真空絕熱板部件真空出氣性能及機(jī)理分析
真空絕熱板是近幾年發(fā)展起來的一種超級絕熱材料，其內(nèi)部真空度的保持是維持其低導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵因素。真空絕熱板中的表面隔膜及內(nèi)部芯材的真空出氣是破壞板內(nèi)部真空環(huán)境引起其絕熱性能下降的主要原因之一，本文重點(diǎn)對不銹鋼、AF 及MF 類表面隔膜以及氣相二氧化硅和泡沫類芯材的真空出氣性能及真空出氣途徑機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，在此基礎(chǔ)上提出了降低部件真空出氣的有效途徑，為優(yōu)化真空絕熱板整體性能奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：真空絕熱板;出氣;表面隔膜;多孔材料
真空絕熱板(Vacuum Insulation Panels，簡稱VIPs)技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種超級絕熱技術(shù)，其初始熱阻是傳統(tǒng)絕熱材料的五至八倍。在建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)、冷凍冷藏裝置、低溫液體儲運(yùn)裝置、熱水器保溫結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，不僅大幅度節(jié)約能源，而且對于促進(jìn)二氧化碳減排有著巨大的推動作用。VIPs 是將多孔性(開孔)芯材、吸氣劑和干燥劑放置于具有較強(qiáng)氣體及水蒸汽阻隔性能的表面隔膜中，經(jīng)抽真空及熱封工藝組裝而成。其總熱導(dǎo)率可以表示為：
ktot = kr+ks+kg (1)
式(1)中ktot 為總熱導(dǎo)率，kr 是輻射熱導(dǎo)率，kg 為板內(nèi)殘余氣體熱導(dǎo)率，ks 為固體芯材熱導(dǎo)率。VIPs技術(shù)之所以具有如此高的絕熱性能，一方面通過抽真空消除了氣體對流傳熱，另一方面由于真空環(huán)境和內(nèi)部芯材微小的泡孔尺寸有效提高了Kn系數(shù)(氣體分子平均自由程與泡孔尺寸的比值)，從而大幅度降低了氣體熱導(dǎo)率。不同芯材熱導(dǎo)率隨板內(nèi)部壓力的變化見圖1[1]。
從圖1 中可見，VIPs 內(nèi)部真空度和芯材泡孔尺寸對于其絕熱性能起著決定性的作用。在VIPs使用壽命內(nèi)如何保持板內(nèi)真空，是此領(lǐng)域的關(guān)鍵研究方向之一。
VIPs 內(nèi)部真空度隨著時間的延長會逐漸遭到破壞，一種破壞途徑是由于板內(nèi)外存在壓力差，外部氣體和水蒸汽會透過表面隔膜及熱封邊緣向板內(nèi)滲透，另外就是芯材、表面隔膜等在真空環(huán)境下會產(chǎn)生真空放氣現(xiàn)象，導(dǎo)致板內(nèi)部壓力上升。對于前者，國外學(xué)者針對氣相二氧化硅為芯材的VIPs 做了大量的研究工作，對表面隔膜的氣體滲透性能及對VIPs 熱導(dǎo)率的影響進(jìn)行了深入的研究。內(nèi)部芯材真空放氣是影響VIPs 長期絕熱性能的另一個主要因素，特別是對于有機(jī)芯材，其真空放氣的影響更大。
目前，對于真空絕熱板真空放氣現(xiàn)象已經(jīng)進(jìn)行了一定的研究， 早在1997 年，WEI- HANTAO [2] 采用烘烤的方法對開孔聚氨酯泡沫進(jìn)行除氣預(yù)處理，考察了不同烘烤溫度及不同吸氣劑對VIPs 長期熱導(dǎo)率的影響，但沒有對芯材放氣速率進(jìn)行系統(tǒng)的定量研究。1998 年，Nemanic[3 ]等對真空絕熱板內(nèi)玻璃陶瓷材料及不銹鋼表面隔膜的放氣性能進(jìn)行了測試。1999 年，專業(yè)生產(chǎn)吸氣劑的意大利SAES 公司[4 ]采用渦輪分子泵機(jī)組將開孔聚氨酯泡沫所在真空室抽至10- 4 Pa，運(yùn)用壓力上升法對其放氣速率進(jìn)行了測試，并利用質(zhì)譜儀對放氣組分進(jìn)行了分析。
2007 年，Yang[ 5 ]等采用小孔流導(dǎo)法對開孔率大于95%的硬質(zhì)聚氨酯泡沫的放氣速率進(jìn)行了研究， 考察了不同溫度環(huán)境對放氣速率的影響。同傳統(tǒng)的體型芯材如泡沫芯材、顆粒板芯材及玻璃纖維板芯材不同， 最近Jae- SungKwon [ 6 , 7 ]等采用壓力上升率法對多層交錯布置的聚碳酸酯芯材及其輻射屏進(jìn)行了放氣性能及芯材擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究。本文在前人研究的基礎(chǔ)上對構(gòu)成VIPs 的表面隔膜及內(nèi)部芯材的放氣性能進(jìn)行了全面總結(jié)， 在真空放氣理論及相應(yīng)材料的組成結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對上述兩個部件的真空放氣機(jī)理進(jìn)行了深入分析，從放氣真空負(fù)荷的角度為優(yōu)化VIPs 的整體性能奠定了基礎(chǔ)。
1、VIPs 表面隔膜的放氣性能與放氣機(jī)理
真空絕熱板(VIPs)表面隔膜的放氣性能與放氣機(jī)理
http://m.zlyvkd.cn/application/else/032873.html
2、VIPs 芯材放氣機(jī)理
真空絕熱板(VIPs)芯材放氣機(jī)理
http://m.zlyvkd.cn/application/else/032874.html
3、結(jié)論
不銹鋼表面隔膜真空放氣速率小、阻隔性能強(qiáng)，如果采用空氣環(huán)境高溫烘烤輔以鍍膜技術(shù)進(jìn)行處理，其引起的VIPs 真空負(fù)荷可以忽略不計(jì)，但如何降低其熱橋效應(yīng)是一個有待深入研究的問題，可以從不銹鋼薄膜邊緣結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)增加其熱流路徑，或輔以其它隔熱材料進(jìn)行邊緣填充以消除部分熱流進(jìn)行優(yōu)化。對于芯材進(jìn)行高溫烘烤處理是比較適宜的，特別是對于納米孔隙的氣相二氧化硅材料，要確保有效去除內(nèi)部的化學(xué)吸附水分。另外要進(jìn)一步優(yōu)化制作工藝，確保硅鹵烷最大程度上縮聚完全。對于聚苯乙烯或聚氨酯泡沫芯材，除了進(jìn)行400 K 以上的烘烤前處理外，盡可能在發(fā)泡過程中做到100%的開孔率，以消除閉孔內(nèi)部氣體的釋放。進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)泡工藝，另外在發(fā)泡過程中進(jìn)行真空處理以進(jìn)一步提升開孔率，或許是今后可嘗試的一條有效途徑。
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