CN104153471A - 一种保温效率高的复合层状结构保温材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料技术领域，具体为一种保温效率高的复合层状结构保温材料。该保温材料由热的高反射率材料以及低热导率材料交替排列、复合而成。与已有的基于限制热传导而实现保温效果的保温材料不同，本发明基于材料层状复合，不但可以限制热传导，而且可以有效限制热对流和热辐射，从而获得高效的保温效果。本发明可用作石油输油管道、建筑物、设备等的保温材料。

Description

一种保温效率高的复合层状结构保温材料

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种复合结构的保温材料。

背景技术

保温材料一般是指热导率小于或等于0.2 W/(K·m)的材料。它是影响节能减排的一个重要因素。20世纪70年代后，国外很重视保温材料研究与应用，力求大幅减少能源消耗量，从而减少环境污染以及温室效应等。统计表明，如果建筑中每使用一吨矿物棉保温材料，一年可节约一吨石油。因此研究保温技术与保温材料对建设资源节约型社会有重要参考意义。国内保温材料经过30多年的发展，不少保温产品从无到有，从单一到多样化，质量从低到高。目前，国内保温材料种类包括：（1）聚氨酯泡沫、聚苯板、酚醛泡沫等有机保温材料；（2）气凝胶毡、玻璃棉、岩棉、膨胀珍珠岩、微纳隔热板等无机保温材料。其中聚氨酯材料是应用最广泛的保温材料。但是有机保温材料共有的缺点：易燃、耐高温耐火性能差、高温下释放大量有毒有害浓烟等。另外，该类有机材料起火燃烧后，火焰温度高，烟雾弥漫，增加了消防人员施救和现场人员撤离的难度。而无机保温材料在用作外墙保温时却存在着种种困难，如保温砂浆不能应用于高层建筑，保温效果也不完美，新型的硅酸钙是无机保温材料，其在工程领域的应用，技术上还不成熟。

众所周知，热传递有三种方式，即热传导、热对流、热辐射。上面介绍的已有的保温材料都是从限制“热传导”的角度实现保温效果的。本发明不仅可以限制“热传导”、而且可以限制“热对流”和“热辐射”，从而获得高效的保温效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种保温效率高的复合层状结构保温材料。这种材料从热传导、热对流和热辐射角度限制热量耗散，从而实现高效的保温效果。鉴于热对流必须伴随物质的流动才能产生、且本发明中用到的热的高反射率材料通常是固体，所以，本发明对限制热对流将自然发挥作用。故而，下面将主要从限制热传导和热辐射角度论述本发明的高效保温机制。

本发明提供的复合层状结构保温材料，是由热的高反射率材料以及低热导率材料交替排列、复合而成的多层结构。该多层结构本身整体可以是平面层状结构，也可以是同心结构。该同心结构可以是同心圆环或同心螺旋结构，如图1所示。本说明将以同心结构为例做具体介绍（相关内容对于层状结构一样适用）。热量在同心圆环径向或者切向方向热导率分别为（热导率方向如附图2所示）：

                                                       ,

        .

这里，为有效热导率的径向分量（或有效径向热导率），为有效热导率的切向分量（或有效切向热导率），为高反射材料的热导率，为低热导材料热导率，为高反射材料的体积分数，为低热导材料的体积分数，。

本发明中，所述高反射率材料，其热导率在10～500 W/(m·K)，例如金、银、铜、铁、铝、碳等单质材料及其化合物，以及隔热膜等能有效反射热辐射的材料。

本发明中，所述低热导率材料，其热导率在0～1 W/(m·K)，例如空气、聚氨酯、亚麻布、陶瓷等热导率很低的材料。

本发明中，复合层状结构可为高反射率材料层与低热导率材料层交替排列的多层结构，其中，交替层的数目为1到1000；优选20到1000。

本发明中，多层结构的复合层状结构中，所用高反射率材料可以为同一种，也可以为不同种；低热导率材料可以为同一种，也可以为不同种。

本发明中，单个复合层的厚度为100纳米～1000厘米。

本发明中，同心结构的截面半径（或平面层状结构的厚度）为100纳米～2000厘米。

本发明涉及的复合层状结构，其制备方法有：填充法和卷曲法。对同心圆环结构而言，可以通过先固定高反射率材料层（例如铝），后填充低热导率材料（例如聚氨酯）的方法获得，此即填充法；对同心螺旋结构而言，可以通过卷曲高反射率材料（例如铝）和低热导率材料（例如亚麻布）复合层的方法获得，此即卷曲法。当然，针对层状结构，可以采用填充法，也可以用两种材料直接交替叠加获得。

 一般金属材料原子排列致密，对热的反射率较高。所以在我们的测试实验中，热的高反射率材料与低热导率材料，分别选用金属铝和亚麻布为例。铝的热导率为237 W/(m·K)，亚麻布的热导率为0.09 W/(m·K)。当同心层状结构中铝与亚麻布的体积分数均为50%时，沿径向方向热导率为0.18 W/(m·K)，沿切向方向热导率为118.545 W/(m·K)，所以复合层状结构材料的径向热导率与低热导材料的热导率相近，复合材料径向方向热导率增加很小。当热的高反射率材料的热导率比低热导率材料的热导率还低时，复合材料的径向热导率甚至低于低热导率材料的热导率。比如美国国家航空航天局研制的新型太空反射瓷层以及国内研制的类似制品热导率为0.03 W/(m·K)，该物质具有高反射率、低热导率等性质。当复合层状结构中亚麻层所占百分比增大时，复合材料的径向热导率将变得更低。正如上文已经提及的，在现实生活中，热的传递主要有三种方式，即热传导、热对流、热辐射。在建筑物等体系内传递热量的比率：热传导+热对流<25%,热辐射>75%，由此可见，有效控制辐射散热将对保温效果有显著影响。在我们的测试实验中，因为体系比较小、且组成材料是固体，所以对流引起的热量损失很小，从而可以忽略热对流造成的热量损失。针对我们测试所用的实验系统，对于热传导，经过推导，我们发现有效热导率在径向方向上的分量增加很小，所以，针对这个测试实验系统，最大限度地降低辐射散热会对保温有重要影响。因为红外线是最主要的热辐射，其波长在760 nm～1 mm之间，当铝原子间排列非常致密时，红外线穿透能力非常弱，而亚麻布材料原子间排列疏松，红外线穿透能力强。所以，以铝为代表的高反射率材料可以降低红外线穿透率，从而在径向热导率增加很小的情况下，有效减少热辐射导致的热量损失，从而整体上实现了较好的保温效果。

该复合层状结构材料，有许多潜在的应用价值。例如：可以应用于石油工业等，例如在寒冷地区石油开采过程中，原油输运需要保持原油在管道内的流动性，这就需要在石油管道外进行保温处理，此时，若采用本复合层状结构，则可以提高保温效率。

此外，该复合层状结构也可以用于房屋保温，因为如果保温效率提高，那么冬季房间内热量不容易散发出去，夏季室外热量也不容易传入室内，这样能够有效减少因使用空调而花费的电能。

附图说明

图1为本发明复合层状结构保温材料截面图示。其中，(a) 为整体截面图示；(b)为2种材料截面，1为热的高反射率材料截面，2为低热导率材料截面。

图2为有效热导率方向图示：径向分量（）与切向分量（）， 1为热的高反射率材料截面图，2为低热导率材料截面图。

图3为测试实验的结果图。系统1由纯低热导率材料（亚麻布）构成，系统2由热的高反射率材料（铝箔）与低热导率材料（亚麻布）复合而成。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。本发明的基本思想是降低径向热导率或者径向热导率增加不明显的情况下，通过有效降低热辐射和热对流引起的热量损耗而实现保温效果。

本发明设计了一种提高保温效率的复合层状结构，该结构由热的高反射率材料以及低热导率材料复合排列成层状结构或同心结构（即同心圆环或同心螺旋等同心结构）。以同心圆环为例，其结构如图1所示。该结构包括：截面为环的高反射率材料（测试实验以金属铝为例）与截面为环的低热导率材料（测试实验以亚麻布为例）。其最内层为热的高反射率材料层，在高反射率材料层上面覆盖低热导率材料层。高反射材料层与低热导率材料层交替排列，并使之排列成同心圆环或同心螺旋状。单个高反射率材料层的厚度可为100纳米～1000厘米，低热导率材料层的厚度与高反射率材料层的厚度相近、或相差很远，皆可。

为了测试复合材料的保温效果，我们做了一组对比实验。把材料排列成同心螺旋结构，同时在螺旋中心放置热水当作热源。我们把由亚麻布单独构成的保温系统称为系统1（第1系统）；把由亚麻布与铝箔复合而成的保温系统称为系统2（第2系统）。第1系统与第2系统中心区域的形状相同。第1系统和第2系统内部放置等量热水后，在同一深度测量温度随时间的变化。测量室温为300K、湿度分别为46.6%、42%、41%三种条件下系统内热水温度随时间的变化。第1系统与第2系统内热水温度的变化如图3所示。因为系统不断向外散热，所以系统内热水的温度随着时间演化而逐渐降低。注意：虽然图3(a)、(b)、(c)显示第1系统与第2系统内热水的温度变化趋势类似，但是也有明显不同的地方，在相同时刻第2系统内热水的温度要比第1系统内热水的温度要高。所以，由铝箔与亚麻布组成的复合层状结构的保温效果要比亚麻布单独组成的层状结构的保温效果要好一些。即，使用热的高反射率材料与低热导率材料构成的复合材料要比单独使用低热导率材料保温效果好一些。因为材料层复合后，有效热导率径向分量相比于低热导率材料的热导率增加很小（甚或降低），但是可以有效降低辐射散热，从而整体上可以获得更好的保温效果。因此在保温材料围成的中央区域可以用来保温。实验中，第1系统与第2系统材料层的厚度皆为12厘米，很显然，当材料层的总厚度增加时，系统向外散热会更慢，系统的保温效果也会更加明显。在对比实验中，把复合材料层做成螺旋状，这是因为在实验室条件下比较容易实现。如果把复合材料层做成图1所示的同心圆环结构，更好的保温效果同样会显示出来。

关于上面介绍的测试实验，还需要特别补充一点：这个实验的目的仅仅是用于显示原理的可靠性。这个实验本身的设计比较粗糙，我们选用的管道长度只有几十厘米（管径也很小），所以，实验过程中，热量从管道的两端会比较容易散发出去，这就导致管道中间的温度随着时间的推移会显著降低。但需注意的是，这个实验仅仅服务于原理论证，它的定性结论已经足以说明本发明原理的可靠性了。在实际应用时——让我们拿输油管道为例来介绍吧——因为管道非常长（通常以公里为单位），这时从管道两端散出去的热量基本可以忽略不计，所以，针对输油管道而言，若采用本发明，其保温效率自然会提高很多。在其它的实际应用中，道理类似。

除了层状结构外，本发明的结构之一是同心结构，实际应用时，若采用偏心结构（即热的高反射材料层与低热导率材料层的中心不重合），将一样能够实现期望中的保温效果。换言之，同心结构其实仅仅是偏心结构的一种特殊情况，上面与同心结构有关的所有理论解释和实验论证，对偏心结构而言，同样适用。总之，实际应用时，需要根据被保温的对象而选用不同的结构：可以是层状结构（如建筑物的外墙等），也可以是同心结构（如输油管道等），亦或偏心结构（如形状不规则的设备等）。

Claims (6)

1. 一种复合层状结构保温材料，其特征在于：是由热的高反射率材料以及低热导率材料交替排列、复合而成的多层结构，其整体是平面层状结构，或者是同心结构，该同心结构为同心圆环结构或同心螺旋结构。

2. 根据权利要求1所述的复合层状结构保温材料，其特征在于：所述高反射率材料选自金、银、铜、铁、铝、碳单质材料及其化合物、以及隔热膜；所述低热导率材料选自空气、聚氨酯、亚麻布、陶瓷材料。

3. 根据权利要求1所述的复合层状结构保温材料，其特征在于：复合层状结构为高反射率材料层与低热导率材料层交替排列的多层结构，其中，交替层的数目为1到1000。

4. 根据权利要求1、2或3所述的复合层状结构保温材料，其特征在于：多层结构的复合层状结构中，所用高反射率材料为同一种，或者为不同种；低热导率材料为同一种，或者为不同种。

5. 根据权利要求1、2或3所述的复合层状结构保温材料，其特征在于：单个复合层的厚度为100纳米～1000厘米。

6. 根据权利要求1、2或3所述的复合层状结构保温材料，其特征在于：整体层状结构的厚度或整体同心结构的截面半径为100纳米～2000厘米。