玻璃纖維真空祛濕研究

湯偉，韓厚德，闞安康

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

0 前言

真空絕熱板(vacuum insulation panel)是近年來開發(fā)和研制的一種絕熱材料，其結(jié)構(gòu)主要由芯部的隔熱材料(insulating material)，氣體吸附材料(getter)和封閉的隔氣結(jié)構(gòu)(barrier)組成［1］。其是通過最大限度提高多孔介質(zhì)芯層絕熱材料真空度及降低芯材導(dǎo)熱系數(shù)而實現(xiàn)隔絕熱傳導(dǎo)，是目前世界上較先進(jìn)的高效保溫材料［2］。由于VIP高效的絕熱、節(jié)能等特性，國內(nèi)近幾年已開始運用于各種領(lǐng)域，如建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、冰箱隔熱層、蓄冷冷藏箱及航空航天等領(lǐng)域，并取得了良好的效果。

目前真空絕熱板制作預(yù)處理的方法是加熱烘烤祛濕法，但單一的加熱祛濕并不能最大限度除去芯材內(nèi)部殘余水分。因此基于玻璃纖維芯材，通過間接式加熱與抽真空方式對VIP 作實驗研究，通過不同祛濕方式實驗對比，研究真空祛濕方式的優(yōu)越性。

1 真空度變化主要原因

1.1 材料殘余水分

多孔材料內(nèi)部水分子的粘附性、材料內(nèi)部空隙的包裹作用等，短時間烘烤處理并不能完全去除水分，內(nèi)部由于處于低真空狀態(tài)，當(dāng)處于大溫差下時，未除去的殘余水分會逐漸閃發(fā)成水蒸氣。有研究表明，相同壓力下，單位體積的液態(tài)水變?yōu)闅鈶B(tài)時，體積增加600 倍［3］。

隨著時間延長，在存在溫差的條件下越來越多的水分蒸發(fā)，玻璃纖維為開孔連通材料，水蒸氣在空隙內(nèi)部自由流動，發(fā)生對流傳熱增強(qiáng)傳熱，同時氣態(tài)水的自由分子導(dǎo)熱系數(shù)約為氮氣的1.6 倍、氧氣的1.7 倍［4］。當(dāng)傳熱系數(shù)達(dá)到一定極限值時認(rèn)為VIP 絕熱失效，此極限有效傳熱系數(shù)通常規(guī)定為0.008 W/mk［5］。

1.2 滲漏［6］

通常的隔氣結(jié)構(gòu)由聚合物和金屬復(fù)合膜制成，氣體主要由熱封邊緣及封裝材料表面滲入。熱封層由LDPE(low density polyethylene)和LLDPE(linear low density polyethylene)組成，氣體沿著橫向由熱封層滲透內(nèi)部，通過此方式滲透的壓力方程可表示為:

其中:L 橫截面周長(m);W 熱封邊緣寬度(m);Ru通用氣體常數(shù)(J/molK);d 厚度(m);t 時間(t);Pi，atmi 氣體的大氣分壓力(Pa);Ki，edge封邊氣體滲透率(cm3cm/cm2sPa)。通過封裝袋小孔滲入而引起壓力上升，其與時間關(guān)系可表示為:

Ki，eff為表面氣體滲透率(m3(STP)/m2·S);A 為表面積(m2)。在現(xiàn)有的技術(shù)下，一般薄膜的H2O 滲透率數(shù)量級約為10－12(m3(STP)/m2·S)，而這部分對于芯材內(nèi)部壓力的影響是甚微的，因此在短期內(nèi)可以忽略不計。

1.3 結(jié)晶水

玻璃纖維的主要成分為二氧化硅、硅酸鹽等，其通常存在硅酸鹽結(jié)晶水成分AlxCay(SiO3)z·nH2O，若使用傳統(tǒng)單一加熱的方式并不能最大限度地去除，因此在應(yīng)用過程中，當(dāng)VIP 在大溫差條件下，存在以下可逆化學(xué)反應(yīng)［7］:

以上化學(xué)反應(yīng)方程式在大溫差下，由于水分在真空條件下沸點降低，水分蒸發(fā)且化學(xué)反應(yīng)向著正方向進(jìn)行，體積持續(xù)膨脹使得VIP 內(nèi)部壓力增大，致使VIP 絕熱效果降低，同時縮短了其使用壽命，

2 真空祛濕實驗研究

2.1 真空祛濕原理

真空祛濕方式主要是對芯材在烘烤除濕的基礎(chǔ)上，通過抽真空的方式對芯材加以處理。采用間斷式加熱與抽真空方式對玻璃纖維芯材進(jìn)行處理，玻璃纖維放在烘烤箱烘烤除濕，一定時間后關(guān)閉加熱源，開始抽真空，達(dá)到600 Pa 以下壓力后關(guān)閉真空泵，由儲氣罐放入經(jīng)干燥后的干空氣，干燥氣體含濕量較低不會使芯材二次吸濕且能夠吸濕干燥芯材，如此反復(fù)若干次試驗。玻璃纖維芯材在烘烤過程中蒸發(fā)部分水分，由于加熱只是降低了空氣的相對濕度，但含濕量并未降低，因此通過抽真空使得殘余液態(tài)水分蒸發(fā)并被抽取排除。反復(fù)加熱并抽真空使得內(nèi)部的結(jié)晶水及附著在芯材上的殘余水分可以不斷蒸發(fā)排除，從而達(dá)到高效的干燥效果。

盡管對芯材祛濕特性進(jìn)行了很多研究，但由于其復(fù)雜的熱濕機(jī)制、微觀的無序性及不同芯材的特性，很難準(zhǔn)確預(yù)測，因此通過實驗的方法對目標(biāo)芯材(玻璃纖維)進(jìn)行真空祛濕研究。

2.2 真空祛濕實驗

實驗裝置主要是由格蘭仕(型號)改造而成，主要有烘烤箱、真空設(shè)備及電子天平、熱電偶及控制箱等裝置。

烤箱設(shè)定溫度及烘烤時間，玻璃纖維芯材通過烘烤祛濕可去除大部分水分;電子稱精度為0.01 g，烘烤及抽真空后，置于電子稱上測量質(zhì)量;設(shè)定真空設(shè)備相應(yīng)參數(shù)，真空度達(dá)到600 Pa 以下即可。

實驗通過烘烤和抽真空，并分別測量其重量變化來判斷芯材祛濕狀況，即烘烤后測量質(zhì)量并記錄，再抽真空后測量質(zhì)量并記錄。實驗分三次測量，每次均記錄數(shù)據(jù)，當(dāng)最后兩次質(zhì)量基本保持不變時，可判斷水分基本祛除，否則重復(fù)實驗步驟，直到質(zhì)量基本不變。實驗基本數(shù)據(jù):環(huán)境溫度19.4 ℃，濕度75.3%，抽真空時間25 min。實驗記錄數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 真空祛濕實驗數(shù)據(jù)記錄

由表中可看出，第二步與第三步質(zhì)量沒有變化，說明內(nèi)部水分基本除完。雖然從數(shù)據(jù)中可知抽真空質(zhì)量變化較小，但其對真空度的影響是不可忽視的，在同一壓力下體積可膨脹600 倍，使得VIP 真空環(huán)境受到極大破壞，降低VIP 的使用壽命，所以抽真空不僅可以去除水蒸氣且能夠使殘余水分蒸發(fā)。通過真空祛濕的方式處理玻璃纖維芯材，可以更大限度地除去芯材內(nèi)部的水分，保證VIP 具有更長的實驗壽命。

圖1 分別為采用單純烘烤法(b)和采用真空祛濕法(a)處理的芯材，在6 個月后的對比。

圖1 兩種方法祛濕對比

從圖1 可知，圖1(b)為傳統(tǒng)單一烘烤祛濕6 個月后玻璃纖維芯材VIP 已經(jīng)膨脹起來，說明內(nèi)部有大量氣體產(chǎn)生;圖1(a)為真空祛濕處理6 個月后的VIP 板，可以看出其依然完好如初。所以采用真空祛濕法對玻璃纖維芯材進(jìn)行干燥處理可達(dá)到較好的干燥效果，后期能保證較長的使用壽命。真空祛濕可以更高效的去除芯材內(nèi)水分，保證最大限度地除去芯材內(nèi)部殘余水分。

3 結(jié)論

盡管VIP 高效的絕熱性能可以應(yīng)用于多方面領(lǐng)域，但傳統(tǒng)單一烘烤祛濕法并不能最大限度地去除內(nèi)部水分，一段時間后殘余水分將對VIP 傳熱性能產(chǎn)生極大影響，降低其壽命。真空祛濕在芯材干燥方面具有獨特的優(yōu)點，極大限度地祛除內(nèi)部殘余水分，保證絕熱板的真空度，提高VIP 絕熱性能及使用壽命，對實際應(yīng)用具有很大的參考價值。

［1］T G Kollie，D L McEiroy，H A Fine，etc.A Review of Vacuum Insulation Research and Development in the Building Materials Group of the Oak Ridge National Laboratory［C］.ORNL/T M2 11703，September 1991.

［2］http://baike.baidu.com/view/3065508.htm.

［3］Pitchumani R，Yao S C.Correlation of Thermal Conductivities of Unidirectional Fibrous.

［4］耿進(jìn)良，韓厚德，闞安康，等.真空絕熱板絕熱特性研究［J］.節(jié)能，2010，(12):26-27.

［5］Ruben Baetens，Bjφrn Petter Jelle，Jan Vincent Thue，Martin J.Tenpierik，Steinar Grynning Sivert Uvslφkk，Arild Gustavsene.Vacuum insulation panels for building applications:A review and beyond［J］，Energy and Buildings，2010，(42):147-172.

［6］Jae-Sung Kwon，Choong Hyo Jang，Haeyong Jung，Tae-Ho Song，Energy and Buildings，2010，(42):592-596.

［7］Henderson，E.1;Bailey，J.E.SHEET-LIKE STRUCTURE OF CALCIUM SILICATE HYDRATES，1988，2(23):502-503.

［8］L.F.Giraldo，L.Lo'pez，L.Pe'rez，S.Urrego，L.Sierra，M.Mesa，Mesoporous silica applications，Macromolecular Symposia 258 (2007)123–138.