玻璃棉纖維紙導熱性能的研究

何紅梅 王海毅 李 杰 唐永科 劉彬彬

(1.陜西科技大學輕工與能源學院，陜西省造紙技術及特種紙品開發(fā)重點實驗室，陜西西安，710021;2.陜西汽車集團西安德森新能源裝備有限公司，陜西西安，710043)

玻璃棉纖維是無機非金屬材料中的一種新型功能材料和結構材料，其主要原料資源貯量大。玻璃棉纖維密度小、熱導率低、比表面積大、保溫絕熱和吸聲性能好，還具有良好的化學穩(wěn)定性等特性[1］。基于玻璃棉纖維優(yōu)良的性能，使其在越來越多的領域得到推廣應用[2］。玻璃棉纖維表面光滑而圓直，沒有分絲帚化現象，纖維表面不能通過形成氫鍵結合在一起。但玻璃棉纖維常作為增強復合材料使用，在造紙方面也有廣泛的應用[3］，常用來生產電池隔膜紙、過濾紙以及保溫隔熱紙等。

玻璃棉纖維的導熱性能低，廣泛應用于建筑和工業(yè)的保溫隔熱和隔冷，是一種優(yōu)良的熱絕緣材料。玻璃棉纖維作為隔冷材料，主要運用于低溫儲罐中的多層絕熱材料。導熱系數是研究隔熱材料的一個重要基礎參數，導熱系數的確定對隔熱材料的研發(fā)和生產有重大意義。

對于絕熱材料，導熱系數的影響因素很多，除了材料本身的性質以外，還受環(huán)境因素及傳熱方式等的影響。本實驗通過測定不同溫度下玻璃棉纖維紙的導熱系數，考察了溫度對其導熱系數的影響。研究了不同多孔填料以及添加比例對玻璃棉纖維紙導熱系數的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料

6種不同打漿度的玻璃棉纖維，編號分別為:BM-1(29°SR)、BM-2(34°SR)、BM-3(39°SR)、BM-4(44°SR)、BM-5(49°SR)、BM-6(54°SR)。

1.2 實驗儀器

ZQJ1-B-II紙頁成型器，DHG-9053A電熱恒溫鼓風干燥箱，DC-4010低溫恒溫槽，IMDRY3001-VII智能型雙平板導熱系數測定儀。

1.3 實驗方法

1.3.1 抄造手抄片

稱取 (6.0±0.01)g玻璃棉纖維放入漿料疏解器中，加入約1000 mL水并滴加硫酸調節(jié)玻璃棉纖維漿液pH值至3.0左右進行疏解，將疏解好的漿料倒入紙樣抄取器內稀釋后成形。將毛布覆蓋在成形手抄片上，然后用圓桶輕輕滾壓，使手抄片粘在毛布上，放入真空干燥器內抽真空干燥至水分約為10%，取出后揭下毛布，將未完全干燥的手抄片置于電熱恒溫鼓風干燥箱內烘干。溫度設定為105℃，烘干至完全干燥。6種不同打漿度玻璃棉纖維抄造的手抄片分別記為:BM-1、BM-2、BM-3、BM-4、BM-5、BM-6。

1.3.2 玻璃棉纖維紙導熱系數的測定

導熱系數采用IMDRY3001-VII智能型雙平板導熱系數測定儀測定。其工作原理是采用穩(wěn)態(tài)測量法，只有在冷板、熱板和防護板達到穩(wěn)態(tài)熱平衡的條件下，才能得到正確的結果。按照一維穩(wěn)態(tài)傳熱方程，熱板加熱器產生的熱量通過試件傳遞到冷板，并由冷板的循環(huán)水等工質傳遞到系統外，形成一個熱力循環(huán)。

2 結果與討論

2.1 溫度對玻璃棉纖維紙導熱系數的影響

材料的導熱系數會隨著溫度的變化而變化。有研究表明[4-5］，絕熱材料組成固定時，導熱系數隨溫度的升高而增大。低溫儲罐夾層中溫度由內向外逐漸升高，多層絕熱結構中的隔熱紙有的貼近于氣罐內壁，有的靠近于氣罐夾層外壁，因此玻璃棉纖維紙所處的溫度不同，實驗考察了溫度對玻璃棉纖維紙導熱性能的影響，結果見圖1。

圖1 溫度對玻璃棉纖維紙導熱系數的影響

由圖1可知，溫度為-10～20℃時，隨著溫度的升高，不同打漿度玻璃棉纖維抄造的紙張導熱系數不斷升高，其中BM-1和BM-3纖維紙的導熱系數隨溫度變化幅度不大，導熱系數在0.029～0.031 W/m·K之間。另外4種玻璃棉纖維抄造的紙張導熱系數變化顯著，在-10～0℃時，4種玻璃棉纖維紙的導熱系數迅速上升，隨著溫度的進一步升高，4種玻璃棉纖維紙的導熱系數上升緩慢。當溫度由-10℃升高到0℃時，BM-2纖維紙的導熱系數由0.0182 W/m·K增加到0.0287 W/m·K，增加了 57.7%，變化非常明顯，而BM-4、BM-5、BM-6纖維紙的導熱系數也分別增加了30.4%、40.6%、32.4%。在同一溫度下，BM-2纖維紙的導熱系數最小，BM-1纖維紙的最大。分析原因可能是對同一打漿度的玻璃棉纖維紙而言，纖維的直徑沒有變化，抄造的紙張孔隙率相差不大，隨著溫度的升高，孔隙中的分子熱運動加劇，從而導致傳熱的增加，導熱系數增大。對同一溫度下不同打漿度玻璃棉纖維紙來說，玻璃棉纖維紙的導熱系數受到纖維直徑、細小纖維含量和孔隙率的共同作用。隨著打漿度的增加，纖維的直徑減小，細小纖維數量增加，抄片的孔隙度減小。

由此可以得出，BM-1和BM-3纖維紙的導熱系數隨溫度變化更加穩(wěn)定，在LNG氣瓶夾層中，貼近內壁可以選用低溫環(huán)境下隔熱性能更好的BM-2纖維紙;靠近夾層外壁選用性能更加穩(wěn)定的BM-3纖維紙，這種復合結構的隔熱性能可能會更好。

2.2 多孔填料對玻璃棉纖維紙導熱性能的影響

多孔隔熱材料孔隙尺寸極其微小，比表面積數值很大，本身可以作為隔熱保溫填料直接使用，玻璃棉纖維紙導熱系數低，用于低溫容器的隔熱效果良好。有研究表明[6-7］，玻璃棉纖維紙中加入多孔吸附性填料，在多層絕熱中能有效吸附層間放出的氣體，提高絕熱性能。為研究兩者配合使用的效果，實驗中用不同目數的膨脹珍珠巖和蛭石分別與玻璃棉纖維配抄成紙，測定其表觀導熱系數。圖2為200～400目的膨脹珍珠巖和蛭石的添加比例對BM-3纖維紙導熱系數的影響。

從圖2中可知，隨著多孔填料添加比例的增大，添加膨脹珍珠巖填料的玻璃棉纖維紙導熱系數先降低再升高，當添加比例進一步增加時，導熱系數又再一次下降;添加蛭石的玻璃棉纖維紙的導熱系數隨著填料的增加先略有增加，隨后下降。從整體可以看出，添加膨脹珍珠巖玻璃棉纖維紙的導熱系數比添加蛭石的低，當蛭石的添加比例為20%時，玻璃棉纖維紙的導熱系數比未添加時還要高，隔熱效果不佳。當填料的添加比例為30%時，添加膨脹珍珠巖和蛭石的玻璃棉纖維紙的導熱系數都最小。

圖2 填料對玻璃棉纖維紙導熱系數的影響

膨脹珍珠巖和蛭石在實驗添加前均要作研磨處理，通過分子篩篩分得到不同目數之間的粉體，目數越大，則粉體的粒徑越小，實驗針對同一種粉體，考察不同粒徑對玻璃棉纖維紙導熱系數的影響，比較結果見圖3和圖4。

圖3 不同粒徑膨脹珍珠巖對玻璃棉纖維紙導熱系數的影響

圖4 不同粒徑蛭石對玻璃棉纖維紙導熱系數的影響

從圖3可以看出，膨脹珍珠巖的添加比例為10% 時，粒徑在200～400目區(qū)間內的使用效果好，添加比例為20% 和30% 時，粒徑在60～200目區(qū)間內膨脹珍珠巖的使用效果好。從圖3還可以得出，膨脹珍珠巖的添加比例較大時，研磨目數小的區(qū)間內粉體即粒徑較大的粉體使用效果明顯。整體來看，60～200目膨脹珍珠巖的使用較200～400目效果好，尤其在添加比例較大的情況下表現最明顯。分析原因可能是，對于目數較高的膨脹珍珠巖，在研磨過程中破壞了其中的蜂窩多孔結構，減小了熱量傳遞的阻礙作用，造成其200～400目的添加時效果沒有60～200目的好。另外，每一種粒徑的填料添加比例最大時，導熱系數值均為最小。

從圖4可以看出，添加比例為20%和30%時，60～200目和200～400目蛭石的添加對玻璃棉纖維紙導熱系數的影響區(qū)別不大，添加10%時，60～200目蛭石的使用效果較好?？梢妼τ隍问裕繑敌〉姆垠w即粒徑較大的粉體使用效果最佳。

3 結論

3.1 在-10～20℃之間，隨著溫度的升高，不同打漿度玻璃棉纖維紙的導熱系數不斷升高，其中BM-1和BM-3纖維紙對應的導熱系數隨溫度變化幅度不大。當溫度由-10℃升高到0℃時，BM-2纖維紙的導熱系數由 0.0182 W/m·K 增加到 0.0287 W/m·K，增加了57.7%，變化非常明顯，而BM-4、BM-5、BM-6纖維紙的導熱系數也分別增加了30.4%、40.6%、32.4%。

3.2 添加200～400目膨脹珍珠巖的玻璃棉纖維紙的導熱系數比添加蛭石的小，且二者的添加比例為30%時，其成紙的導熱系數最低。不同目數蛭石的添加對其成紙的導熱系數影響不大，不同目數的膨脹珍珠巖的添加可以減小其成紙的導熱系數，但是影響變化不是很明顯。

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