納米微孔絕熱板在鉑金通道保溫結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

胡 曦

(中國建材國際工程集團有限公司，上海 200063)

近年來，隨著韓國、日本和臺灣省的液晶面板產(chǎn)業(yè)逐步向中國大陸聚集，同時國內(nèi)多條G8.5及以上高世代液晶面板建設(shè)投產(chǎn)，我國液晶面板顯示技術(shù)得到了飛速發(fā)展。液晶顯示面板下游應(yīng)用廣泛，目前主要需求集中在液晶電視、平板電腦、智能手機、車載顯示屏等領(lǐng)域，隨著工業(yè)4.0和消費水平升級，可穿戴電子產(chǎn)品、人工智能、智慧城市等新興行業(yè)都是未來的增量點。尤其是在互聯(lián)網(wǎng)的普及以及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展下，顯示屏作為人機交互最主要的方式，其市場規(guī)模正在隨著終端設(shè)備數(shù)量和顯示面積的增加而不斷擴大。

從現(xiàn)有液晶面板產(chǎn)業(yè)來看，無論是TFT-LCD亦或AMOLED，基板玻璃都是其生產(chǎn)所需的重要材料。根據(jù)顯示技術(shù)、器件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場景的不同，會額外需要單層或多層的玻璃。因此，基板玻璃是構(gòu)成液晶顯示器件的重要部件，也是液晶顯示產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料之一，基板玻璃約占液晶顯示器件生產(chǎn)成本的4%[1]。

然而平板顯示用基板玻璃制造工藝復(fù)雜，工序繁多，且各工藝環(huán)節(jié)間聯(lián)系密切。又因為該玻璃為無堿玻璃，且在熔制后玻璃液的表面張力很大，對氣泡的要求極高，所以該玻璃材料與其他玻璃材料相比需要更高的澄清溫度。

目前，市場上廣泛采用帶鉑金通道的熔化系統(tǒng)用于平板顯示用基板玻璃的生產(chǎn)制造。鉑金通道一般分為澄清段、冷卻段、攪拌段、供料段，由于流量控制精度要求高，選擇電加熱系統(tǒng)控制鉑金通道的溫度，進而控制其黏度。而澄清段作為主要的澄清區(qū)域，通常是整個通道中溫度最高的，一般能達到1 640 ℃左右。隨著液晶玻璃基板品質(zhì)要求的不斷提高，尺寸越來越向大型化發(fā)展，鉑金通道的熔融玻璃液輸送量需求增加，對鉑金通道澄清段的要求也越來越高。由于該段溫度很高，因此優(yōu)化該區(qū)域的保溫結(jié)構(gòu)對生產(chǎn)具有重大的實際意義。

1 利用納米微孔絕熱板進行保溫結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于鉑金通道廠房為恒溫恒濕的密閉環(huán)境，因此，鉑金通道保溫結(jié)構(gòu)的耐火材料應(yīng)具備適應(yīng)該環(huán)境的特性，且導(dǎo)熱系數(shù)越小越好，以便節(jié)省空間。

目前，市場上的保溫材料日新月異，而納米微孔絕熱板可以說是高溫絕熱的一種絕佳材料。這種材料技術(shù)先進，經(jīng)濟效益高，它不但可以獲得極高的絕熱性能，同時還可以大幅度降低絕熱層的厚度。此外，納米微孔絕熱板的阻燃性能極佳，達到行業(yè)標準的“A級”耐火等級。因此，筆者提出在鉑金通道澄清段中使用納米微孔絕熱板，來加強保溫效果。

納米微孔絕熱材料極低的導(dǎo)熱率使它具有卓越的絕熱性能，以及很小的空間占用率。納米微孔材料的特殊結(jié)構(gòu)以及遮光劑的使用，使得所有熱傳輸效應(yīng)——熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射都被抑制到了大氣壓下的物理極限。具體來說，納米微孔材料極低的導(dǎo)熱系數(shù)源于三方面:一是二氧化硅粒子之間的間距約為10 nm，非常細小。二氧化硅粒子之間只能以單個的點式接觸，由此熱傳導(dǎo)能量被降低至最低。二是氣相二氧化硅極細小的氣孔間距小于空氣分子之間相互傳遞能量所需的最短距離，因此熱對流傳遞的能量被降至最低。三是遮光劑和紅外阻隔劑能將熱輻射反射回去，使得熱輻射的能量降至最低。

通過實驗和比較，筆者最終選擇了優(yōu)尼科絕熱技術(shù)有限公司的TT 1050 plus產(chǎn)品，并對該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行計算，了解了納米微孔絕熱板對鉑金通道保溫的具體作用。該產(chǎn)品除了卓越的絕熱性能外，還具有極佳的抗彎強度 ，加工快捷方便，產(chǎn)品再加工破損率降至最低。無毒無害，在安全性方面具有很大優(yōu)勢，符合規(guī)定，廢棄后處理成本低，操作時對人體健康無害。另外，通過對TT 1050 plus進行長期的高溫處理，筆者發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品粉塵較多，高溫下比較容易脫落。因此，使用TT 1050 plus時建議采用包覆結(jié)構(gòu)，不僅可以大大減少粉塵，還能提供額外的加固，在安裝期間降低產(chǎn)品損傷的風(fēng)險。目前優(yōu)尼科絕熱技術(shù)有限公司提供POF收縮膜、鋁箔膜或者玻纖布復(fù)合的包覆結(jié)構(gòu)[2]。

2 保溫結(jié)構(gòu)優(yōu)化實例

2.1 現(xiàn)有保溫結(jié)構(gòu)及散熱計算

筆者選取國內(nèi)現(xiàn)有的一條具有普遍結(jié)構(gòu)的鉑金通道的澄清段進行散熱計算。該通道保溫磚全部采用日本伊索萊特公司的產(chǎn)品，鉑金管外的保溫材料依次為30 mm厚的氧化鋁粉末，70 mm厚的燒結(jié)剛玉磚，65 mm厚的LAP165保溫磚,130 mm厚的LBK3000保溫磚，100 mm厚的1700BOARD保溫板,除氧化鋁粉末外所有耐火材料全部干砌。

可以看出，該澄清段由鉑金管本體和耐火材料組成，其傳熱過程主要包括：1)管體內(nèi)氣體或玻璃液與鉑金管的輻射和對流；2)鉑金管和耐火材料的熱傳導(dǎo)；3)耐火材料與環(huán)境——大氣的對流和輻射。

因為澄清段是對鉑金管進行加熱，因此可以大致認為最內(nèi)層耐火材料溫度與鉑金管設(shè)定溫度相等，近似的通過平壁的散熱公式計算澄清段的散熱量。

式中，tw，1為耐火材料內(nèi)壁溫度，℃；t2為周圍空氣的溫度，℃；δi為各層磚的厚度，m；λi為各層磚的導(dǎo)熱系數(shù)，kcal/(m·h·℃)；α2為墻體外表面對空氣的傳熱系數(shù)，kcal/(m2·h)。

為了方便統(tǒng)一比較，筆者選取側(cè)墻進行計算，側(cè)墻對空氣的傳熱系數(shù)如下

其中，tw，2為墻體外表面溫度，℃。

第一層與第二層之間的界面溫度為

第二層與第三層之間的界面溫度為

其他各層之間的界面溫度以此類推[3]。

由于在不同溫度下，耐火材料具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，因此，筆者采用試差法進行多次核算。設(shè)定環(huán)境溫度為30 ℃，鉑金管溫度為1 600 ℃的情況下最終得出表1的計算結(jié)果。

表1 現(xiàn)有鉑金通道保溫結(jié)構(gòu)中各層散熱計算結(jié)果

表1中可以看出該保溫結(jié)構(gòu)的表面溫度為117 ℃，單位面積的散熱損失為1 177.30 kcal/m2h。

2.2 追加納米微孔絕熱板保溫層

為了能進一步降低表面溫度，減少散熱損失，筆者在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，僅僅在最外側(cè)追加了20 mm厚的納米微孔絕熱板，其他保溫結(jié)構(gòu)保持不變，同樣通過之前的公式采用試差法進行計算，計算結(jié)果如表2所示。

表2 追加納米微孔絕熱板的保溫結(jié)構(gòu)中各層散熱計算結(jié)果

從表2可以看出，由于追加了納米微孔絕熱板，墻體表面的溫度降低至99 ℃，單位面積的散熱損失也降低至862.97 kcal/m2h，降幅達到了27%，說明納米微孔絕熱板確實可以顯著地降低澄清段墻體的散熱量，極大地降低能耗。

2.3 調(diào)整保溫層結(jié)構(gòu)

通過計算可以看出，LAP165磚的內(nèi)側(cè)溫度最高達到了1 559 ℃，LBK3000的內(nèi)側(cè)溫度最高達到了1 460 ℃，這對長期生產(chǎn)來說是比較危險的。因此，筆者決定使用同為伊索萊特公司的BAL99來代替LAP165，BAL99用氧化鋁空心球作為原料，以Al2O3含有量99%來制造，因此具有很高的耐火度，最高使用溫度達到了1 800 ℃，但BAL99的導(dǎo)熱系數(shù)比LAP165稍大，保溫性能沒有LAP165優(yōu)秀。新的保溫結(jié)構(gòu)方案和計算結(jié)果如表3所示。

表3 對納米微孔絕熱板進行優(yōu)化的保溫結(jié)構(gòu)中各層散熱計算結(jié)果

從表3中可以看出，BAL99的內(nèi)側(cè)溫度最高為1 557 ℃，LBK3000的內(nèi)側(cè)溫度最高為1 412 ℃，兩者均在各自長期使用溫度范圍內(nèi)，并且表面溫度為101 ℃，散熱損失為902.80 kcal/m2h，雖說比不上表2中數(shù)據(jù)得到的保溫效果，但較表1中的數(shù)據(jù)還是有很明顯的優(yōu)勢，散熱量減少了23%，而且該結(jié)構(gòu)不存在耐火材料高溫下的使用風(fēng)險。

3 結(jié) 論

通過以上的方案數(shù)據(jù)對比可以看出，在鉑金通道澄清段最外側(cè)增加納米微孔絕熱板進行保溫，能一定程度上有效地降低表面溫度，減少散熱損失，雖然由于實際生產(chǎn)中存在許多其他的熱量損耗，納米微孔絕熱板可能達不到理論計算那么好的節(jié)能效果，但是作為提高生產(chǎn)效益，提升玻璃質(zhì)量的一個措施，納米微孔絕熱板肯定是不錯的選擇。相應(yīng)地，在增加納米微孔絕熱板的基礎(chǔ)上再對磚材進行進一步優(yōu)化設(shè)計，還能使整個結(jié)構(gòu)保持原有的物理強度，筆者認為納米微孔絕熱板在鉑金通道上具有很廣泛的應(yīng)用前景。