建筑用真空絕熱板芯材研究進展

呂 忠，周 飛，李松鵬

(安徽工業(yè)大學建筑工程學院，安徽 馬鞍山243032)

1 前 言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，我國城鎮(zhèn)化率已超過47.5%，既有建筑總面積達440億m2，每年新增面積20億m2，約占全世界建筑面積的一半[1]。人們對建筑需求越來越高的同時，建筑行業(yè)高能耗問題日趨凸顯。2010年建筑能耗占全社會總能耗的28%，且這一數(shù)據(jù)仍在攀升，其中建筑制冷制熱能耗約占據(jù)建筑總能耗的65%，而制冷制熱能耗高的主要產(chǎn)生原因是建筑物保溫效果差，因此提高建筑物保溫節(jié)能效率迫在眉睫[2]。真空絕熱板作為一種新型建筑保溫隔熱材料，非常適合現(xiàn)代建筑綠色、節(jié)能的發(fā)展要求。

真空絕熱板(vacuum insulation panel, VIP)是指導熱系數(shù)低于11.5 mW/(m·K)的超級絕熱保溫材料，主要由芯材、包裹芯材的膜材以及吸氣劑3部分組成。其中，芯材是為了保證真空絕熱板有一定的強度；膜材是為了維持真空絕熱板內(nèi)部的真空度；吸氣劑是為了吸除真空絕熱板真空封裝時的參與氣體以及由于長期使用滲入的氣體[3-5]，如圖1所示[6]。VIP之所以具有絕佳的保溫隔熱性能，是因為其在真空絕熱原理的基礎上采用低導熱率芯材以降低固體熱傳導，同時盡可能地提高板內(nèi)真空度并輔以吸氣劑和干燥劑來吸附芯材中的水汽和氣體以減少氣體熱傳導，再輔以高性能膜材來降低熱輻射，從而達到高效保溫節(jié)能的目的。在同等厚度條件下，VIP具有10倍于傳統(tǒng)材料的絕熱性能[7, 8]，是目前熱導率最低的高效保溫材料，被稱為超級絕熱材料。但由于VIP成本價格較高等原因，VIP在房屋建筑保溫領(lǐng)域尚未大面積推廣應用。

圖1 真空絕熱板結(jié)構(gòu)[6]：(a) VIP實物照片，(b)VIP板截面圖Fig.1 The structure of vacuum insulation panel[6]: (a) image of VIP, (b) schematic sketch of cross section

VIP與常見保溫材料相比最大的優(yōu)點在于其極低的導熱系數(shù)。研究數(shù)據(jù)表明[9, 10]：VIP導熱系數(shù)是常規(guī)聚苯板的1/5、發(fā)泡聚氨酯的1/4、保溫砂漿和發(fā)泡水泥的1/10～1/5。一般來說，真空絕熱板芯材采用輕質(zhì)多孔材料進行隔熱，目的是盡可能地減小固體導熱所占的導熱量。且其采用真空封裝的方法，將殘留在材料體系內(nèi)的氣體盡可能清除，從而使得因氣體對流導致的傳熱途徑被消除或者被限制。且在相同熱阻條件下，VIP比其他保溫材料具有更薄的厚度，用1～2 cm厚的VIP就能達到65%的節(jié)能要求。住宅樓建筑使用VIP作為建筑外墻保溫材料，可以增加1%～3%的得房率，較大幅度地增加建筑使用面積。近年來，VIP不管是從原材料入手的試驗制備研究，還是傳熱機理分析，都取得了長足進步，為VIP板的大規(guī)模應用提供了保障[11-14]。

然而，VIP在建筑保溫上的應用和研究還處于初級階段，尚有很多理論和實際應用問題需要解決，如VIP的力學性能不足、表面易破損、實際服役壽命有待提高以及材料和制作成本較高等方面[3, 15, 16]。芯材是建筑用VIP的核心骨架，起著支撐作用，決定著VIP的保溫性能、整體強度以及服役壽命。目前國內(nèi)還缺少對于建筑用真空絕熱板芯材的分類與比較研究，特別是導熱系數(shù)、制備工藝和性價比方面的比較研究。

2 真空絕熱板芯材

由于真空絕熱板芯材主要用于支撐結(jié)構(gòu)和阻止熱傳遞(氣體、對流以及輻射傳熱)，所以芯材要有較低的導熱系數(shù)、一定的強度和一定的開孔率以便于抽真空。通常所采用的芯材多為微納米級別材料且具有微孔隙結(jié)構(gòu)和較高的開孔率，這樣在真空絕熱板制備過程中可以最大程度排除板內(nèi)氣體并限制微孔隙內(nèi)部剩余氣體分子的運動，使板內(nèi)能達到一定真空度，從而使VIP具有良好保溫絕熱性能。芯材不同，所需抽真空的壓力也不同[17]。芯材主要分為以下4類：泡沫類、纖維類、粉體類以及粉體-纖維復合類?？傮w來說，不同類型芯材在制備工藝、導熱系數(shù)、價格成本等方面各有其優(yōu)勢和不足。圖2顯示了不同類型芯材的VIP的導熱系數(shù)[18]。

圖2 不同內(nèi)部壓力下不同芯材真空絕熱板的導熱系數(shù)(外部壓力105 Pa，溫度20 ℃)[18]Fig.2 Thermal conductivity of VIPs with different core materials under different pressures (air pressure=105 Pa，T=20 ℃)[18]

2.1 泡沫類芯材

發(fā)泡類聚合物芯材具有輕質(zhì)、絕熱、吸聲以及低價等優(yōu)點。20世紀初泡沫類芯材就被提出用于制備VIP，主要包括發(fā)泡聚氨酯泡沫和發(fā)泡聚苯乙烯(PS)泡沫。聚氨酯泡沫按孔隙結(jié)構(gòu)可分為開孔和閉孔聚氨酯，其中高開孔率的聚氨酯泡沫作為芯材被廣泛用于制備VIP。

在泡沫類芯材早期研究過程中，Kodama等[19]發(fā)現(xiàn)開孔率為98%的聚氨酯泡沫在使用一段時間后導熱系數(shù)上升會50%左右。De Vos等[20]采用開孔聚氨酯作為芯材制備VIP，在抽真空封裝后，當板內(nèi)部真空度為13.3 Pa時，VIP導熱系數(shù)為7 mW/(m·K)。De Vos還使用不同孔徑大小的聚氨酯制備VIP，研究發(fā)現(xiàn)聚氨酯孔徑越小，制備出的VIP板導熱系數(shù)越小，且服役壽命越長。隨后，Manini[21]也對發(fā)泡聚氨酯泡沫作為芯材制備的真空絕熱板進行了相關(guān)性能研究，實驗結(jié)果表明，針對VIP的性能來說，發(fā)泡聚氨酯泡沫的芯材、封裝所用的膜材與吸氣劑(干燥劑)三者具有同等重要性。這是因為制備的VIP在服役期間會有氣體不斷滲透，從而導致VIP內(nèi)部真空度消失，保溫性能越來越差。2001年，Stroobants等[22]采用硬質(zhì)開孔泡沫作為芯材制備VIP，并對所制備VIP板表面出現(xiàn)的褶皺進行工藝處理，其方法主要是對制備出的VIP板進行再壓縮來消除褶皺，試驗過程壓縮率控制在40%～90%之間，當壓縮的VIP板密度達到90.5 kg/m3時，VIP板導熱系數(shù)為4.1 mW/(m·K)。但是該研究存在兩個較為嚴重的問題：一是再壓縮后會導致板材容重增大，且在其服役壽命期間很可能會出現(xiàn)比較大的回彈現(xiàn)象，致使VIP板內(nèi)芯材塌陷毀壞；二是板材再壓縮有可能會使得封裝膜材產(chǎn)生裂紋，影響VIP板的后期使用，嚴重的話有可能直接報廢處理。

國內(nèi)方面， Wong等[23]以CO2和N2作為發(fā)泡劑制備PS泡沫并制備VIP板，發(fā)現(xiàn)PS芯材的開孔率越高，所制備的VIP板導熱系數(shù)越低。實驗數(shù)據(jù)表明，使用開孔率分別為50%(PS-1)、70%(PS-2)、90%(PS-3)和98%(PS-4)的發(fā)泡PS泡沫，制備出的VIP在一定真空度下導熱系數(shù)分別為27、20、10和6.5 mW/(m·K)，且以CO2和N2為發(fā)泡劑制備PS泡沫在孔徑、容重以及孔隙結(jié)構(gòu)均有差別。從圖3a可以看出，對于PS-1、PS-2和PS-3，采用CO2作為發(fā)泡劑制備的PS孔徑均大于由N2作為發(fā)泡劑制備的PS；而對于PS-4而言，結(jié)論與之相反。圖3b顯示出以CO2作為發(fā)泡劑制備的PS容重均高于N2類。泡沫類材料作為芯材制備VIP具有成本低、保溫性能良好等優(yōu)點，但同時也存在如下缺陷：① 真空度要求高；② 采用的發(fā)泡劑對環(huán)境保護不利；③ 泡沫的燃燒等級為B級，不滿足建筑防火A級要求。

2.2 纖維類芯材

纖維種類有很多，常見有玻璃纖維、聚丙烯纖維和礦物纖維等，其中玻璃纖維以其優(yōu)異的保溫絕熱性、化學穩(wěn)定性、低容重以及非易燃等特點常被用來作為芯材制備VIP板。玻璃纖維生產(chǎn)工藝分為兩種：離心噴吹法和火焰噴射法。研究表明，采用纖維作為芯材制備的VIP板導熱系數(shù)在32～40 mW/(m·K)之間，其中纖維的種類、直徑和長度是主要技術(shù)參數(shù)[24, 25]。

圖3 以CO2和N2作為發(fā)泡劑制備的PS的孔徑與容重[23]：(a)孔徑，(b)容重Fig.3 The cell size and density of PS prepared with CO2 and N2 as a foaming agent[23]: (a) pore size, (b) bulk density

Stanley等[26]采用礦物棉作為芯材制備VIP板，其礦物棉纖維的表面噴涂了比表面積為150 m2/g的硅粉。因為在制備VIP芯板的生產(chǎn)工藝上通常不可以使用膠凝材料來提高芯板的整體性，而添加硅粉的方法可以有效增強纖維之間的粘聚力，同時板材在服役期間可以有效吸收滲透的水蒸氣，進而延長使用壽命。當板內(nèi)真空度在1.33×102～1.33×103Pa之間時，該類VIP的導熱系數(shù)居于9.6 mW/(m·K)左右。Mukhopadhyaya等[27]采用不同種類纖維作為芯材來制備VIP，發(fā)現(xiàn)使用礦物氧化物纖維(mineral oxide fiber，MOF)作為芯材時，低壓條件下導熱系數(shù)處于7～8 mW/(m·K)范圍，但當壓力高于10 Pa，該VIP導熱系數(shù)開始呈現(xiàn)指數(shù)增長且高于10 mW/(m·K)；使用高密度玻璃纖維(high density glass fiber，HDGF)作為芯材制備VIP時，在板內(nèi)壓力處于20～30 Pa時，VIP的導熱系數(shù)維持在4～5 mW/(m·K)之間，具有非常理想的保溫絕熱性能，詳見圖4。

國內(nèi)一些學者也進行了關(guān)于使用纖維作為芯材制備VIP的研究。周介明[28]開發(fā)了一種濕法超細玻璃纖維棉真空絕熱板，制備的VIP板具有輕質(zhì)、耐腐蝕性好、穩(wěn)定性好、保溫隔熱性能好等優(yōu)點，且該VIP板厚度只有8～30 mm，使用溫度范圍在-50～70 ℃之間，在20 ℃時導熱系數(shù)為1.8～2.8 mW/(m·K)。2013年，Di等[29]發(fā)現(xiàn)用短切絲玻璃纖維制備的VIP保溫性能較好。當壓力不超過10 Pa時，該真空絕熱板導熱系數(shù)低于1.5 mW/(m·K)；當壓力上升到60 Pa左右時，該板的導熱系數(shù)增加到4.9 mW/(m·K)。2015年，Chen等[30]采用離心噴絲吹拉法制備了具有超分層玻璃纖維作為芯材的VIP。由于超分層玻璃纖維芯材的纖維取向集中在與傳熱方向垂直的x-z平面上，該法制備出的VIP初始導熱系數(shù)僅為1.25 mW/(m·K)，與傳統(tǒng)濕法制備出的芯材相比，導熱系數(shù)僅為其一半。當壓力達到1000 Pa時，其導熱系數(shù)上升到13.03 mW/(m·K)。

圖4 不同種類纖維制備VIP導熱性能對比[27]Fig.4 Thermal conductivity of fibrous insulation materials[27]

雖然以纖維類作為芯材制備VIP具有良好保溫絕熱性能，但是纖維類型芯材VIP板也存在一些難以克服的缺陷，如：① 采用纖維類材料作為芯材制備VIP板，真空封裝會產(chǎn)生較大的壓縮率，VIP板的芯板在服役期間有可能會出現(xiàn)較大回彈，造成墻體出現(xiàn)鼓包開裂等不良現(xiàn)象；② 纖維板對真空度要求較高，當板內(nèi)真空度高于幾十帕時，VIP板保溫性能基本喪失；③ 纖維對人體健康不利，會產(chǎn)生刺癢等不良反應。

2.3 粉末類芯材

通常用于制備VIP的粉體芯材多為無機非金屬材料，常見有：氣相二氧化硅、沉淀二氧化硅、硅灰、膨脹珍珠巖、輕質(zhì)浮石與蛭石等。粉體類芯材制備的VIP，其導熱系數(shù)一般在3～10 mW/(m·K)之間[31]。

二氧化硅類芯材常用于制備VIP，常用的有氣相二氧化硅、沉淀二氧化硅以及氣凝膠。該類材料多為納米級粉體材料，在降低氣體熱傳導方面效果明顯。Kistler等[32]最先提出使用二氧化硅氣凝膠來制備VIP，所制備出的VIP容重小、氣孔間距在1～100 nm之間，且在5000 Pa壓力下導熱系數(shù)不超過4 mW/(m·K)。但是由于二氧化硅氣凝膠價格昂貴，制備出的VIP價格相對其它芯材來說偏高很多，限制了此類VIP的生產(chǎn)應用。后來，Cap等[33]采用不同配合比的膨脹珍珠巖、氣相二氧化硅、沉淀二氧化硅以及防輻射粉末作為芯材制備VIP。在真空封裝后，上下表面附加玻璃蓋板，導熱系數(shù)可以達到3～7 mW/(m·K)。該實驗還發(fā)現(xiàn)隨著外部荷載的增加，VIP板導熱系數(shù)也在增加，詳見圖5。Cap等[33]研究了不同壓力下膨脹珍珠巖的導熱系數(shù)，指出其在0.2 MPa下固體傳熱導熱系數(shù)為4 mW/(m·K)，但是膨脹珍珠巖的極限壓力為p1/2=500 Pa。盡管膨脹珍珠巖因其良好的保溫絕熱性能以及低價被廣泛作為芯材制備VIP板，但是如果采用單一粉體芯材，在模壓成型工藝上較為困難，且成型后的板材脆性較大、易開裂。2016年，Chang等[34]分別采用硅藻土與?；⒅椴糠痔娲鷼庀喽趸柚苽銿IP。研究結(jié)果表明，在壓力低于100 Pa時，摻加質(zhì)量分數(shù)50%、60%以及70%硅藻土或?；⒅榻M別相較于純氣相二氧化硅組別制備的VIP導熱系數(shù)更低，最低可達到8 mW/(m·K)；但當壓力開始呈現(xiàn)指數(shù)上升時，摻加了硅藻土或玻化微珠組別導熱系數(shù)均高于純氣相二氧化硅組；在壓力達到0.1 MPa時，摻加了不同配比?；⒅榻M別與純氣相二氧化硅組別導熱系數(shù)近似，處于29～31 mW/(m·K)之間。最近，Zhuang等[35]研究采用膨脹軟木屑部分替代氣相二氧化硅制備VIP。利用兩者孔隙結(jié)構(gòu)上的差異性，采用真空注入法使氣相二氧化硅填充于膨脹軟木屑孔隙內(nèi)，使整體結(jié)構(gòu)更加致密，從而可以有效降低導熱系數(shù)。其中摻加了50%膨脹軟木屑的組別綜合表現(xiàn)最佳，在壓力低于100 Pa時，該組導熱系數(shù)達到6.3 mW/(m·K)。

圖5 摻加質(zhì)量分數(shù)20%碳化硅的沉淀二氧化硅的導熱系數(shù)與外部荷載關(guān)系[33]Fig.5 Thermal conductivity of precipitated SiO2 added 20% SiC as a function of external load[33]

可見，粉體作為芯材具有如下優(yōu)缺點：① 粉體芯材多為納米級，對真空度敏感度不高，可有效延長VIP服役壽命；② 粉體芯材多為無機非金屬材料，建筑防火等級為A級；③ 粉體芯材導熱系數(shù)較低，制備出的VIP能更好地滿足保溫絕熱要求；④ 有些粉體芯材具有難成型等缺陷，同時粉體芯材吸入人體會對呼吸道有傷害。

2.4 粉體-纖維復合類

由于采用單一粉體作為芯材制備VIP普遍存在價格偏高以及脆性大易開裂等情形，科研機構(gòu)及企業(yè)開始嘗試采用粉體與纖維復合(適當配合比)作為芯材制備VIP。粉體與纖維復合體系既可以填充粉體材料之間的孔隙，降低芯板內(nèi)氣體對流熱傳導，保證VIP具有良好保溫隔熱性能，又可以降低VIP成本，使之能更好投入生產(chǎn)供社會需求。粉體纖維復合材料模型詳見圖6。

2008年，加拿大國家科學研究員會-土木工程研究院(NRC-IRC)員采用浮石與玻璃纖維板多層復合模壓成型作為芯板制備VIP，結(jié)果表明，其導熱系數(shù)與采用氣凝膠作為芯材制備VIP的導熱系數(shù)大小相似，保溫隔熱表現(xiàn)均很優(yōu)異[27]。2014年Alam等[36]采用不同配比膨脹珍珠巖替代氣相二氧化硅作為芯材制備VIP，發(fā)現(xiàn)當用50%(質(zhì)量分數(shù)，下同)氣相二氧化硅(FS)、30%膨脹珍珠巖(EP)、12%碳化硅(SiC)以及8%聚酯纖維(PP)混合制備出的VIP板的綜合表現(xiàn)最佳，該組芯板導熱系數(shù)為28 mW/(m·K)，并在成本方面可相對降低20%左右，如圖7所示。經(jīng)真空封裝后，在50 Pa壓力下，該配比下VIP板導熱系數(shù)約為7.6 mW/(m·K)。2006年，王東寧等[37]采用二氧化硅氣凝膠和纖維以一定的配合比進行混合作為芯材制備真空絕熱板，制備后的板材硬度大，加工和使用方便且保溫性能好，但是成本較高。2012年，司坤等[38]通過使用膨脹珍珠巖部分代替氣相二氧化硅制備VIP(其中摻加適量聚丙烯纖維)，得出以50%膨脹珍珠巖替代氣相二氧化硅制備出的VIP，其導熱系數(shù)為9 mW/(m·K)，對比以純氣相二氧化硅制備的VIP，容重大小基本沒變化，導熱系數(shù)增加了25.6%，但是成本節(jié)約了30%。該團隊還研究了摻入不同種類纖維進行對比試驗(短切玻璃纖維與聚丙烯纖維)?？刂评w維摻量、攪拌速度以及攪拌時間相同，在相同成型工藝條件下，摻入短切玻璃纖維制備出的芯板表面存在明顯束狀褶皺，而聚丙烯纖維則沒有，造成該現(xiàn)象的主要原因是玻璃纖維在攪拌過程中很難做到完全分散開，極易與粉體芯材互裹成團成束，使芯板極易出現(xiàn)開裂損壞。2016年，Li等[39]研究采用氣相二氧化硅、中空?；⒅橐约岸糖芯埘ダw維混合材料作為芯材制備VIP，波化微珠的添加能使復合芯材的孔隙率達到80%～90%，平均孔徑在19～181 nm之間。當?；⒅閾搅抠|(zhì)量分數(shù)低于26%時，制備出的VIP導熱系數(shù)能夠達到7.2 mW/(m·K)。Li還指出，采用6%質(zhì)量分數(shù)?；⒅橹苽涞腣IP適合用于冰箱保溫行業(yè)；摻加26%質(zhì)量分數(shù)?；⒅橹苽涞腣IP適合于建筑保溫行業(yè)。最近，研究人員使用二氧化硅、稻殼灰、炭黑、二氧化鈦和聚酯短切纖維制備出了新型纖維-粉體芯材，該芯材制備的VIP不僅導熱系數(shù)較低、具有較長的服役壽命，且降低了制備成本價格，具有較好的綜合性能[40]。

綜上所述，粉體-纖維復合類芯材具有如下優(yōu)缺點：① 復合體系的芯材結(jié)構(gòu)減小了芯材的內(nèi)部孔徑，降低了氣體熱傳導，可以降低芯板的導熱系數(shù)；② 使得粉體和纖維兩者不同組份之間的優(yōu)勢性能互補，可以解決單一粉體材料帶來的成本高、難成型和強度低等問題；③ 主要缺陷是纖維在攪拌過程中可能會與粉體材料互相包裹而出現(xiàn)成團現(xiàn)象，造成芯板鼓包、開裂，降低成品率。

3 結(jié) 語

當今世界能源危機加劇，提高建筑物能源節(jié)約效率勢在必行，其中，發(fā)展高性能外圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱材料是建筑節(jié)能的重要組成部分。真空絕熱板以其優(yōu)異的保溫性能受到廣泛的關(guān)注，其中芯材是真空絕熱板研究和應用的核心。芯材研究主要分為泡沫類、纖維類、粉體類和粉體-纖維復合類。泡沫類芯材由于發(fā)泡劑對環(huán)境不利以及泡沫的燃燒等級為B級而受到限制；纖維類雖然導熱系數(shù)低，但是纖維對于真空度要求高且纖維類芯板在服役期間可能會出現(xiàn)回彈而失去保溫效果；粉體類芯材具有優(yōu)異的保溫絕熱性能，但是粉體類芯材制備的芯板強度極差且價格偏高(如氣凝膠、氣相二氧化硅等)；粉體-纖維復合類芯材可以有效解決部分問題，如成本高、芯板強度低、保溫性不良等，同時也會帶來新的技術(shù)問題，如纖維與粉材互裹成團難分散、容重偏高、板材服役壽命預測和老化行為研究等。常見綜合性能較為優(yōu)異的復合類芯材有氣相二氧化硅和聚丙烯纖維復合體系、氣相二氧化硅和稻殼灰復合體系等。另外，某些特定的建筑施工領(lǐng)域還需要開發(fā)異形結(jié)構(gòu)的VIP板，如表面帶壓槽類、帶孔洞類以及曲面類等。異形VIP的出現(xiàn)同樣是大勢所趨，不僅大幅度提高了VIP板的使用靈活性，更是拓寬了VIP的目標市場，促進了VIP產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。