 以符合各种规范要求的阻燃指标。
除以上要求以外, 选择的绝热材料还应满足化学性能稳定, 机械强度高, 价格便宜及施工方便等要求。
2 液货舱绝热材料的性能及选择
LNG船液货舱常使用的绝热材料主要有聚氨酯泡沫、膨胀珍珠岩、泡沫玻璃、聚苯乙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫、酚醛泡沫等[2]。
2.1 常用绝热材料及其性能
2.1.1 聚氨酯泡沫
聚氨酯泡沫是由有机异氰酸酯与多元醇化合物, 加入其它助剂, 相互发生反应而形成的高分子聚合物。聚氨酯泡沫是一种性能优良的绝热材料, 具有导热系数小, 密度小, 低温性能良好, 施工方便等优点, 在低温绝热方面应用广泛, 是LNG船最主要的绝热材料之一。但由于聚氨酯泡沫是有机材料, 所以有一定的燃烧性, 用于有O2冷凝或发生泄漏的地方时会有一定的危险性。该材料在极低温工况下强度低、尺寸稳定性差, 但可以通过一些改进方法来满足要求。
聚氨酯泡沫材料分为软质、半硬质和硬质聚氨酯泡沫等几种, 用于绝热材料的主要是硬质聚氨酯泡沫。
2.1.2 膨胀珍珠岩
膨胀珍珠岩是一种主要成分为Si O2和Al2O3的酸性玻璃质颗粒, 可通过将火山喷射出口的熔岩粉碎后在炉中焙烧加压膨胀制成。膨胀珍珠岩具有导热系数小, 密度较小, 化学稳定性好, 使用温度范围宽, 无毒, 不腐蚀, 不燃烧等优点, 且原材料来源广泛, 加工技术简单, 成本低廉, 是一种很有应用价值的轻质、高效绝热材料, 但其最大缺点是吸水率高, 使用过程中有沉积压实现象, 长期使用后性能会有所下降。
2.1.3 泡沫玻璃
泡沫玻璃是以废玻璃及各种富含玻璃相的物质为主要原料, 经过粉碎磨细, 添加发泡剂、改性剂等材料, 均匀混合形成配合料, 再将其放置在特定模具, 经过焙烧发泡、退火冷却而制成的内部充满均匀气孔的多孔玻璃材料, 其主要成分为铝、硅等无机化合物。由于泡沫玻璃内部绝大多数气孔都是孤立的, 所以泡沫玻璃材料的吸水率几乎为零。作为绝热材料, 泡沫玻璃具有使用温度范围广, 耐火性能好, 不易老化, 强度高以及尺寸稳定等优点。但相比其它绝热材料, 泡沫玻璃导热系数较大, 在高温下易断裂, 且价格昂贵, 所以一般只用在低温或需要严格防火的地方。
2.1.4 聚苯乙烯泡沫
聚苯乙烯泡沫塑料是由可发性聚苯乙烯树脂 (EPS) 珠粒加工制造而成的一种优质的绝热材料, 具有质轻, 导热系数小, 抗压强度高, 耐老化, 耐低温, 易成型, 易于施工, 价格便宜等优点。但是该材料使用范围小, 尤其是耐热性差, 瞬时温度骤然上升的地方严禁使用本材料。
2.1.5 聚氯乙烯泡沫
聚氯乙烯泡沫是以PVC树脂为主体, 添加适量的高分子改性剂、热稳定剂、发泡剂和增塑剂等, 经过低速或高速混合机混匀, 经预塑造粒或压片, 再采用模压发泡、挤出发泡或注射发泡而制成的一种泡沫塑料。该材料具有导热系数小, 抗压强度高, 化学性质稳定, 耐腐蚀性强等优点, 但其价格较高, 且有一定的毒性, 所以使用范围较小。
2.1.6 酚醛泡沫
酚醛泡沫是以酚醛树脂为主要原料, 加入阻燃剂、发泡剂、固化剂及其它助剂, 在树脂交联固化的同时, 发泡剂产生气体分散其中而发泡形成的闭孔硬质泡沫塑料, 是一种新型难燃、防火保温材料。其具有均匀的闭孔结构, 所以导热系数和吸水率较低。且具有适用温度范围大, 阻燃性高, 抗腐蚀性、抗老化性优良等优点。但其机械强度较差。
2.2 液货舱绝热材料的选择
表1所示为LNG船液货舱常采用的几种绝热材料的性能参数。从表中可以看出, 各种绝热材料各有优点:硬质聚氨酯泡沫材料的导热系数最小, 绝热效果最好;泡沫玻璃吸水率最低, 抗吸水吸湿性最好;酚醛泡沫材料耐燃性最好。
为提高液货舱的绝热效果, 有效降低LNG的蒸发率, 各种不同类型的液货舱都根据实际情况选择不同的绝热材料[3]。表2为各种类型的LNG船液货舱最常采用的绝热材料。S
摘要：简要叙述了LNG船液货舱对绝热材料的性能要求, 并介绍了几种主要的绝热材料的性能特点及不同类型液货舱对绝热材料的选用结果。
关键词：LNG船,液货舱,绝热材料
参考文献
[1]贾琦月, 刘志伟.LNG项目的隔热结构设计[J].化工设备与管道, 2009, 46 (3) :67-69.
[2]顾安忠, 主编.液化天然气技术手册[M].北京:机械工业出版社, 2010.
纳米绝热材料 篇6
1 节能建筑对绝热材料的要求
1.1 对绝热材料本身性能的要求
节能建筑对绝热材料的要求, 除了材料本身保温隔热性能外, 还应当具有相关的应用性能。我们往往比较注重材料保温隔热性能, 而对其相关的材料应用性能却较少重视和缺乏研究。例如我国岩棉、矿棉制品, 虽然在标准中规定有吸湿率和憎水性指标, 但是在实际使用中却较少注重它的要求, 更何况仅靠这两项指标也远远不能满足建筑功能要求。我国大多数矿棉制品用在建筑上并没有像国外那样, 在外表有严格的防潮、防水被覆层, 即使有被覆材料, 也无明确要求, 致使这类材料使用1~2年或2~3年就吸潮下沉, 失去保温性能, 不但在墙体部位出现这种现象, 就连空调、热力管道也屡见不鲜。美国和日本对建筑用的岩矿棉板贴面层均有严格的要求, 在欧美、日本绝大多数住宅用岩矿棉或玻璃棉制品都是带被覆层的, 并且有四周全封闭被覆层、单面或双面被覆层之分类, 用于建筑上的玻璃棉不带被覆层极少数。被覆层还区分具有硬壳面的贴铝箔、金属蒸镀塑料薄膜等, 有以防湿为主的聚乙稀薄膜、沥青防水纸等, 要求透湿性50 g/m2·24 h~75 g/m2·24 h, 还有以防护及保证施工质量为主的1号及2号牛皮纸、微孔聚乙稀薄膜、纱布等, 甚至对被覆盖层的胶粘剂的用量都作出规定。除此外, 对其他使用性能如防腐蚀性、防霉性等等也有要求, 甚至在包装袋上还标明该产品热阻值R大小, 注明达到这个R热阻值的绝热材料, 用于建筑上可以覆盖最大的建筑面积, 使用户用得最经济合理。总之一切为应用着想, 提供质量良好, 功能保证, 安装使用方便, 长期热工性能不降低的绝热材料。我们要做到这些, 首先在思想上要认识到这些应用性能不解决, 绝热材料的热工性能就达不到要求, 绝热材料的耐久性就得不到保证, 必须在生产工艺和应用技术上要进行较大的革新,
1.2 在施工安装中的结构性能要求
绝热材料在建筑上的应用还必须考虑应用技术和施工安装对制品的结构强度要求。除要求材料具有应有的保温隔热性能外, 很重要的就是要防裂、抗渗、防水、抗老化、抗收缩变形等性能要求, 甚至于还要有一定的装饰效果, 这就要求绝热材料有一定的结构强度, 不但与墙体结合牢固, 粘结力强, 而且有较好的抗拉强度, 能抵抗材料之间的变形应力, 与绝热材料配套使用的饰面材料还要有抗大气的各种侵蚀性能和抗撞击性能, 因此对绝热材料与墙体的联结方式和耐久性要求绝不可忽视。目前有的外保温材料在应用中出现的表层开裂、砂浆脱落、网格布与聚苯板脱胶、聚苯板与墙体脱落, 甚至于大面积保温板掉落等现象, 无一不是与安装施工对材料结构性能要求不严或应用技术不过硬有关。
因此节能建筑对绝热材料的要求, 不仅仅是保温隔热性能, 还应当具有相关的建筑应用性能、结构强度和耐久性能, 拿这些性能要求我国目前绝热材料产品, 显然尚存在诸多问题。
2 进一步提高绝热材料的质量和功能
目前我国节能建筑中的绝热材料产品, 绝大多数属低档次产品, 虽然这几年国外企业在我国建设几条档次稍高的产品生产线, 但从总体上看, 当前我国建筑保温材料产品档次还是较低的。例如大量使用的膨胀珍珠岩保温砂浆几乎用不到1~2年就产生不同程度的裂缝, 造成砂浆脱落, 往往由于保温材料和配套材料的产品良莠不齐, 加上施工安装不规范, 给工程质量和节能效果带来很多麻烦, 有的产品明显不合格, 不符合标准要求, 有的保温材料即使达到标准范围, 由于我国标准偏低, 加上制品的厚度尺寸误差大, 也难以满足节能建筑要求, 我国保温材料产品质量和性能普遍比国外低得多。
就拿我国节能建筑中使用较普遍的聚苯乙烯泡沫塑料板来说, 影响其质量和性能的两项重要指标, 即体积密度和防火安全性能更令人担忧。体积密度直接关系到产品导热系数, 体积密度降低, 则导热系数就会增大, 我国现有标准规定体积密度已经比国外低, 金属面聚苯乙烯夹芯板密度为18 kg/m3, 钢丝网架水泥聚苯乙烯夹芯板密度为15 kg/m3, 膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统用聚苯板密度为18 kg/m3~22 kg/m3, 然而在建筑应用中却常常出现10 kg/m3~12 kg/m3的低密度聚苯板, 有的甚至于还以技术创新名义, 生产出体积密度5 kg/m3~6 kg/m3的伪劣聚苯板, 这些低密度聚苯板不但达不到保温隔热的节能效果, 而且强度极低, 严重损坏工程质量。
我国EPS标准《绝热模塑聚苯乙烯泡沫塑料》 (GB/T 10801.2-200.2) 规定, 燃烧性能的氧指数不小于30%, 主要靠阻燃剂来保证, 然而常常出现有的EPS不加阻燃剂, 或者加入质量低劣的阻燃剂, 根本达不到阻燃效果和防火安全的要求, 致使EPS在应用中频频发生火灾, 这在人们心目中对EPS应用已产生心理障碍。更值得注意的是, 我国阻燃剂多数使用卤族有机物, 一旦失火时冒浓烈黑烟, 容易造成人员窒息死亡。
在国外建筑用的保温隔热聚苯板体积密度要求最低不小于22 kg/m3, 大多数体积密度在25 kg/m3以上, 阻燃剂大多数采用磷系或氮系阻燃剂, 可在1 s~2 s内自熄, 燃烧气体无毒、无嗅, 无刺激性。因此我国建筑上应用的EPS, 无论从结构强度或防火安全性能, 与国外相比还有不小差距, 尚不能很好满足建筑应用要求。为此, 我们要下决心提高EPS产品质量和档次, 适当提高EPS在建筑应用的体积密度, 积极开发新型阻燃剂, 提高EPS阻燃性能和防火安全等级。
我国保温材料生产厂大多数规模小、生产技术落后, 造成产品质量和功能低下, 要积极开展技术创新, 采用新工艺新技术, 进行生产工艺系统改造, 才能大幅度提升绝热材料的品质。例如对建筑用岩矿棉类保温材料, 要降低体积密度, 进一步减小纤维棉的直径, 减少渣球含量, 或者改变产品结构形式, 采取全封闭表面, 粘贴加筋覆盖层等, 都要从生产工艺上进行较大的技术改造, 才能达到要求, 有的厂可能要进行装备技术系统全面的改造, 或者引进国外的先进技术装备, 才能较快地提高我国绝热材料的生产技术水平。除此之外, 还要开展憎水性和各种轻质多功能复合绝热材料的开发研究, 对聚苯板, 除适当提高表观密度外, 对其抗折强度和吸水率指标也应适当提高, 对其他绝热材料也应如此。这里还需要提醒的是, 生产厂在进行工艺技术改造、开发新产品时, 万万不可追求低价位、低档次的产品, 采用低水平的装备技术, 不能为了迎合低价位的市场需求, 抢占眼前市场份额, 搞低水平的重复建设, 大打价格战。一定要以提高企业核心竞争能力, 提高技术水平为理念, 开发新产品, 采用新技术, 要始终把提高产品质量和档次放在第一位, 才能真正提升企业竞争能力。
3 尽快提高绝热材料标准水平
国外在建筑上和工业上绝热材料的标准是分别制定的, 围绕各自应用性能要求制定产品标准才是最科学合理和最经济的。我国目前绝热材料标准, 大多数是按照工业上 (窑炉或管道) 应用要求简单移植到建筑上的, 并没有按照节能建筑的应用要求, 作系统对比试验, 确定性能指标, 因此有的指标规定不尽合理, 依据不足, 有的指标明显缺失, 甚至于还有不少误区。例如:国外聚苯乙烯泡沫塑料标准规定, 当导热系数要求0.04 W/m·K时, 其体积密度≮25 kg/m3, 同时要求抗折强度≮29.4 N/m2 (0.29 MPa) ;当导热系数要求0.042 W/m·K时, 其体积密度≮20 kg/m3, 同时要求抗折强度≮24.5 N/m2 (0.245 MPa) , 最高抗折强度要求不小于0.34 MPa。我国《绝热模塑聚苯乙烯泡沫塑料》 (GB/T10801.2-2002) 标准规定聚苯板的表观密度为15.20 kg/m3的导热系数0.04 W/m·K, 而且只规定了板材压缩强度, 无抗折和抗拉强度要求, 《膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统》 (JG149-2003) 标准只规定垂直于聚苯板面的抗拉强度为0.1 MPa, 这些重要指标缺失或降低, 往往造成板材在安装使用中结构强度不足, 导致聚苯板断裂或粘结瓷砖的聚合物砂浆撕裂、剥落等现象。在防火安全方面, 美国标准规定氧指数>35%, 企业实际检验都在36%~38%以上, 英国标准规定≮33%, 奥地利标准规定≮35%, 这些国家规定的氧指数都比我国高。由此可见, 我国绝热材料标准确有进一步提高的必要。
为此应当尽快修订我国建筑应用的EPS标准, 要适当提高体积密度和氧指数指标, 增加抗折和抗拉强度等技术指标要求, 并加强EPS质量监督和检查, 杜绝低劣产品进入建筑市场。
又如矿岩棉、玻璃棉等绝热材料, 我国标准规定玻璃棉表观密度40.70 kg/m3的导热系数分别为0.041 W/m·K和0.049 W/m·K, 国外标准规定表观密度50 kg/m3的导热系数为0.034, 有的可达到0.030 W/m·K, 比我国标准水平高得多。我们知道岩棉和玻璃棉在高温和低温区使用性能是有区别的, 在工业上高中温条件下使用, 导热系数是随密度增大而减小, 它的最佳密度范围是偏大的, 美国和日本通过试验确定在工业上350℃~600℃温度下使用的最小导热系数值, 所对应的最佳密度范围分别控制在≤150 kg/m3和40 kg/m3~70 kg/m3, 而在建筑上低温条件下使用, 却并非如此, 我在美国考察时, 有关方面介绍在住宅中使用岩棉的最佳密度为60 kg/m3~80 kg/m3。我国有关标准规定用于建筑上的岩矿棉密度为100 kg/m3, 并未见到系统对比试验的依据, 在建筑上应用的绝热材料最佳密度范围到底多大才合适?需要通过试验研究才能确定标准数值, 因为只有低密度产品达到高保温性能才是最经济合理的。
提高标准水平, 还有利于淘汰落后工艺技术, 杜绝低劣产品进入市场, 从而规范市场竞争秩序。总之要围绕进一步提高保温材料的热阻值、降低制品表观密度, 提高技术性能和应用要求;通过提高标准水平来提高产品入市条件, 从而提高绝热材料行业整体水平。
4 积极开展应用技术研究, 提高应用技术水平
我国绝热材料应用技术比较粗放, 往往为了节省投资或降低成本把很多应用技术简化, 使应用效果不佳。例如:采用粘结聚苯板的外保温技术, 往往用点粘结或少数锚固件连接, 加上聚苯板本身结构强度低, 致使聚苯板与墙体固接不牢, 造成聚苯板断裂或风吹脱落现象, 在作装饰面层时, 有的用普通玻纤网格布代替抗碱玻纤布或钢丝网片, 有的只铺贴一层细网布, 经过1~2个冬季后, 发现表层开裂、砂浆剥落或瓷砖脱落, 或者网格布与聚苯板脱胶等问题。
又如钢丝网架聚苯夹芯保温墙体, 我国大都采用人工抹面, 难以保证工程质量, 容易造成钢丝网架表面砂浆开裂或空鼓现象, 在国外是采用机械化涂抹水泥砂浆施工, 一面挤出, 一面涂抹, 并将聚苯板表面刻成阶梯形沟槽, 以防止水泥砂浆掉落, 水泥砂浆中还掺加胶体, 确保砂浆与聚苯板之间粘结性能良好, 以防止砂浆开裂、空鼓或脱落现象, 这些都说明我国绝热材料应用技术与国外相比亟待完善和提高。
我国目前绝热材料在建筑上应用, 有外保温、内保温和夹芯复合保温三种形式, 每种应用形式不同, 对绝热材料使用性能的要求和应用技术也不同, 不同地区对绝热材料的应用要求也不尽相同, 因此必须针对不同材料和应用方式开发出相应的施工应用技术。对于外保温, 尤其要注重防裂、抗渗、防水和抗收缩变形等性能要求, 甚至于还要有装饰效果, 至于夹芯保温或复合保温墙体, 易于做到绝热材料和建筑物同寿命, 在国外最为普遍, 从长远看, 它必然也是我国今后节能建筑发展的方向, 对它的应用技术更不可忽视。然而这种应用方式又与墙体基材品种和复合墙体结构形式、空气隔离层的设置等有关。因此保温材料在建筑上推广应用一定要结合我国不同地区不同建筑形式, 开发研究相应的应用技术, 包括开发与应用技术相配套的胶结材料和配套件, 如卡销件、锚固件、拉结件或饰面材料等, 实在是非常必要, 这就要求我们在发展理念上必须注重这方面的研究和解决措施。
另外还要组织企业和有关单位制定绝热材料施工的工法, 仅有原则性的施工规程还不够, 必须对各种材料、产品的质量要求和施工方式都要有严格的操作方法, 施工人员必须按施工方法培训上岗, 这样才能保证工程质量和施工效果。
纳米绝热材料 篇7
关键词：直埋蒸汽管道,隔热环,绝热材料,分析
0 引言
据记载显示, 直埋蒸汽保温管道在我国已经应用了二十多年, 随着我国经济的高速发展, 各种基础建设也越来越多, 直埋蒸汽管道的投资范围也越来越广泛。与此同时, 随着直埋蒸汽管道的技术的不断发展和完善, 对绝热材料的技术要求也越来越高。本文分析了有关直埋蒸汽管道隔热环绝热材料的选用, 首先介绍了隔热环的设置、作用和技术要求, 其中具体介绍了隔热环的五个方面的技术要求;其次对隔热环绝热材料的选用进行了分析比较, 并分别介绍了耐高温隔热钢、石棉橡胶、纳米绝热材料和普通石棉板这四种绝热材料的性能和优缺点。
1 有关隔热环的相关特点
1.1 设置和作用
直埋蒸汽管道有一个非常重要的组件, 即隔热环, 其性能与蒸汽管的使用寿命有着重要的关联。隔热环有几种不同的类型, 主要包括垫片型和半环型, 前者是在应用于固定支架上, 后者则是滑动支架。之所以在滑动支架和固定支架中安装一个重要的隔热环, 是因为想要避免钢管的使用寿命受到影响, 如果不装隔热环, 就会形成热通道, 使得外套钢管因温度过高而过度膨胀, 并且还会使防腐层受到影响。
关于隔热环的作用, 主要包括支撑和隔热两个方面。在滑动支架和钢管之间安装一个半环型的隔热环, 能够有效的进行隔热, 同时该隔热环有较强的抗压强度, 能够在多重的重压下仍旧不会变形。这样一来, 便可以使得钢管正常的工作而不会产生钢管移位等问题。而垫片型的隔热环则拥有更强的抗压强度, 以便承受较大的反弹力和内推力, 反弹力是因为钢管工作中由于补偿器受到热膨胀而产生的, 而内推力则是由于管道内压而形成的。
1.2 技术要求
隔热环是直埋蒸汽管道的重要组成部分, 而隔热环本身也有两个重要的指标, 就是其热导率和抗压强度。一方面隔热环的热导率影响着管道的外防腐层的使用寿命, 同时也与管道的保温效果有着重要联系;另一方面, 在管道运行时对隔热环的抗压强度也有较高要求, 影响着蒸汽管道的正常工作。此外, 隔热环还应该具备一定的防水性, 这样可以避免在保温层进水后对隔热环的工作性能产生影响, 而且当隔热环在吸水后其氯离子的渗出应该在一定标准以内, 这样可以避免蒸汽管道被腐蚀。在通过分析和论证之后可以发现, 关于抗压强度的技术要求, 半环型隔热环是大于或等于2Mpa即可, 而垫片型隔热环则是大于或等于5Mpa。关于热导率的要求是越低就越好。由于管道在运行过程中的介质温度有时可能会达到350℃, 所以隔热环也必须具有350℃以上的长期耐温能力。
具体来说, 隔热环的技术要求包括以下几个方面:
(1) 抗水性。所谓抗水性就是需要隔热环能够有憎水的性能, 或者是材料不会汲水, 对于那些容易进水而且又容易沥水的材料, 现在很难满足直埋蒸汽管道的需求。因为材料一旦进水后, 其导热率会大大增加, 从而使得界面温度发生巨变, 导致原本设计好的保温结构遭到破坏, 无法正常的工作。
(2) 绝热性。所谓绝热性是指对隔热环的的导热性能有所要求, 要求材料的导热系数越小越好, 当其导热系数太高时, 就会需要增加材料的外层的厚度, 这样不但会影响防腐层的功能还会加大成本的支出。
(3) 工艺性能。对于隔热环中的绝热材料来说, 生产工艺比较复杂, 质量无法得到保证, 同时在运输途中或者是安装的时候, 容易出现碰撞, 在外部受损后如果没有得到修复就会形成潜在的隐患。因此, 对绝热材料的工艺性能也有一定要求。
(4) 材料的使用寿命。对于绝热材料一般要求其能够耐高温, 尽管一些材料能够耐高温, 但是其持久性却有所欠缺。往往这些绝热材料能够在短时间内耐受高温, 但时间一长其性能就大大降低, 一些材料会出现破裂或是粉化的现象, 一些材料会因为粘接剂失去功效而导致保温结构遭到破坏的现象。这些都表明材料的耐温持久性较差, 材料的使用寿命不能达到要求。
(5) 抗事故性能。一般由于一项工程的完成需要较长的时间, 在此期间管道的保护层可能会遭到损坏, 同时会有安装时遭遇雷雨天气、地下水出现渗透、内管出现漏气等各种事故, 这时就要求绝热材料能够具有相应的抗事故能力, 那么就不会在发现事故时出现工程全线崩溃的现象。
2 隔热环绝热材料选用的分析比较
对于绝热材料的选用, 应该根据具体的材料性能和隔热环的技术要求来选择, 现在绝热材料有很多不同的种类。所谓绝热材料是指在常温下热导率小于0.3W/ (m·K) 的材料, 所以那些大于或等于该标准的材料就不能选用。在比较各种材料的绝热性的时候, 应该在抗压强度和温度相同的情况下进行比较, 否则, 就没有任何意义。尽管现在的绝热材料种类很多, 但是目前主要采用的几种分别是:耐高温隔热钢、石棉橡胶、纳米绝热材料和普通石棉板。
2.1 普通石棉板
对于普通石棉板, 这种绝热材料属于板材, 所以包裹在管道上面的时候很难成型, 而且很难与管道贴合在一起, 此外还比较容易折断。所以这种绝热材料的绝热效果较差, 还会影响滑动支架的牢固性, 缺乏较强的支撑能力。这种绝热材料在前些年的应用较广, 后来由于其较差的绝热性, 使得外钢管在工作中容易温度过高, 支架松动的现象时有发生, 后来其应用逐渐减少。不过, 其价格较为便宜, 所以仍旧有一些地方采用这种绝热材料, 比如一些较小的生产直埋蒸汽管道的企业。
2.2 石棉橡胶
石棉橡胶不同于普通石棉板, 它普遍应用于当前的直埋蒸汽管道行业领域中, 它是利用石棉板和橡胶相结合, 橡胶是能够耐高温的, 而石棉板则是能耐高强度的。在橡胶中添加云母, 可以提高橡胶的耐热性和相应的绝热性能。目前很多大城市的工程项目采用的绝热材料都是石棉橡胶。当然, 这种材料也具有其相应的优点和缺点。关于石棉橡胶的优点, 主要包括成型好, 有较强的耐压强度, 制作较为简单等;而关于石棉橡胶的缺点, 包括石棉不太环保, 含有致癌的物质。此外, 由于石棉导热率较大, 所以在制作隔热环的时候必须增加其厚度, 这样便会使得成本付出有所增加。由于橡胶和石棉板是分别比较耐高温和高强度的, 因此它们的价格也比较昂贵。这样一来隔热环的整体造价就比较高。直埋蒸汽管道的使用年限要求是二十五到三十年, 但是由于橡胶具有耐高温却容易老化的缺陷, 目前还不能确定是否能够达到该使用标准。
2.3 耐高温隔热钢
耐高温隔热钢是一种升级换代产品, 它是针对石棉橡胶而研发的。原材料主要是镁化合物, 是几种材料相互粘合而制成的一种层状结构的材料, 由内而外分别是硅酸铝毯、复合隔热钢、玻璃纤维带。其中中间层是由多种材料复合并采用模具浇注而成。这种材料的绝热效果比较好, 目前在很多城市的工程中得到了应用。对于耐高温隔热钢的优缺点主要有以下几点, 优点包括能抗老化从而使用寿命较长, 有较好的隔热效果和抗压效果, 还比较环保;缺点在于复合隔热钢的生产较为复杂, 由模具浇注制成, 需要花费较长的时间才能完成, 而且还需要进行养护以保证其物理性能能够达标。
2.4 纳米绝热材料
纳米绝热材料是一种绝热性较好的材料, 其自身的纳米填料热导率较小, 另外导热的纳米颗粒面积比较小, 所以总体的绝缘效果非常好。纳米孔硅微粉是一种多孔结构, 这种结构超微细而且细密, 使得气体不易流动, 也就能够具有较低的热导率。
根据传热学的知识可以知道, 介质的尺度小到微纳米级的时候, 导热体就会转换成绝热体, 由于在孔隙之中, 气体是静止的状态, 不能进行布朗运动, 也无法进行导热。几乎所有的气体分子都附在孔壁上, 即使会有个别分子进行运动也会因与孔壁发生碰撞使得热能量减少, 同时孔壁为绝热材料, 导热性非常低。纳米孔硅微粉的孔隙较小, 能够对气体分子的运动起到阻碍作用。
尽管纳米绝热材料是最新研制的绝热材料, 具有隔热效果好的优势, 然而在目前的直埋蒸汽管道生产中还没有应用这种材料, 主要是这种材料的价格相当的高昂, 刚开始时没有厂家选择这种隔热环绝热材料进行生产。对于这种材料的优缺点主要包括以下几方面, 优点包括有良好的绝热效果, 能够耐高温;缺点在于生产工艺较复杂, 生产周期长, 需要花费时间进行养护, 同时, 高强度的纳米绝热材料的价格也是非常之贵。
3 绝热试验
对于以上四种绝热材料, 采取绝热实验, 试样的长度为80cm, 宽度为40cm, 高度为40cm, 把这几种材料放在温度为21-25℃, 相对湿度为45%-55%的条件下, 持续大约二十四个小时。然后把这四种绝热材料放在平板加热器上面, 设定加热温度为350℃, 直到温度达到350℃之后再继续加热三个小时, 最后测量四个样品材料的冷面温度。根据实验测得数据如下:普通石棉板的冷面温度是140℃, 石棉橡胶的冷面温度是110℃、耐高温隔热钢的冷面温度是100℃, 纳米绝热材料的冷面温度是70℃。可以看出, 纳米材料的绝热性是这几种绝热材料中最好的。
4 结语
在以上几种绝热材料中, 纳米绝热材料的性能无疑是最好的, 无论是耐温性能、抗压强性能还是综合的使用寿命, 它都是制作隔热环最好的选择, 然而高昂的造价却是不得不考虑的问题。随着我国绝热材料的技术的不断发展和完善, 在市场中已经形成了生产规模化、性能越来越好、成本越来越低的状况, 无论是性能相对较落后的石棉橡胶、还是发展前景更好的纳米绝热材料, 企业在选择时都应该根据市场的实际情况, 选择性价比更好的绝热材料来使用。总之, 绝热材料是制作隔热环的总要材料, 而隔热环是直埋蒸汽管道非常重要的组件, 所以选择好的绝热材料是工程实施的重要环节。
参考文献
[1]施利毅.纳米材料[M].上海:华东理工大学, 2007:233.
[2]王淮, 杨立新.直埋蒸汽管道技术的探讨[J].煤气与热力, 2003, 23 (5) :290-292.
纳米绝热材料 篇8
传统家用冰箱大多采用硬质聚氨酯发泡技术来实现冰箱保温效果, 其导热系数约为0.03~0.037w/ (m·k) 。为了保温, 传统做法是增加箱体壁厚, 增加单位面积的热阻, 减少冰箱与外面空气的导热, 起到节能保温的效果。但增加冰箱箱体厚度必然降低空间的利用率, 同时不利于美观, 不符合潮流。
目前, 冰箱保温新技术主要有两个发展方向:
(1) 传统聚氨酯泡沫配方及生产工艺上的改变, 使泡沫孔径更小甚至达到纳米级来阻隔热量的传递;20世纪50年代以来, 硬质聚氨酯泡沫塑料采用多种物理发泡剂发泡, 使用最多的是氟氯烃 (CFC) 化合物。近十多年来, CFC物质对臭氧层的破坏得到了广泛的重视。1987年蒙特利尔协议旨在对停止使用CFC物质立法及进行监控, 1992年哥本哈根会议对立法提出了更严格的要求。我国自2010年以来, 冰箱广泛使用的硬泡生产技术主要有HCFC-141b法、环戊烷法及HFC-245fa法。HCFC-141b由于臭氧消耗潜值不为零 (ODP=11) 等因素, 决定了它只能作为CFC的过渡性替代物, 美国早已禁用;从这个角度来看, 聚氨酯材料并不环保, 复杂的发泡技术也使其造价高[1]。
(2) 近几年来新兴的真空隔热材料, 使材料自身热传导效率降低, 增加冰箱的保温性能。距有关实验[2], 真空隔热板导热系数仅为0.0047~0.0070W/m.K, 但由于真空隔热板不能承受外部机械压力和冲击力, 所以, 真空隔热板必须和聚氨酯材料构成复合绝热体作为电冰箱的绝热材料。由于技术的复杂性, 真空隔热板造价同样较高, 采用复合绝热体结构电冰箱制造成本有所增加。然而真空绝热板还存在稳定性问题[3], 一旦真空绝热板的真空度达不到应有的要求, 那么隔热果将大大减少, 用于冰箱的耗电可能会增加。
鉴于上述两种方法有其缺陷, 能否寻找一种更为环保, 造价相对低的保温材料制造冰箱箱体, 本研究尝试把超级隔热材料气凝胶应用其中。
2 Si O2气凝胶的介绍
随着纳米技术的飞速发展, Si O2气凝胶越来越引起人们的重视。它被认为是目前质量最轻、隔热性能最好的固态材料, 常温下热导率可低至0.013W/ (m·K) , 比表面积高达1000m2/g, 孔隙率高达99%, 密度可低至0.003g/cm3, 具有其他隔热材料不可比拟的优越性, 是一种具有广阔应用前景的新型材料。但Si O2气凝胶要取代传统隔热材料还存在问题。由于Si O2气凝胶本身具有的高孔隙率和多孔网络结构, 使其强度低、韧性差, 不能作为单独的块体材料用于实际保温隔热工程。解决这个问题的其中一种做法是引入增强增韧相制备Si O2气凝胶复合材料, 用以提高材料的力学性能。
3 Si O2气凝胶复合材料的实验室制备
气凝胶的合成过程一般要经过溶胶—凝胶聚合和超临界干燥两个过程。但采用超临界干燥方式对设备要求高, 存在不安全因素, 因此采取二步催化常压干燥法。考虑到此气凝胶复合材料是用于冰箱的, 在造价的一定时, 其性能不必追求用于航天的气凝胶板块的性能。
本实验主要以玻璃纤维和水洗棉作为气凝胶的增强增韧相, 制得完整大块的气凝胶板块。增强增韧相的性能见表1-1。
制备流程
(1) 溶胶的制备
酸水解:首先, 将正硅酸乙酯 (TEOS) 与无水乙醇 (Et OH) 先混合于烧杯, 使用磁力搅拌器搅拌20~30min后加入H2O继续搅拌20~30min后加入HCl搅拌20~30min静置24h, 使TEOS得到充分的水解。
碱缩聚:将静置24h后的液先搅拌约5~10min, 依次加入DMF、H2O、NH3·H2O, 每次均搅拌20~30min, 搅拌完毕静置约5~10min后分装好烧杯, 待凝胶。整个过程的配比TEOS∶Et OH∶H2O∶DMF∶HCl∶NH3·H2O=1∶7∶2∶0.25∶10-5∶3.57×10-3 (mol) 。
(2) 气凝胶于材料的复合
把已经干燥的玻璃纤维和水洗棉均匀铺在容器中 (添加量约为百分之3) , 从边缘慢慢倒入Si O2溶液。
(3) 陈化与老化
自然陈化约1天, 等待复合凝胶与烧杯壁分离。分离后加入H2O∶Et OH=1∶4 (体积比) 混合液老化12h, 再加入TEOS∶Et OH=1∶4 (体积比) 的混合液化24h。
(4) 溶液逐步置换
异丙醇置换→正己烷:异丙醇=1∶3 (体积比) 混合液置换→正己烷:异丙醇=1∶1 (体积比) 混合液置换→正己烷:异丙醇=3∶1 (体积比) 混合液置换→正己烷置换;每次浸泡时间8至12小时。
(5) 常压干燥
将凝胶中的液体倒掉, 稍微存留一点点液体, 用密封袋密封, 并将密封袋扎若干个小孔。60~80℃干燥12h以上。
4 性能测试
经过复合的气凝胶材料拥有较低的密度和导热系数, 导热系数约为0.02375w/ (m·k) , 其超疏水性防止冷凝水对其的影响。玻璃纤维复合气凝胶板块的抗压强度足以满足冰箱箱体的力学性能, 水洗棉复合气凝胶卷材可以很好地包围曲面, 可以为冰箱制冷管道和蒸发器保冷。
5 冰箱保温板材的比较
经过复合的气凝胶材料与传统冰箱保温材料相比, 在满足使用要求的情况下, 导热系数远低于传统冰箱的保温材料, 其节能效果也是显而易见的。但与先进发泡技术的聚氨酯保温板和VIP真空绝热板材相比, 还有一定的差距。
6 研究结论
通过在纯的气凝胶中分别添加玻璃纤维和水洗棉制成两种气凝胶复合材料, 其各种性能都满足冰箱的使用要求。若分别应用于冰箱的保冷板和冰箱制冷系统的管道保冷, 与传统冰箱保温板材相比, 其节能效果和冰箱空间利用率将会有一定的提高, 但由于实验条件有限, 无法测出实际节省的用电量。其保冷性能与现有的VIP真空保温板或者真空发泡的聚氨酯保温板相比, 还有一定的差距, 但气凝胶复合材料的发展潜力是巨大的, 随着技术的改进和成熟, 气凝胶材料将在冰箱保冷中开辟一条新的道路。
摘要：近年来, 冰箱能耗占据家庭能耗总量的10%以上, 对于家用冰箱, 箱体的保温起着重要作用。本实验试图将超级绝热材料气凝胶应用于冰箱箱体结构中, 进一步提高箱体保温, 达到节能目的。然而纯的二氧化硅气凝胶力学性质常常不足以满足实际要求, 本文主要论述关于通过在纯的气凝胶中分别添加玻璃纤维和水洗棉, 制成两种气凝胶复合材料, 分别应用于冰箱的保冷板和冰箱制冷系统管道保冷。
关键词：气凝胶复合材料,力学性质,导热系数
参考文献
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[2]徐烈, 等.绝热技术[M].北京:国防工业出版社, 1990, 45-46, 227-280, 289-298.
[3]刘益才, 曹立宏, 杨智辉, 刘振利, 黄谦.目前冰箱节能技术分析[J].家电科技, 2006, 05∶42-44.