CN107339549B - 真空绝热板使用的芯材及其生产方法以及真空绝热板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了真空绝热板使用的芯材，包括复数个层叠设置的玻璃纤维短切丝层；每一层玻璃纤维短切丝层上下表面和每一层玻璃纤维短切丝层中都均匀分散有起粘结作用的低熔点纤维和填充材料；所述低熔点纤维的熔点小于300℃，所述填充材料为气相二氧化硅、沉淀法二氧化硅、纤维素、超细纤维或生物可溶性棉中的一种或多种组成。本发明还提供了上述芯材的制作方法以及采用上述芯材生产的真空绝热板。

Description

真空绝热板使用的芯材及其生产方法以及真空绝热板
技术领域
本发明涉及真空绝热材料，尤其涉及一种真空绝热板及其使用的芯材。
背景技术
目前全球正面临能源危机，节能减排已经成为全世界关注的焦点，新能源、新技术和新材料的开发已势在必行。真空绝热板(简称“VI P”)是在真空绝热原理和传统保温材料结合起来的一种高效绝热保温材料。作为一种新型的保温材料，其具有极低导热系数的优点。因此它在冰箱，保温箱，建筑墙体，冷藏集装箱等领域有广泛应用，起到降低能耗、提高经济性的作用，具有巨大的发展潜力。
真空绝热板由膜材料，芯材，吸气剂材料等组成。其芯材的选择非常重要，除了作为支撑材料外，还可以限制残余在真空绝热板中的一些气体分子的运动空间，因而可以阻止对流以及气体传导传热。此外，还可以起到对红外辐射进行吸收、散射的作用。根据相关理论，多孔芯材的气孔孔径越小，气体的对流及传导传热就越少，当多孔芯材的孔径与气体分子的平均自由程相当时，气体的对流及传导传热基本上可以被阻止。
现有的芯材多为结构尺寸为纳米级的多孔粉末或微米级的玻璃纤维为原料制得。
玻璃纤维芯材在1-10Pa的压力下，其导热系数在0.0015W/(m·K)到0.003W/(m·K)之间；气体压力增加到100Pa时，导热系数上升至0.008W/(m·K),芯材导热系数受骨架(玻璃纤维)间的气体压力影响较大，真空敏感度高。
气相二氧化硅芯材，如采用85％-95％的SiO2、1％-10％增强纤维和1％-5％遮光剂(碳黑或者TiO2)，此种芯材具有以下缺点：一是初始导热系数高，普通的玻璃纤维短切丝芯材制成的真空绝热板初始导热系数约为0.002W/(m·K)，而气相二氧化硅芯材制成的真空绝热板的初始导热系数为0.004W/(m·K)，二是因为生产工艺导致其价格高，气相二氧化硅芯材原料价格约为短切丝芯材的四倍。根据真空效应曲线推测，气相二氧化硅芯材制成的真空绝热板寿命可长达50年，寿命虽然长，但是用于冰箱冷链等领域的要求使用寿命约为15年，如此看来，气相二氧化硅作为真空隔热板的芯材使用其性价比并不高。
另外，现有技术中气相二氧化硅等粉末芯材也会和增强纤维一起使用。发明专利CN102873959A提到将气相二氧化硅、微硅粉、炭黑、纤维和真空活性稳定剂投入混合机进行充分混合，烘干，然后放入压制机中加压成型；这种芯材，增强纤维没有层状排布结构，存在与热流方向平行的纤维，导致了骨架传热增加，且压制成型芯材密实，固体传热增强。另外一篇发明专利CN104747862B公开一种真空绝热板芯材，其包括多层层叠的玻璃纤维片材构成的中间芯材，中间芯材的上端面和/或下端面覆盖有气相二氧化硅板，或中间芯材的外周包覆有气相二氧化硅粉层，芯材制成的真空绝热板导热系数为0.003W/(m·K)到0.004W/(m·K)；这种芯材单层玻璃纤维片材没有层状排布，骨架传热增强，且在玻璃纤维芯材和密实的二氧化硅板贴合的部分，固体传热增强，且玻璃纤维之间并没有填充物，空隙还是那么大，气体传热大，类似于三明治，将两种芯材的特性叠加而已并没有取长补短而仅仅是折中。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是提供一种真空绝热板使用的芯材，其具有价格低廉优点，纤维呈交织层状排布降低了骨架传热，兼顾了以此芯材制成的真空绝热板的初始导热系数和寿命，并能根据需要，调整各项原料配比，满足不同需求。
本发明所要解决的另一主要技术问题是提供一种真空绝热板使用的芯材的生产方法，生产工艺简单。
本发明所要解决的另一主要技术问题是提供一种真空绝热板，其具有初始导热系数低，寿命长，价格低廉优点。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了真空绝热板使用的芯材，包括复数个层叠设置的玻璃纤维短切丝层；每一层玻璃纤维短切丝层上下表面和每一层玻璃纤维短切丝层中都均匀分散有起粘结作用的低熔点纤维和填充材料；所述低熔点纤维的熔点小于300℃，所述填充材料为气相二氧化硅、沉淀法二氧化硅、纤维素、超细纤维或生物可溶性棉中的一种或多种组成。
在一较佳实施例中：所述玻璃纤维短切丝层中的玻璃纤维短切丝呈交织层状分布。
在一较佳实施例中：所述超细纤维为火焰棉，陶瓷纤维，氧化铝纤维，玻璃微纤维中的一种或几种，所述超细纤维直径不大于6微米。
在一较佳实施例中：填充材料占芯材的重量百分比为0.5-25％。
本发明还提供了真空绝热板使用的芯材的生产方法，包括以下步骤：
步骤一：将玻璃纤维短切丝与低熔点纤维混合梳理成单丝化的纤维散料，利用气流将纤维散料铺成薄层纤维毡，成为玻璃纤维短切丝层；
步骤二：玻璃纤维短切丝层的一主侧表面均匀撒入填充材料，通过抖动或在玻璃纤维短切丝层的另一对应侧施加真空负压，将填充材料均匀的渗透到玻璃纤维短切丝层的纤维空隙中；
步骤三：将复数个填充后的玻璃纤维短切丝层层叠放置后，通过热压将低熔点纤维融化粘接玻璃纤维短切丝，低熔点纤维冷却固化使玻璃纤维短切丝层叠体粘结成型得到芯材。
在一较佳实施例中：所述玻璃纤维短切丝层中的玻璃纤维短切丝呈交织层状分布。
在一较佳实施例中：所述填充材料为气相二氧化硅、沉淀法二氧化硅、纤维素、超细纤维或生物可溶性棉中的一种或多种组成。
在一较佳实施例中：所述超细纤维为火焰棉，陶瓷纤维，氧化铝纤维，玻璃微纤维中的一种或几种，所述超细纤维直径不大于6微米。
在一较佳实施例中：填充材料占芯材的重量百分比为0.5-25％。
本发明还提供了一种真空绝热板，包括：芯材和包裹于芯材外的阻隔袋；所述芯材为采用上述方法生产的芯材。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
本发明提供的一种真空绝热板使用的内部芯材，使用了层叠设置的玻璃纤维短切丝层，且每一层玻璃纤维短切丝中玻璃纤维呈交织层状分布，通过数层玻璃纤维层状排布，玻璃纤维与玻璃纤维之间为点接触。故此，初始导热系数低。
并且在每一层玻璃纤维短切丝层的空隙中均匀分散填充材料，填补了玻璃纤维短切丝层的空隙中的真空区域，使芯材内部的气体分子碰撞概率大幅度降低，使用此种芯材的真空绝热板对真空度的敏感度大幅度降低。并且，因使用玻璃纤维作为骨架，支撑薄膜，使玻璃纤维短切丝层的空隙中的填充材料不会大幅度压缩，减少了填充材料的使用量，节约了成本，提高了芯材的使用寿命，同时降低了填充材料引起固体传热，和粉末芯材相比，降低了芯材的初始导热系数。
附图说明
图1为添加填充材料前玻璃纤维短切丝层的显微放大图；
图2为添加填充材料前玻璃纤维短切丝层的进一步显微放大图；
图3为添加填充材料后玻璃纤维短切丝层的显微放大图；
图4为添加填充材料后玻璃纤维短切丝层的进一步显微放大图。
具体实施方式
下文根据具体实施例对本发明做进一步说明。
真空绝热板使用的芯材的生产方法，包括以下步骤：
步骤一：将玻璃纤维短切丝与低熔点纤维混合梳理成尽量单丝化的纤维散料，利用气流将纤维散料铺成薄层纤维毡，成为玻璃纤维短切丝层；其中所述玻璃纤维短切丝的直径为5-11um。纤维可以是干法，低熔点纤维在成型后起胶粘作用，其熔点小于300℃，低熔点纤维可以是纤维形状，也可以是球状结构，主要起与玻璃纤维胶粘的作用，纤维毡可以使干法的也可以是湿法的，湿法的用纤维素做胶粘剂。
短切纤维通过开松将整束纤维开松成单丝化的玻璃纤维，将玻璃纤维与低熔点纤维按照一定比例混合，拌匀，通过气体将少量这两种纤维吹送至成型网，气体透过成型网，纤维平铺网上，因纤维落在成型网的顺序有先有后，先落下的纤维均平铺于网上后面的纤维又平铺于先前的纤维之上(如同秋天落叶落在地面的样子)，形成了纤维堆积的交织层状结构，根据工艺要求，达到一定厚度后，从成型网上剥离，形成玻璃纤维短切丝层，其中的玻璃纤维短切丝层中的玻璃纤维短切丝呈层状交织分布，低熔点纤维均匀的分散在玻璃纤维短切丝层中，如图1和图2所示，玻璃纤维短切丝直径较粗，均匀，相对笔挺，起着真空绝热板芯材骨架结构作用；玻璃纤维短切丝一根根单丝化平铺在成型网上，相互交织堆积成层状结构，玻璃纤维短切丝相互之间以点对点接触。玻璃纤维短切丝平铺方向平行与真空绝热板芯材的平面方向。
步骤二：玻璃纤维短切丝层的一侧表面均匀撒入填充材料，通过抖动或在玻璃纤维短切丝层的另一对应侧施加真空负压，空气裹挟填充材料，通过气力输送，填充材料从一侧向另一侧流动，在流动过程中，因吸附作用，在玻璃纤维短切丝之间的空隙以及玻璃纤维短切丝表面吸附并沉积，如此填充材料均匀渗透到玻璃纤维短切丝层的纤维空隙中；本实施例在交织层状排布的玻璃纤维短切丝的空隙均匀分布填充材料，填补了玻璃纤维短切丝之间和玻璃纤维短切丝层之间的空隙，使内部气体分子碰撞概率大幅度降低。
本实施例中，该填充材料为气相二氧化硅，如图3和图4所示，玻璃纤维短切丝表面和玻璃纤维短切丝层的纤维空隙中都均匀分散有气相二氧化硅，填补了玻璃纤维短切丝之间和玻璃纤维短切丝层之间的空隙，此时内部的空隙更小，故而以此制备为真空绝热板使用的芯材后，虽然随着芯材内部压力上升，但是内部气体分子碰撞概率相比大幅度降低，即以此制备的真空绝热板芯材的真空敏感度降低。填充材料也可以使用纤维素、超细纤维或生物可溶性棉中的一种或多种组成，其中超细纤维可以为火焰棉，陶瓷纤维，氧化铝纤维，玻璃微纤维中的一种或几种，所述超细纤维直径不大于6微米，不再赘述。
步骤三：将复数个填充后的玻璃纤维短切丝层层叠放置后，通过烘烤，将低熔点纤维融化，使低熔点纤维与玻璃纤维粘合，施加一定压力，在压力下冷却成型得到芯材，自然的，烘烤温度小于300℃，并且高于低熔点纤维的熔点温度。
制作得到的芯材中，所述玻璃纤维短切丝占芯材的重量百分比为70-94.5％，低熔点纤维占芯材的重量百分比为1-8％(此时低熔点纤维已经融化成小粘合点，与玻璃纤维粘合，不在具有纤维结构)，填充材料占芯材的重量百分比为0.5-25％。
所述填充材料中还可以设有遮光剂，用于降低辐射传热。该遮光剂包括炭黑或二氧化钛。
使用上述方法生产出的芯材，装入阻隔袋后抽真空即可成为真空绝热板。此时，玻璃纤维短切丝作为骨架结构，支撑阻隔袋，使填充材料不会大幅度压缩，降低了填充材料的固体传热，同时节约了固体材料的使用量，节约了成本。并且，因为使用上述方法制得的真空绝热板，填充材料均匀填补了玻璃纤维短切丝之间和玻璃纤维短切丝层之间的空隙，内部气体分子碰撞概率大幅度降低，真空绝热板对真空度的敏感度也大幅度降低，也就是说随着大气向真空绝热板渗入的气体的累积，真空绝热板内部气压的升高对真空绝热板导热系数的影响降低了，如此真空绝热板的寿命较长。
表1给出了玻璃短切丝、火焰棉、玻璃纤维短切丝添加0.5％气相二氧化硅(简称气硅)、玻璃纤维短切丝添加0.5％气硅、玻璃纤维短切丝添加5％气硅、璃纤维短切丝添加15％气硅、玻璃纤维短切丝添加25％气硅、以及气硅这六种芯材制作的真空绝热板，其导热系数随着板内气压的变化表。
表1不同芯材制作的真空绝热板导热系数随板内气压变化表(单位×10-3W/(m·K))
如表1，这六种芯材制作真空绝热板，芯材装入阻隔袋抽真空后，板内初始气压为1Pa，添加了5％气硅的玻璃纤维短切丝芯材，与添加了15％气硅的玻璃纤维短切丝芯材，其制作的真空绝热板导热系数初始值均优于火焰棉芯材制作的真空绝热板；与纯粹玻璃短切丝芯材制作的真空绝热板相当。同时，在真空绝热板内部气压接近50Pa时候，添加了5％气硅的玻璃纤维短切丝芯材，与添加了15％气硅的玻璃纤维短切丝芯材的导热系数优于其他芯材。当气压进一步升高，添加了5％气硅的玻璃纤维短切丝芯材，与添加了15％气硅的玻璃纤维短切丝芯材制成的真空绝热板的导热系数仍保持较低水平，即真空绝热板的寿命得到有效延长。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.真空绝热板使用的芯材，其特征在于：包括复数个层叠设置的玻璃纤维短切丝层；每一层玻璃纤维短切丝层上下表面和每一层玻璃纤维短切丝层中都均匀分散有起粘结作用的低熔点纤维和填充材料；所述填充材料均匀渗透到玻璃纤维短切丝层的纤维空隙中；所述低熔点纤维的熔点小于300℃，所述填充材料为气相二氧化硅、沉淀法二氧化硅、纤维素、超细纤维或生物可溶性棉中的一种或多种组成。
2.根据权利要求1所述的真空绝热板使用的芯材，其特征在于：所述玻璃纤维短切丝层中的玻璃纤维短切丝呈交织层状分布。
3.根据权利要求1所述的真空绝热板使用的芯材，其特征在于：所述超细纤维为火焰棉，陶瓷纤维，氧化铝纤维，玻璃微纤维中的一种或几种，所述超细纤维直径不大于6微米。
4.根据权利要求1所述的真空绝热板使用的芯材，其特征在于：所述填充材料占芯材的重量百分比为0.5-25％。
5.真空绝热板使用的芯材的生产方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：将玻璃纤维短切丝与低熔点纤维混合梳理成单丝化的纤维散料，利用气流将纤维散料铺成薄层纤维毡，成为玻璃纤维短切丝层；
步骤二：玻璃纤维短切丝层的一主侧表面均匀撒入填充材料，通过抖动或在玻璃纤维短切丝层的另一对应侧施加真空负压，将填充材料均匀的渗透到玻璃纤维短切丝层的纤维空隙中；
步骤三：将复数个填充后的玻璃纤维短切丝层层叠放置后，通过热压将低熔点纤维融化粘接玻璃纤维短切丝，低熔点纤维冷却固化使玻璃纤维短切丝层叠体粘结成型得到芯材。
6.根据权利要求5所述的真空绝热板使用的芯材的生产方法，其特征在于：所述玻璃纤维短切丝层中的玻璃纤维短切丝呈交织层状分布。
7.根据权利要求5所述的真空绝热板使用的芯材的生产方法，其特征在于：所述填充材料为气相二氧化硅、沉淀法二氧化硅、纤维素、超细纤维或生物可溶性棉中的一种或多种组成。
8.根据权利要求7所述的真空绝热板使用的芯材的生产方法，其特征在于：所述超细纤维为火焰棉，陶瓷纤维，氧化铝纤维，玻璃微纤维中的一种或几种，所述超细纤维直径不大于6微米。
9.根据权利要求5所述的真空绝热板使用的芯材的生产方法，其特征在于：所述填充材料占芯材的重量百分比为0.5-25％。
10.一种真空绝热板，其特征在于包括：芯材和包裹于芯材外的阻隔袋；所述芯材为权利要求1-4中任一项所述的真空绝热板使用的芯材。
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