氣凝膠紙蜂窩夾層板的隔熱性能

孫 莜 王冬梅

柏子游1 朱 宏1

1. 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院

傳播工程學(xué)院

廣東 深圳 518055

2. 西安理工大學(xué)

印刷包裝與數(shù)字媒體學(xué)院

陜西 西安 710048

1 研究背景

氣凝膠作為一種多孔功能性材料，其孔隙大小為1～100 nm，孔隙率、比表面積分別高達(dá)99.8%和1000 m2/g，密度低至0.03 g/cm3。氣凝膠孔隙中充斥大量氣體介質(zhì)，因而具有優(yōu)良的保溫隔熱性能[1-3]。

氣凝膠保溫隔熱性能優(yōu)異，且在高溫下性能穩(wěn)定；但純氣凝膠具有強(qiáng)度低、易脆、不易成型等缺點(diǎn)。為了解決其力學(xué)性能差的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者采用加入增強(qiáng)纖維和遮光劑等方法，對(duì)其進(jìn)行改良。Yang F. 等[4]利用靜電紡絲和冷凍干燥技術(shù)，制備了超疏水可壓縮納米纖維復(fù)合氣凝膠，該氣凝膠在室溫下導(dǎo)熱系數(shù)為0.031 W/(m·K)，即使在100%濕度、80 ℃的高溫高濕環(huán)境中，仍顯現(xiàn)出0.048 6 W/(m·K)的低導(dǎo)熱系數(shù)。Hung W. C. 等[5]選擇玻璃纖維和碳纖維作為增強(qiáng)性材料，通過(guò)溶膠-凝膠法制備了由3層纖維組合的氣凝膠復(fù)合材料，該復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.031 W/(m·K)，同時(shí)具有較高（2.846 MPa）的抗彎強(qiáng)度。徐凜等[6]利用硅酸鋁纖維、Al2O3纖維、莫來(lái)石纖維作為增強(qiáng)性骨架，制備了3種纖維增強(qiáng)氣凝膠隔熱復(fù)合材料，即使在1100 ℃的高溫下，其導(dǎo)熱系數(shù)也只有0.065 W/(m·K)。

目前冷庫(kù)、建筑墻體的保溫層主要使用聚氨酯泡沫板。由于配方與加工工藝的不同，聚氨酯泡沫板的保溫隔熱效果有差異但都不理想；而且聚氨酯泡沫等無(wú)法降解的材料在生產(chǎn)、使用和廢棄后都會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

氣凝膠復(fù)合材料雖然具有導(dǎo)熱系數(shù)低、孔隙率高等優(yōu)點(diǎn)，但是不具備良好的承壓性能。紙蜂窩的質(zhì)量輕，可回收處理，是作為一種環(huán)保型材料，在隔音、隔熱、自重、承壓等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)[7-10]。因此，本課題組本文設(shè)計(jì)出以紙蜂窩作為夾層，兩側(cè)復(fù)合氣凝膠復(fù)合材料的夾層板，并對(duì)其性能進(jìn)行研究，以期得到一種可用于大型建筑墻體的具有較好保溫、隔熱、承壓效果的材料。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 材料與儀器

1）材料

氣凝膠氈（玻璃纖維氣凝膠復(fù)合材料），AGF300，厚度分別為10, 15, 20 mm，深圳中凝科技有限公司；

聚氨酯泡沫（B1級(jí)聚氨酯泡沫），密度為40 kg/m3，河北鑫源保溫建材公司；

紙蜂窩（由面紙和芯紙組成），具體參數(shù)如表1所示，惠州錦旺包裝環(huán)保包裝材料有限公司。

表1 紙蜂窩基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of honeycomb paperboard

2）儀器

恒溫恒濕箱，LB-CB80，深圳藍(lán)博儀器檢測(cè)有限公司；

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，DRPL-III，湘潭湘儀儀器有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 試樣制作

以紙蜂窩做夾層，上下各附著一層氣凝膠復(fù)合材料制作成復(fù)合結(jié)構(gòu)的氣凝膠紙蜂窩夾層板，如圖1所示。再將氣凝膠復(fù)合材料、具有不同參數(shù)的紙蜂窩和氣凝膠復(fù)合材料作成的夾層板、聚氨酯泡沫都裁剪成尺寸為200 mm×200 mm的試樣。

圖1 氣凝膠紙蜂窩夾層板Fig. 1 Aerogel paper honeycomb sandwich panel

2.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定

在不同環(huán)境中，材料的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能不同。在潮濕環(huán)境下，夾層復(fù)合材料吸濕嚴(yán)重，導(dǎo)熱性能會(huì)受嚴(yán)重影響，力學(xué)性能也會(huì)大幅度降低[11-12]。因此，在測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)前必須對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)處理，具體操作步驟如下：

1）將所有待測(cè)試樣放置于恒溫恒濕箱中，在23℃、80%濕度下處理24 h。

2）采用導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀測(cè)量試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。冷板設(shè)置為10 ℃，熱板設(shè)置為35 ℃，由儀器自帶數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算并顯示所測(cè)試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

許多文獻(xiàn)研究了SiO2氣凝膠復(fù)合材料的制備和隔熱保溫性能，其中王教方等[13]對(duì)多層復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法的研究表明，若多層復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)分別為λ1,λ2, … ,λn，厚度分別為h1,h2, … ,hn，其總厚度為H，等效導(dǎo)熱系數(shù)為λ，則根據(jù)熱阻理論的定義得

從理論上說(shuō)，氣凝膠紙蜂窩復(fù)合材料的隔熱性能，可分別測(cè)試氣凝膠復(fù)合材料與紙蜂窩的導(dǎo)熱系數(shù)，按照導(dǎo)熱系數(shù)變化規(guī)律，選擇最低的導(dǎo)熱系數(shù)代入公式（1）即可獲得兩種材料復(fù)合的夾層板最低導(dǎo)熱系數(shù)。下面分別研究紙蜂窩與氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

3.1 紙蜂窩導(dǎo)熱系數(shù)

在預(yù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)紙蜂窩的參數(shù)，即厚度和孔徑不同，其導(dǎo)熱系數(shù)相差較大，因此分別以紙蜂窩厚度與孔徑為變量進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

3.1.1 厚度對(duì)紙蜂窩導(dǎo)熱系數(shù)的影響

為研究紙蜂窩厚度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響，在保證面紙克重與芯紙克重不變的情況下，對(duì)不同厚度的紙蜂窩導(dǎo)熱性能進(jìn)行對(duì)比。對(duì)取自恒溫恒濕箱23 ℃、80%濕度環(huán)境中，孔徑為10 mm，厚度分別為10,20, 30, 40 mm的紙蜂窩進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 紙蜂窩的導(dǎo)熱系數(shù)與厚度關(guān)系曲線Fig. 2 The relationship curve between the thermal conductivity of paper honeycomb and its thickness

由圖2可知，紙蜂窩的導(dǎo)熱系數(shù)隨厚度的增加而增大，即紙蜂窩的厚度越小，紙蜂窩的隔熱性能越好。

3.1.2 孔徑對(duì)紙蜂窩導(dǎo)熱系數(shù)的影響

同樣，為研究紙蜂窩蜂窩孔徑對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響時(shí)，在保證面紙克重與芯紙克重不變的情況下，對(duì)不同孔徑大小的紙蜂窩導(dǎo)熱性能進(jìn)行對(duì)比。對(duì)取自恒溫恒濕箱23 ℃、80%濕度環(huán)境中，蜂窩厚度為10 mm，蜂窩孔徑為6, 8, 10, 12 mm的紙蜂窩進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 紙蜂窩的導(dǎo)熱系數(shù)與孔徑關(guān)系曲線Fig. 3 The relationship curve between the thermal conductivity of paper honeycomb and the aperture size

由圖3可知，紙蜂窩導(dǎo)熱系數(shù)隨其孔徑增大而增大，即紙蜂窩的孔徑越小，紙蜂窩的隔熱性能越好。相比于實(shí)心紙板，紙蜂窩內(nèi)部存在大量干燥氣體，干燥氣體的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于固體，因此蜂窩結(jié)構(gòu)具有一定的隔熱優(yōu)勢(shì)。

由圖2和圖3可以看出，紙蜂窩的導(dǎo)熱規(guī)律與一般均勻材料的導(dǎo)熱變化規(guī)律相反。主要是因?yàn)楫?dāng)蜂窩板的孔徑較小時(shí)，其蜂窩孔徑內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生熱對(duì)流或?qū)α鱾鳠針O小，故蜂窩孔徑內(nèi)的對(duì)流傳熱幾乎可以忽略。此時(shí)，紙蜂窩的傳熱過(guò)程主要由材料的熱傳導(dǎo)和蜂窩孔之間的輻射傳熱組成。因此，蜂窩孔徑越小，紙蜂窩導(dǎo)熱系數(shù)越小[14]。

綜上，在復(fù)合紙蜂窩與氣凝膠復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇厚度薄、孔徑小的紙蜂窩。

3.2 氣凝膠復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)

在氣凝膠復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)過(guò)程中，氣體傳熱與固體傳熱占主導(dǎo)地位，根據(jù)傅里葉方程[15-17]，得到氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)公式為

式中：Q為溫度差導(dǎo)致的熱量變化；

S為面積；

ΔT為溫差；

h為厚度。

由式（2）可知，在面積、冷熱板溫差等條件相同的情況下，材料的厚度是影響導(dǎo)熱系數(shù)的重要因素。因此，本文選擇厚度作為變量，測(cè)試氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，尋求氣凝膠復(fù)合材料的最佳厚度，使其與紙蜂窩的復(fù)合夾層板隔熱性能最優(yōu)。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)與厚度關(guān)系曲線Fig. 4 The relationship curve between the thermal conductivity of aerogel composite and its thickness

從圖4可以看出，隨著氣凝膠復(fù)合材料厚度的增加，導(dǎo)熱系數(shù)整體呈波浪式增大的變化趨勢(shì)，導(dǎo)熱系數(shù)與厚度沒有呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，無(wú)法確定其最佳厚度。

3.3 氣凝膠紙蜂窩夾層板導(dǎo)熱系數(shù)

由3.1和3.2節(jié)中的測(cè)試結(jié)果可知：紙蜂窩導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律是，厚度、孔徑越小，導(dǎo)熱系數(shù)越小。而氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱過(guò)程涉及到熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種傳熱方式，不能直接測(cè)得導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律，無(wú)法選擇氣凝膠復(fù)合材料的最低導(dǎo)熱系數(shù)并應(yīng)用于公式（1），因此在氣凝膠紙蜂窩夾層板的隔熱性能探究中，需對(duì)該夾層板進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試。此時(shí)，紙蜂窩的參數(shù)不再作為變量，直接選擇導(dǎo)熱系數(shù)最小的厚度為10 mm、蜂窩孔徑為6 mm的紙蜂窩作為夾層，僅改變氣凝膠復(fù)合材料厚度進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。

考慮到在實(shí)際應(yīng)用中，冷庫(kù)保溫層使用的聚氨酯泡沫每層厚度大約為25～38 mm，因此只測(cè)定10 mm+10 mm、15 mm+10 mm、20 mm+10 mm這3種組合結(jié)構(gòu)，即紙蜂窩厚度為10 mm不變，氣凝膠復(fù)合材料的厚度分別為10, 15, 20 mm。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 氣凝膠紙蜂窩夾層板的導(dǎo)熱系數(shù)與氣凝膠厚度關(guān)系曲線Fig. 5 The relationship curve between the thermal conductivity of aerogel paper honeycomb sandwich panel and thickness of the aerogel

從圖5可以看出，氣凝膠紙蜂窩夾層板的導(dǎo)熱系數(shù)大體上隨氣凝膠復(fù)合材料厚度的增加而增大，當(dāng)氣凝膠厚度為10 mm和15 mm時(shí)，夾層板的導(dǎo)熱系數(shù)低于0.03 W/(m·K)，滿足我國(guó)冷庫(kù)保溫材料使用標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.4 氣凝膠紙蜂窩夾層板與聚氨酯的導(dǎo)熱性能比較

聚氨酯泡沫材料導(dǎo)熱系數(shù)的理論值為0.021 W/(m·K)，但作為一種多孔發(fā)泡型材料，聚氨酯的導(dǎo)熱系數(shù)與其材料配比、發(fā)泡溫度有直接關(guān)系[18]，而且在冷庫(kù)等濕度較大的環(huán)境中，其導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)因吸水而增大。

在施工過(guò)程中，每層聚氨酯泡沫噴涂厚度控制為25～38 mm，通常聚氨酯泡沫的計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)取0.031 W/(m·K)。

為比較氣凝膠紙蜂窩夾層板與聚氨酯泡沫板的導(dǎo)熱性能，對(duì)厚度分別為20 mm和30 mm兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖6所示。

圖6 氣凝膠紙蜂窩夾層板與聚氨酯泡沫板導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比Fig. 6 Comparison of thermal conductivity between aerogel paper honeycomb sandwich panel and polyurethane foam panel

由圖6可知，無(wú)論厚度是20 mm還是30 mm的兩種保溫隔熱板，氣凝膠紙蜂窩夾層板的導(dǎo)熱系數(shù)均低于聚氨酯泡沫板的。換而言之，在同等隔熱性能下，聚氨酯泡沫保溫層厚度要更大，因此氣凝膠蜂窩夾層板復(fù)合材料相較聚氨酯泡沫還可增加冷庫(kù)庫(kù)容，節(jié)省建筑面積。

4 結(jié)論

本文對(duì)氣凝膠紙蜂窩夾層板的隔熱性能進(jìn)行了研究，可得如下結(jié)論：

1）玻璃纖維氣凝膠復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.022 W/(m·K)，紙蜂窩的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.060～0.110 W/(m·K)，聚氨酯的導(dǎo)熱系數(shù)約為 0.035 W/(m·K)。

2）在厚度為10 mm、孔徑為6 mm的紙蜂窩上下兩側(cè)，附著厚度為10～15 mm玻璃纖維氣凝膠復(fù)合材料所制得的氣凝膠紙蜂窩夾層板，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.028～0.030 W/(m·K)，符合我國(guó)冷庫(kù)墻體保溫層材料的使用要求。因此，在保溫隔熱領(lǐng)域，完全可以選擇由氣凝膠紙蜂窩夾層板來(lái)替代現(xiàn)有的聚氨酯泡沫保溫層。