巖棉保溫材料熱工性能研究進(jìn)展

楊佳 邢亮臣 王慧茹 孟輝江 郭丹丹 劉建偉

河北三楷深發(fā)科技股份有限公司

關(guān)鍵字：巖棉；傳熱機(jī)制；導(dǎo)熱系數(shù)

1 前言

隨著我國(guó)高效快速的發(fā)展，能源問題已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑能耗占社會(huì)總能耗的30%左右[1、2]，成為了社會(huì)總能耗的重要組成部分。建筑能耗中，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)損失的熱量占建筑總能耗的70%～80%左右[3]，因此提高建筑的保溫隔熱性能至關(guān)重要。巖棉保溫材料是一種常見的無(wú)機(jī)保溫材料，具有A級(jí)阻燃和良好的耐久性，但其導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率較高，保溫性能相對(duì)較差。為降低巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)，提高巖棉的保溫性能，有許多專家學(xué)者分析了巖棉的傳熱機(jī)制，并采用多種方式降低巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 巖棉傳熱機(jī)制研究

巖棉材料熱傳遞主要包括傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三大傳熱方式。巖棉保溫材料最大的特征是多孔、多相、多通道結(jié)構(gòu)，屬于典型的纖維集合體。纖維材料傳熱具有其典型的特征，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)纖維材料不同的傳熱方式做了大量的研究。

2.1 纖維材料傳導(dǎo)傳熱研究

在纖維固體傳熱中，固體骨架的熱傳導(dǎo)是纖維之間的熱傳導(dǎo)，Strong 等[7]將纖維材料的模型認(rèn)為是纖維相互搭接的形式，在搭接點(diǎn)處產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，該模型與纖維半徑及接觸壓力相關(guān)。該模型較為簡(jiǎn)單，與實(shí)際的纖維堆砌狀態(tài)差異較大，且接觸壓力難以測(cè)得。Verschoor[8]通過模型得到了纖維通道的熱傳導(dǎo)系數(shù)Kf*的經(jīng)驗(yàn)公式：Kf*=fmkf，其中kf為單纖維的導(dǎo)熱系數(shù)，f為纖維的體積分?jǐn)?shù)，m為纖維種類相關(guān)的常數(shù)。

在對(duì)空氣的熱傳導(dǎo)研究中，Marcussen得[9]到了很準(zhǔn)確的熱模型，該模型的計(jì)算公式與空氣分子平均自由程、空氣熱傳導(dǎo)特征長(zhǎng)度以及纖維直徑等有關(guān)。隨后，Lee[10]等人簡(jiǎn)化了空氣導(dǎo)熱方程，但是不能準(zhǔn)確表達(dá)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。

材料內(nèi)部的導(dǎo)熱是空氣-固體骨架熱傳導(dǎo)的綜合作用。Schuhmeister[11]將纖維材料看做是由纖維絲和空氣串聯(lián)組成的，采用氣固耦合串并聯(lián)模型得到纖維材料的熱傳導(dǎo)表達(dá)式。此模型與Verschoor[8]建立的纖維搭接模型相似，但是纖維搭接模型認(rèn)為熱流在纖維內(nèi)部呈現(xiàn)非定向狀態(tài)，這種假設(shè)只有在纖維體積分?jǐn)?shù)較小的情況下成立。Bogaty[12]在建立纖維熱傳導(dǎo)模型時(shí)考慮了纖維排列的方向性，Bogaty將纖維排列方向分為垂直于熱流方向和平行于熱流方向，通過計(jì)算兩個(gè)方向上的纖維的體積分?jǐn)?shù)及導(dǎo)熱系數(shù)，得出纖維材料的綜合傳熱系數(shù)。三位學(xué)者雖然在一定程度上建立了纖維材料熱傳導(dǎo)的模型，但是都在一定程度上忽略了纖維在材料中的實(shí)際排列狀態(tài)，忽略了纖維的實(shí)際取向問題。Stark 和Frickle[13]綜合考慮了纖維的取向問題，并建立了導(dǎo)熱機(jī)制模型，但是Stark 和Frickle 建立的模型卻認(rèn)為纖維保溫材料是各向同性的，使得導(dǎo)熱機(jī)制模型具有一定的局限性。Langlais[14]認(rèn)為纖維材料導(dǎo)熱系數(shù)只與材料的溫度和密度有關(guān)，該公式同樣考慮了纖維之間的接觸問題。Woo 等[15]綜合考慮了纖維材料的各向異性和纖維材料的排列狀態(tài)對(duì)材料綜合傳熱系數(shù)的影響，雖然Woo建立的模型能夠更加精確地反應(yīng)纖維材料的綜合傳熱系數(shù)，但是該模型中大多數(shù)參數(shù)不易獲得，因此模型并未廣泛應(yīng)用。Daryabeigi[16]認(rèn)為固體纖維與空氣的熱阻由串聯(lián)組成，并建立了模型。模型及參數(shù)比較簡(jiǎn)單，因此后來的一些研究人員一般會(huì)采用此類型的模型來進(jìn)行研究。

2.2 纖維對(duì)流傳熱的研究

當(dāng)流體的各部分之間存在溫度梯度，且流體之間存在宏觀上的相對(duì)位移時(shí)，冷熱空氣發(fā)生相互交換的同時(shí)熱量發(fā)生傳遞，這個(gè)過程就是對(duì)流。對(duì)于纖維材料對(duì)流傳熱理論研究可分為兩類：第一類是由外界提供動(dòng)力，使氣流之間發(fā)生宏觀運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生熱量交換；第二類是由于氣流內(nèi)部溫度梯度提供動(dòng)力，使氣流之間發(fā)生宏觀運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生熱量交換。

對(duì)于纖維集合體第一類對(duì)流傳熱的研究，Vafai 和Tiem[17～19]同時(shí)研究了不透氣邊界和變化孔洞條件下，纖維多孔材料內(nèi)對(duì)流傳熱的規(guī)律。Langlais、Arquis和McCaa[20]控制保溫隔熱材料頂部橫向氣流存在與否，改變保溫隔熱材料內(nèi)部的溫度梯度和透氣率，研究保溫隔熱材料內(nèi)部的對(duì)流傳熱，并與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)保溫隔熱材料頂部是否存在橫向氣流對(duì)材料的對(duì)流傳熱起決定性作用。Fan等[21]從理論和實(shí)踐兩方面研究了纖維保溫材料表面和大氣之間存在熱對(duì)流的熱傳遞性質(zhì)。目前關(guān)于纖維多孔保溫材料熱對(duì)流的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)研究方面，理論研究主要為纖維保溫材料表面與外界之間的對(duì)流換熱，而關(guān)于纖維保溫材料內(nèi)部對(duì)對(duì)流傳熱的影響研究卻很少。

對(duì)于纖維集合體第二類對(duì)流傳熱又叫做自然對(duì)流，纖維集合體內(nèi)部是否發(fā)生自然對(duì)流取決于纖維集合體內(nèi)部溫度梯度、體積密度、材料厚度以及纖維集合體內(nèi)部介質(zhì)的物理性質(zhì)。Burns和Tine[22]研究分析了自然對(duì)流對(duì)纖維保溫材料綜合熱傳遞的影響及所占百分比，研究表明當(dāng)大氣壓低于105N/m2，溫度低于1000K，纖維保溫材料的孔隙率小于0.95，厚度小于5cm時(shí)，纖維多孔保溫材料內(nèi)部的自然對(duì)流可忽略。但是壓力升高到107N/m2時(shí)，自然對(duì)流對(duì)綜合傳熱的影響增大，這一結(jié)論也得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。因此，在正常大氣壓下，纖維多孔保溫材料對(duì)流傳熱可忽略。

2.3 纖維材料輻射傳熱的研究

熱輻射本身是一種電磁波，也是唯一一種非接觸的換熱方式。Verschoor[8]，Strong[7]和Bankvall[23]假設(shè)纖維保溫材料中輻射熱通過纖維進(jìn)行傳遞，并且將每一層的纖維看成吸收表面和發(fā)射表面，連續(xù)每層的熱量綜合為總輻射量，從而計(jì)算出纖維保溫材料的總輻射導(dǎo)熱系數(shù)。Strong[7]和Davies 等[24]認(rèn)為輻射熱是能穿過不同體積的纖維，因此不是通過纖維層間傳輸?shù)?，Strong[7]和Davies等[24]利用光學(xué)原理研究得到纖維保溫材料的輻射熱傳導(dǎo)公式。

2.4 纖維材料綜合傳熱機(jī)制

上述研究是對(duì)于三種傳熱方式分別建模，也有部分專家學(xué)者研究了綜合傳熱機(jī)制模型。對(duì)于纖維保溫材料綜合傳熱機(jī)制的研究大多數(shù)忽略了對(duì)流傳熱，而是輻射傳熱和傳導(dǎo)傳熱綜合傳熱模型。Lee[27]認(rèn)為在低密度纖維集合體內(nèi)總的導(dǎo)熱系數(shù)等于空氣導(dǎo)熱系數(shù)和輻射導(dǎo)熱系數(shù)總和，該模型整合了經(jīng)驗(yàn)公式和輻射公式，此公式考慮了溫度、厚度和密度對(duì)傳熱的影響。Fanworth[28]利用雙向熱流法，建立了纖維保溫材料傳熱機(jī)制模型。該模型綜合考慮了纖維保溫材料對(duì)熱輻射的吸收和發(fā)射，但忽略了熱輻射的散射作用。Daryabeigi[29]提出纖維保溫材料的高溫傳熱模型，此模型僅可用于一維各向同性的多孔材料。劉讓同[30]研究了無(wú)規(guī)則纖維保溫材料的內(nèi)部通道的導(dǎo)熱系數(shù)，他認(rèn)為熱量通過纖維通道的長(zhǎng)度與纖維層厚度不相等，此模型與國(guó)外Verschoor 的相似。ZHAO 等沿用Verschoor方法研究了纖維集合體高溫隔熱性能。

3 巖棉保溫材料熱工性研究

巖棉導(dǎo)熱系數(shù)高、保溫性能差的特點(diǎn)是目前巖棉在保溫材料行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中的劣勢(shì)，如何降低巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)，提高巖棉的保溫性能是目前巖棉材料專家學(xué)者們研究的核心。為降低巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)，目前研究比較多的方向?yàn)榻档蛶r棉的吸水率、控制巖棉的容重和制備巖棉復(fù)合材料。

3.1 巖棉吸水率

韓長(zhǎng)軍等[31]人利用擺錘法制備不同密度的巖棉板，各種密度的巖棉板在150℃下檢測(cè)其導(dǎo)熱系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)隨著密度的增加先增加后減小，當(dāng)巖棉的密度為80kg/m3時(shí)，巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)最低。張昭瑞等[32]人指出巖棉板的吸水率在一定程度上受生產(chǎn)工藝的影響。巖棉板的生產(chǎn)工藝包括打褶法、擺錘法、沉降法等，打褶法生產(chǎn)的巖棉板吸水率比擺錘法生產(chǎn)的巖棉板吸水率低，擺錘法生產(chǎn)的巖棉板的吸水率比沉降法生產(chǎn)的巖棉板的吸水率低。采用合理的生產(chǎn)工藝能夠有效地降低巖棉的吸水率從而降低巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)，提高巖棉的保溫性能。巖棉板的生產(chǎn)工藝在一定程度上影響巖棉的吸水率，擺錘法生產(chǎn)的巖棉板的吸水率比沉降法生產(chǎn)的巖棉板的吸水率要低，打褶法生產(chǎn)的巖棉比擺錘法生產(chǎn)的巖棉的吸水率低，

3.2 巖棉密度

賈濡東等[33]人利用光敏劑引發(fā)聚磷酸銨在異丙醇的水溶液中的聚合反應(yīng)以改性巖棉，通過研究聚磷酸銨、光敏劑的含量以及異丙醇的濃度對(duì)聚丙烯接枝率的影響，進(jìn)一步研究其對(duì)巖棉吸水率和阻燃性能的影響。結(jié)果表明聚磷酸銨單體濃度為4.8%、光敏劑為0.4%、異丙醇濃度為0.2g/L 時(shí)，接枝率達(dá)到最大值，并且?guī)r棉的疏水性及阻燃效果都得到了明顯提升。劉建[34]等人提出隨著巖棉密度的增加，巖棉內(nèi)孔徑縮小，而孔徑縮小會(huì)降低由對(duì)流產(chǎn)生的熱損失，導(dǎo)熱系數(shù)因此降低。但是當(dāng)巖棉密度增加到一定程度時(shí)，巖棉內(nèi)部對(duì)流傳熱越來越不明顯，由對(duì)流產(chǎn)生的熱損失可忽略不計(jì)，此時(shí)巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)最低。如果繼續(xù)增加巖棉的密度，孔徑將繼續(xù)減小，巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)則開始提高。

3.3 制備巖棉復(fù)合材料降低巖棉導(dǎo)熱系數(shù)

提高巖棉保溫性能的方法除了降低巖棉的吸水率和控制巖棉的密度以外，還可以添加改性劑與巖棉復(fù)合，以降低巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)。熱量傳遞主要包含熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流三種方式，通過添加改性劑的方式降低巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)需要有針對(duì)性的選取改性劑。目前，常見的改性劑為鋁箔和SiO2氣凝膠。鋁箔復(fù)合能夠有效降低熱輻射損失，提高熱能設(shè)備的熱效率。SiO2氣凝膠由于其特殊的空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，本身具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，利用SiO2氣凝膠低導(dǎo)熱系數(shù)的特征，能夠有效的降低巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)。

陳攻等[35]人利用鋁箔反射紅外線，降低巖棉的輻射熱傳導(dǎo)的原理，將鋁箔粘結(jié)在保溫板的表面，然后將保溫板加工成鋸齒狀，在25℃、150℃、350℃、500℃、650℃溫度下測(cè)試巖棉板和巖棉/鋁箔復(fù)合保溫板的綜合傳熱系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著溫度的提高，巖棉鋁箔復(fù)合材料的綜合傳熱系數(shù)相較于巖棉的綜合傳熱系數(shù)降低率越來越高，當(dāng)熱工設(shè)備在600℃時(shí)，巖棉/鋁箔復(fù)合保溫板的綜合傳熱系數(shù)降低了20%。2014 年韓國(guó)LG Hausys 公司研發(fā)了一種以巖棉為芯材，熱塑性聚合物薄膜和鋁膜為包覆層的真空絕熱復(fù)合材料，此復(fù)合材料具有比玻纖作芯材時(shí)更好的隔熱性能，且成本較低，包覆材料不易被破壞，導(dǎo)熱系數(shù)為0.0035W/（m2·K）～0.0047W/（m2·K），但其生產(chǎn)成本高，耐久性能差。針對(duì)巖棉材料面臨的問題，目前急需開發(fā)一種適合于工業(yè)生產(chǎn)，并且能夠有效降低巖棉板導(dǎo)熱系數(shù)的改性方法。姚鵬[36]將SiO2氣凝膠作為改性劑，對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)保溫材料進(jìn)行改性，將SiO2氣凝膠、KH550以及酒精混合制備出改性劑，通過浸潤(rùn)的途徑將SiO2氣凝膠復(fù)合于無(wú)機(jī)保溫材料中，研究SiO2氣凝膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)無(wú)機(jī)保溫材料的影響。研究表明隨著SiO2氣凝膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，無(wú)機(jī)保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低。孫達(dá)[37]利用酸性硅溶膠為硅源，以巖棉板作為支撐體，制備巖棉/氣凝膠復(fù)合材料，結(jié)果顯示巖棉/氣凝膠復(fù)合材料在20℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.015W/（m·K），相較于巖棉板的導(dǎo)熱系數(shù)降低了62.5%，大大降低了巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)。

4 結(jié)論

目前，針對(duì)巖棉熱工性能的理論研究比較完善，巖棉熱工改性研究主要集中在降低巖棉的吸水率、控制巖棉的密度和添加改性劑制備巖棉復(fù)合材料等方面。降低巖棉的吸水率和控制巖棉的密度在一定程度上降低了巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)，但是巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)仍然較高。添加改性劑制備巖棉復(fù)合材料，雖然能夠有效的降低巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)，但是工業(yè)生產(chǎn)困難，并且生產(chǎn)成本較高，制約了巖棉復(fù)合材料的發(fā)展。因此，仍需對(duì)巖棉熱工性能進(jìn)行進(jìn)一步的研究。